用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条及其生产方法与流程

本发明属于焊接材料技术领域，更具体地讲，涉及一种满足ASME标准中ENiCrFe-1要求的用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条及其生产方法。

背景技术：

风动系统是以压缩空气为动力的系统及工具的统称，其通过压缩空气使活塞等机件产生不同的运动来进行工作。作直线往复运动并产生冲击力的有风镐﹑风动凿岩机﹑铆钉机等；产生压力的有压力机﹑千斤顶﹑升降机等；产生旋转运动的有风钻﹑风动砂轮机等。风动系统和设备工作和使用环境复杂，这就要求其制造及焊接、修复材料在高温下有较高的强度、耐磨性以及具有一定的抗氧化腐蚀能力等综合性能。

由于镍基焊条的熔敷金属以镍为基础并含有其他合金元素，且在一些介质中具有很好的耐腐蚀性，所以常常用来焊接和修复风动系统设备。

由于国内军工风动系统设备制造企业在ASME标准中ENiCrFe-1的基础上对焊材熔敷金属性能提出了较高的要求，普通的ENiCrFe-1难以满足要求，所以有必要研制一种焊条熔敷金属力学性能优良且满足军工风动系统设备制造要求的镍铬铁合金钢镍基焊条。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种焊条熔敷金属力学性能优良且满足军工风动系统设备制造要求的镍铬铁合金钢镍基焊条及其生产方法。

本发明的一方面提供了用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条，包括镍铬铁合金焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮，以重量份计，所述药皮包括以下组分：金红石粉5.5～9.5份、冰晶石粉4～7.5份、大理石粉5～9份、钛铁矿粉0.5～1.5份、碳酸钡0.8～2份、海藻酸钠0.1～0.3份、纯碱0.1～0.2份、电解锰1～2份、铌铁粉1.5～2.5份；其中，所述药皮的重量为镍铬铁合金焊芯重量的25～35wt％。

根据本发明用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条的一个实施例，以质量百分比计，所述金红石中的TiO₂含量≥91wt％；所述冰晶石中的F含量≥54wt％、Al含量≥15wt％、Na含量≤29wt％；所述大理石中的CaCO₃含量≥96wt％；所述钛铁矿中的FeO含量与Fe₂O₃的含量之和≥45wt％、TiO₂含量≥46wt％；所述碳酸钡中的BaCO₃含量≥98.5wt％；所述海藻酸钠中的灰分含量为20～30wt％、Na₂O含量为9.5～13.0wt％；所述纯碱中的Na₂CO₃含量≥98.5wt％；所述电解锰中的Mn含量≥99.5wt％；所述铌铁粉中的Nb含量≥50wt％、Si含量≤2.5wt％、Al含量≤2.0wt％、FeO含量为20～30wt％。

根据本发明用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条的一个实施例，以重量份计，所述药皮包括以下组分：金红石粉6份、冰晶石粉4.5份、大理石粉7份、钛铁矿粉1.5份、碳酸钡1.8份、海藻酸钠0.2份、纯碱0.2份、电解锰2份、铌铁粉2.5份。

根据本发明用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条的一个实施例，以重量份计，所述药皮包括以下组分：金红石粉9.5份、冰晶石粉7.5份、大理石粉5份、钛铁矿粉1份、碳酸钡0.8份、海藻酸钠0.2份、纯碱0.1份、电解锰1份、铌铁粉1.5份。

根据本发明用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条的一个实施例，以重量份计，所述药皮包括以下组分：金红石粉5.5份、冰晶石粉4份、大理石粉9份、钛铁矿粉0.5份、碳酸钡2份、海藻酸钠0.3份、纯碱0.2份、电解锰2份、铌铁粉2.5份。

根据本发明用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条的一个实施例，以质量百分比计，所述镍铬铁合金焊芯包括以下成分：C≤0.04wt％、Mn 2.5～4.0wt％、Si≤0.20wt％、Cr 15.0～18.0wt％、Fe 2.0～5.0wt％、Ti 0.4～1.0wt％、Co≤0.05wt％、Nb 1.5～2.5wt％、Cu≤0.03wt％、S≤0.010wt％、P≤0.025wt％以及余量的Ni和不可避免的杂质。

根据本发明用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条的一个实施例，所述药皮中还包括粘结剂，所述粘结剂的重量为药皮重量的20～28wt％；所述粘结剂是波美浓度为41°～43°的钠水玻璃、钾水玻璃或钾钠水玻璃。

根据本发明用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条的一个实施例，以质量百分比计，所述镍铬铁合金钢镍基焊条的焊接熔敷金属包含以下成分：C≤0.08wt％、Mn≤3.5wt％、Si≤0.8wt％、S≤0.015wt％、P≤0.020wt％、Cr 13.0～17.0wt％、Fe≤11.0wt％、Cu≤0.5wt％、Nb+Ta 0.5～4.0wt％、Ni≥69wt％以及余量的杂质；所述焊接熔敷金属在常温下的抗拉强度Rm≥550Mpa、屈服强度Rp_0.2≥410Mpa、延伸率A≥30％。

本发明的另一方面提供了上述用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条的生产方法，将所述药皮的各组分粉料按配比混合均匀，再加入重量为药皮重量的20～28％的粘结剂并继续混合均匀，随后送入压条机将所得药皮裹覆在镍铬铁合金焊芯上，最后经低温烘焙和高温烘焙制得所述用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条。

根据本发明用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条的生产方法的一个实施例，所述低温烘焙的温度为80～100℃，所述高温烘焙的温度为330～380℃。

本发明制得的镍铬铁合金钢镍基焊条焊接熔敷金属的化学成分分析、射线检测、拉伸试验均满足军工的特殊要求，焊接熔敷金属在焊态下、常温条件下的抗拉强度(Rm)、屈服强度(Rp0.2)、延伸率(A)优良，符合ASME标准中ENiCrFe-1要求；焊接时药皮不易发红开裂，焊条剩余部分短，脱渣容易，具有较好的焊接工艺性。并且，该镍铬铁合金钢镍基焊条特别适用于焊接耐热、耐高温腐蚀、高温持久强度要求较高的军工风动系统设备以及航天、石油化工、食品加工设备等领域使用的Inconel 600对接及其与不锈钢类异种材料的焊接。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面先对本发明用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条进行详细的说明。

根据本发明的示例性实施例，所述用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条包括镍铬铁合金焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮。其中，本发明中采用的镍铬铁合金焊芯可以为现有镍铬铁合金钢镍基焊条所使用的焊芯，优选地，以质量百分比计，所述镍铬铁合金焊芯包括以下成分：C≤0.04wt％、Mn 2.5～4.0wt％、Si≤0.20wt％、Cr 15.0～18.0wt％、Fe 2.0～5.0wt％、Ti 0.4～1.0wt％、Co≤0.05wt％、Nb 1.5～2.5wt％、Cu≤0.03wt％、S≤0.010wt％、P≤0.025wt％以及余量的Ni和不可避免的杂质。

并且，以重量份计，所述药皮包括以下组分：金红石粉5.5～9.5份、冰晶石粉4～7.5份、大理石粉5～9份、钛铁矿粉0.5～1.5份、碳酸钡0.8～2份、海藻酸钠0.1～0.3份、纯碱0.1～0.2份、电解锰1～2份、铌铁粉1.5～2.5份；其中，药皮的重量为镍铬铁合金焊芯重量的25～35wt％。上述组分与配比的药皮能够与镍铬铁合金焊芯配合形成力学性能优良且满足军工风动系统设备制造要求的焊接熔敷金属。

具体地，药皮中金红石粉的作用主要是稳定电弧并造渣，能够调节熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性，改善焊缝成形、减小飞溅。在本发明中加入的金红石粉对焊缝成形、电弧稳定性起关键作用。冰晶石粉的主要作用是造渣并调整熔渣的物理性能，还能除氢并改善焊条的工艺性能。大理石粉能够在电弧热的作用下分解成CaO和CO₂，是焊条制造中常用的造渣、造气材料，能够提高熔渣的碱度，稳定电弧并细化熔滴，增大熔渣与金属界面张力，改善脱渣并有较好的脱硫能力。钛铁矿粉的主要作用是造渣，促使熔滴呈雾状过渡，提高焊接速度，有利于焊缝脱渣和改善焊缝成型，可以部分代替金红石并降低焊条成本。碳酸钡的主要作用是造渣、造气、稳定电弧，调整熔渣物理性能，改善脱渣性和压涂性能。海藻酸钠加入能够增加焊条的压涂性。纯碱能够在焊条的压涂过程中作为润滑剂。电解锰的加入可起到脱硫、脱氧的作用，还可以向焊缝过渡(渗入)锰元素、提高焊缝强度。铌铁粉作为合金剂能够向焊缝过渡(渗入)铌元素，提高焊缝金属的强度、塑性及耐热耐腐蚀的能力。

为了保证焊条的焊接性能满足要求且更优，药皮中各组分需满足如下要求：以质量百分比计，金红石中的TiO₂含量≥91wt％；冰晶石中的F含量≥54wt％、Al含量≥15wt％、Na含量≤29wt％；大理石中的CaCO₃含量≥96wt％；钛铁矿中的FeO含量与Fe₂O₃的含量之和≥45wt％、TiO₂含量≥46wt％；碳酸钡中的BaCO₃含量≥98.5wt％；海藻酸钠中的灰分含量为20～30wt％、Na₂O含量为9.5～13.0wt％；纯碱中的Na₂CO₃含量≥98.5wt％；电解锰中的Mn含量≥99.5wt％；铌铁粉中的Nb含量≥50wt％、Si含量≤2.5wt％、Al含量≤2.0wt％、FeO含量为20～30wt％。

更优选地，本发明采用的药皮各组分为：含TiO₂ 94.6wt％的金红石粉、含F 55wt％的冰晶石粉、含CaCO₃ 98.50wt％的大理石粉、含FeO+Fe₂O₃ 48.6wt％、TiO2 46.78wt％的钛铁矿粉、含BaCO₃ 99.3wt％的碳酸钡、含Na₂O 12.67wt％的海藻酸钠、含Na₂CO₃ 99.1wt％的纯碱、含Mn 99.94wt％的电解锰、含Nb 55.48wt％的铌铁粉，但本发明不限于此。

根据本发明的一个实施例，以重量份计，所述药皮包括以下组分：金红石粉6份、冰晶石粉4.5份、大理石粉7份、钛铁矿粉1.5份、碳酸钡1.8份、海藻酸钠0.2份、纯碱0.2份、电解锰2份、铌铁粉2.5份。

根据本发明的另一个实施例，以重量份计，所述药皮包括以下组分：金红石粉9.5份、冰晶石粉7.5份、大理石粉5份、钛铁矿粉1份、碳酸钡0.8份、海藻酸钠0.2份、纯碱0.1份、电解锰1份、铌铁粉1.5份。

根据本发明的又一个实施例，以重量份计，所述药皮包括以下组分：金红石粉5.5份、冰晶石粉4份、大理石粉9份、钛铁矿粉0.5份、碳酸钡2份、海藻酸钠0.3份、纯碱0.2份、电解锰2份、铌铁粉2.5份。

此外，为了粘合药皮的各组分粉料，药皮中还包括粘结剂，并且粘结剂的重量为药皮重量的20～28wt％。优选地，粘结剂是波美浓度为41°～43°的钠水玻璃、钾水玻璃或钾钠水玻璃。

本发明保护的电焊条焊接熔敷金属化学成分分析、射线检测、拉伸试验均满足军工的特殊要求，焊接熔敷金属在焊态下、常温条件下的抗拉强度(Rm)、屈服强度(Rp0.2)、延伸率(A)优良，符合ASME标准中ENiCrFe-1要求。具体地，以质量百分比计，镍铬铁合金钢镍基焊条的焊接熔敷金属包含以下成分：C≤0.08wt％、Mn≤3.5wt％、Si≤0.8wt％、S≤0.015wt％、P≤0.020wt％、Cr 13.0～17.0wt％、Fe≤11.0wt％、Cu≤0.5wt％、Nb+Ta 0.5～4.0wt％、Ni≥69wt％以及余量的杂质；所述焊接熔敷金属在常温下的抗拉强度Rm≥550Mpa、屈服强度Rp_0.2≥410Mpa、延伸率A≥30％。

接下来对上述用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条的生产方法进行具体描述。

根据本发明的示例性实施例，其生产方法具体为：将药皮的各组分粉料按配比混合均匀，再加入重量为药皮重量的20～28％的粘结剂并继续混合均匀，随后送入压条机将所得药皮裹覆在镍铬铁合金焊芯上，最后经低温烘焙和高温烘焙制得所述用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条。

其中，粘结剂优选为波美浓度为41°～43°的钾钠水玻璃；低温烘焙的温度为80～100℃，高温烘焙的温度为330～380℃。

应理解，本发明详述的上述实施方式及以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

下面结合具体实施例对本发明用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条及其生产方法作进一步说明。

实施例1：

取镍铬铁合金焊芯100kg且其成分(wt％)包括：C 0.020％、S 0.0018％、P 0.005％、Si 0.07％、Mn 3.15％、Cr 16.49％、Fe 2.58％、Cu 0.0046％、Ti 0.54％、Co 0.017％、Nb 1.66％以及余量的Ni和不可避免的杂质。

取药皮25.7公斤且药皮中各组分的重量配比如下：含TiO₂ 94.6wt％的金红石粉6kg；含F55wt％的冰晶石粉4.5kg；含CaCO₃ 98.50wt％的大理石粉7kg；含FeO+Fe₂O₃48.6wt％、TiO₂ 46.78wt％的钛铁矿粉1.5kg；含BaCO₃ 99.3wt％的碳酸钡1.8kg；含Na₂O 12.67wt％的海藻酸钠0.2kg；含Na₂CO₃ 99.1wt％的纯碱0.2kg；含Mn 99.94wt％的电解锰2kg；含Nb 55.48wt％的铌铁粉2.5kg。

将药皮的上述粉料按照配比混合均匀后，加入波美浓度为41°～43°的钾钠水玻璃6.3kg混合均匀，然后送入压条机内将其包裹在于镍铬铁合金焊芯上，再经100℃的低温烘焙3小时、360℃的高温烘焙1小时，即得1#镍铬铁合金钢镍基焊条。

将所得的1#镍铬铁合金钢镍基焊条进行焊接实验，电弧稳定、飞溅小，脱渣性良好，全位置焊接性能优良，焊缝成型美观，焊道高度适中；其熔敷金属成分(wt％)包括：C 0.049％、Mn 2.85％、Si 0.39％、S 0.009％、P 0.0053％、Cr 15.97％、Fe 8.28％、Cu 0.022％、Nb+Ta 2.12％、Ni 69.91％以及余量的杂质；熔敷金属在常温下的力学性能：Rm为648Mpa、Rp_0.2为416Mpa、A为40.5％；X射线检测合格。

实施例2：

本实施例除药皮中各组分的重量不同外，其余均与实施例1相同。

本实施例中，取药皮26.6公斤且药皮中各组分的重量配比如下：含TiO₂ 94.6wt％的金红石粉9.5kg；含F 55wt％的冰晶石粉7.5kg；含CaCO₃ 98.50wt％的大理石粉5kg；含FeO+Fe₂O₃ 48.6wt％、TiO₂ 46.78wt％的钛铁矿粉1kg；含BaCO₃ 99.3wt％的碳酸钡0.8kg；含Na₂O 12.67wt％的海藻酸钠0.2kg；含Na₂CO₃ 99.1wt％的纯碱0.1kg；含Mn 99.94wt％的电解锰1kg；含Nb 55.48wt％的铌铁粉1.5kg。并且最终制得2#镍铬铁合金钢镍基焊条。

将所得的2#镍铬铁合金钢镍基焊条进行焊接实验，其熔敷金属成分(wt％)包括：C 0.044％、Mn 3.0％、Si 0.42％、S 0.0084％、P 0.0044％、Cr 15.91％、Fe 8.16％、Cu 0.023％、Nb+Ta 1.99％、Ni 69.97％以及余量的杂质；熔敷金属在常温下的力学性能：Rm为658Mpa、Rp_0.2为435Mpa、A为40.5％；X射线检测合格。

实施例3：

本实施例除药皮中各成分重量不同外，其余与实施例1均相同。

本实施例中，取药皮26公斤且药皮中各组分的重量配比如下：含TiO₂94.6wt％的金红石粉5.5kg；含F 55wt％的冰晶石粉4kg；含CaCO₃ 98.50wt％的大理石粉9kg；含FeO+Fe₂O₃ 48.6wt％、TiO₂ 46.78wt％的钛铁矿粉0.5kg；含BaCO₃ 99.3wt％的碳酸钡2kg；含Na₂O 12.67wt％的海藻酸钠0.3kg；含Na₂CO₃ 99.1wt％的纯碱0.2kg；含Mn 99.94wt％的电解锰2kg；含Nb 55.48wt％的铌铁粉2.5kg。并且最终制得3#镍铬铁合金钢镍基焊条。

将所得的3#镍铬铁合金钢镍基焊条进行焊接实验，其熔敷金属成分(wt％)包括：C 0.048％、Mn 3.05％、Si 0.32％、S 0.0099％、P 0.0046％、Cr 15.99％、Fe 6.4％、Cu 0.021％、Nb+Ta 2.07％、Ni 70.67％以及余量的杂质；熔敷金属在常温下的力学性能：Rm为647Mpa、Rp_0.2为418Mpa、A为43％；X射线检测合格。

综上所述，本发明用于军工风动系统的镍铬铁合金钢镍基焊条的焊接熔敷金属力学性能优良，满足军工风动系统设备制造要求，其中，熔敷金属成分中Ni≥69wt％；室温Rm≥550Mpa、Rp_0.2≥410Mpa、A≥30.0％。此外，该镍铬铁合金钢镍基焊条特别适用于焊接耐热、耐高温腐蚀、高温持久强度要求较高的军工风动系统设备以及航天、石油化工、食品加工设备等领域使用的Inconel 600对接及其与不锈钢类异种材料的焊接。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。