本发明属于焊接材料
技术领域：
，特别是涉及一种马氏体耐热钢焊接用焊条。焊条配套用于马氏体耐热钢G115焊接，焊接时电弧稳定，飞溅少，全位置操作性好，脱渣性好，焊缝成形美观且焊后熔敷金属具有与母材相近的高强度、高韧性，较高的持久强度，优良的抗裂纹敏感性。
背景技术：
：提高火电机组蒸汽温度参数是提高机组热效率和实现节煤减排的最重要措施。目前，我国几家大型电力单位正积极筹建世界首台630℃超超临界燃煤示范电站；受国家能源局委托，电力规划总院已于多次组织召开650℃超超临界燃煤发电技术可行性研讨会。耐热材料是制约火电机组向更高参数发展的主要“瓶颈”问题。研究及实践已表明，P92型马氏体耐热钢可用于620℃蒸汽温度以下部分大口径锅炉管制造。专利ZL201210574445.1“650℃蒸汽温度超超临界火电机组用钢及制备方法”，是我国自主研制的可用于650℃蒸汽参数超超临界火电机组的新型马氏体耐热钢，即耐热钢G115，其室温拉伸性能、冲击性能、高温力学性能和持久性能均远远高于GB5310和ASME标准中的P92钢；同时，其也高于专利CN101680065B“铁素体类耐热钢”(即SAVE12AD)相同条件下的持久强度值约20～30％。我国自主研制的新型马氏体耐热钢G115可用于620℃-650℃蒸汽温度大口径锅炉管制造，因此新型马氏体耐热钢G115成为未来我国630℃和650℃超超临界燃煤示范电站主蒸汽管道的首选材料，在国家推动创新驱动发展的今天，具有重要的现实意义。在电站建设和锅炉安装过程中，管道与管道之间的连接是通过焊接实现的，因此，焊接的工艺性能及焊后熔敷金属的力学性能至关重要。焊接工艺性能差，导致焊接难度增加，电站建设周期延长，而且也影响焊缝金属力学性能；焊缝金属力学性能若与母材不匹配，极易导致服役过程管道焊缝金属早期失效断裂。据文献(SuppressionofGrainRefinementinHeat-affectedZoneof9Cr-3W-3Co-VNbSteels,MaterialsScience&EngineeringA,2016(655):168-174.)报道，9Cr-3W-3Co系耐热钢焊后易出现第四类型断裂(TypeIVfracture)，导致熔敷金属持久寿命降低。专利CN103071946B“超临界铁素体耐热钢配套焊条及其生产方法”，焊芯为碳钢丝，其化学成分质量百分比为C≤0.10％；Mn0.30～0.55％；Si≤0.08％；S≤0.005％；P≤0.006％；Cr≤0.10％；Ni≤0.30％；Al≤0.030％；Cu≤0.20％；As≤0.007％；余量为Fe；用于焊接超临界汽轮机ZG1Cr10MoVNbN及T91/P91管道用耐热钢。专利CN103008917B“一种超超临界新型铁素体耐热钢焊条及其制备方法”，焊芯为H08Cr9WMo专用焊芯，其化学成分质量百分比为C≤0.05％；Mn0.30～0.60％；Si≤0.15％；S≤0.006％；P≤0.006％；Cr8.50～10.0％；Ni≤0.20％；Mo0.50～0.70％；W1.40～1.90％；Nb≤0.07％；N≤0.07％；Al≤0.025％；Cu≤0.10％；As≤0.006％；余量为Fe；用于焊接超超临界耐热钢T/P92。专利CN103737199B“一种超超临界耐热钢焊条及其生产方法”，焊芯为H08A焊芯，其化学成分质量百分比为C≤0.05％；Mn0.30～0.60％；Si≤0.15％；S≤0.006％；P≤0.006％；Cr≤0.20％；Ni≤0.20％；Mo≤0.20％；Nb≤0.07％；N≤0.07％；Al≤0.025％；Cu≤0.10％；As≤0.006％；余量为Fe；用于焊接超超临界耐热钢CB2/FB2。现有市场上还没有新型马氏体耐热钢G115专用耐热钢配套焊条，无论采用P92配套焊条还是镍基合金(如617镍基合金和82合金)焊条，都存在无法克服的问题。一方面熔敷金属室温、高温力学性能较差，强度与韧性不匹配，持久性能更不能满足要求；另一方面，两种焊条施焊时都存在不同程度的电弧稳定性差，电弧吹力小，焊接飞溅大，焊道窄，焊缝成形较差、脱渣性不佳等缺点。随着我国630℃超超临界燃煤示范电站建设工期临近，新型马氏体耐热钢G115是该示范机组主蒸汽管道的首选材料，研制与新型马氏体耐热钢G115匹配的、低成本的新型焊条对于G115的工业推广应用，具有重要的现实意义。因此，发明一种新型马氏体耐热钢G115专用焊条迫在眉捷。技术实现要素：本发明目的在于提供一种马氏体耐热钢焊接用焊条，针对新型马氏体耐热钢G115的成分、综合性能，以及工程上焊接的实用性等特点，研究开发一种新型马氏体耐热钢G115焊接用专用配套焊条，以达到在对G115钢进行焊接、其焊接熔敷金属不但具有与母材相近的化学成分，而且具有与母材相匹配的优异强度-韧性匹配、高的持久强度和优良的抗裂纹性能，熔敷金属650℃/105小时持久强度外推值高于105MPa；用于对G115钢焊接可充分发挥母材的优良性能，焊接时电弧稳定，飞溅少，全位置操作性好，脱渣性好，焊缝成形美观，克服现有技术所存在的不足。本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的焊条包括焊芯，以及裹覆于焊芯表面的药皮，关键在于以重量百分比计，焊芯成分重量百分数为：C0.07～0.10％；Si≤0.3％；Mn0.3～0.7％；P≤0.004％；S≤0.002％；Cr8.5～9.5％；W2.8～3.3％；Co2.8～3.5％；Nb0.04～0.08％；V0.15～0.25％；Cu0.8～1.0％；N0.007～0.011％；B0.011～0.020％；余量为Fe；以上焊芯中各成分的总量为100％；药皮成分重量百分数为：大理石30％～45％；萤石18％～25％；金红石5％～10％；碳酸钡10％～16％；钛铁5％～10％；电解锰1.5％～3％；铁粉5％～10％；纯碱0.4％～0.8％；羧甲基纤维素0.4％～0.8％；金属铬粉0.8％～3％；将上述成份的粉料按比例混合均匀后，加入总混合料成分重16％～25％的粘结剂搅拌混合均匀；然后送入压条机内按常规方法将其裹覆于焊芯上，再经低温及高温烘焙，即成；药皮重量系数K为30～50％。上述大理石中CaCO3含量≥96％，萤石中CaF2含量≥96％，金红石TiO2≥96％，碳酸钡中BaCO3≥98％；钛铁中Ti含25～35％；纯碱中Na2CO3≥99％；电解锰中Mn≥99.5％，金属铬粉中Cr≥98％；以上各成分均以重量百分比计。所述加入总成份重16％～25％的粘结剂为钾钠水玻璃，其模数2.8～3.0，浓度为41°～43°。所述的低温烘焙温度为80℃～120℃；高温烘焙温度为380℃～450℃。本发明原理如下所述：焊接考虑的两方面：一方面是熔敷金属(焊缝)特性；另一方面是焊接过程工艺性。焊条包括焊芯及裹敷其上的药皮。焊芯有两个作用：一是传导电流，产生焊接电弧；二是焊芯本身熔化形成焊缝中的填充金属。由于焊芯在电弧高温作用下端部熔化，形成熔滴过渡至熔池中，焊芯的化学成分和性能直接影响焊缝的性能与质量。焊芯主要考虑因素：熔敷金属成分和力学性能与母材匹配，并具有良好的冲击韧性、高温强度性能及优良的抗裂纹敏感性，更重要的是650℃/105小时持久强度外推值高于105MPa。因此，在设计焊芯成分时，考虑焊接过程烧损，焊芯成分考虑如下：C：焊芯中C含量越高，焊缝出现气孔和裂纹的倾向越大。同时在液态金属中由于碳氧化形成的大量CO，还会增大飞溅，或在焊缝中形成气孔。因此，本发明焊条焊芯中C含量控制0.07～0.10％。Cr：其作用主要有三个方面：一是起溶于基体，起固溶强化作用；二是易形成Cr2O3氧化膜，提高抗高温氧化和腐蚀性能；三是形成M23C6型碳化物，起析出强化作用。虽然提高Cr含量有利于高温抗腐蚀性能，但Cr含量过高会降低持久强度，因此本发明焊条焊芯中Cr含量控制8.5～9.5％。W：是典型的固溶强化元素，由于W的原子半径比Mo的原子半径大，W元素固溶引起的晶格畸变比Mo元素大，所以W元素的固溶强化效果比Mo元素明显。试验研究表明：在其它条件不变的情况下，随着W含量的升高，9％Cr钢在W含量为3％左右时，10000小时持久强度具有最大峰值；当W含量超高时，会导致δ铁素体的产生，对钢的综合性能非常不利。所以本发明焊条焊芯中W含量范围控制在2.8～3.3％。Co：对于钢中含有较高的Cr-W固溶强化元素和Nb-V沉淀强化等铁素体形成元素，为抑制钢中δ铁素体的形成，在钢中加入奥氏体形成元素Co将在显著抑制δ铁素体形成的同时，对钢的其它性能基本没有不利影响。研究发现，在650℃条件下钢中加入3％左右的Co元素对钢的持久强度具有最有利的影响。因此本发明焊条焊芯中的Co含量控制在2.8～3.5％。N和B：N的作用主要有两个方面：一是起固溶强化作用，但常温下氮在钢中的溶解度很小；二是N可以与V，Nb形成细小弥散第二相颗粒，显著提高材料的高温持久强度；但会降低其塑性和韧性。B在熔池金属凝固过程中与N易结合为BN，降低固溶N的含量，B还可细化晶粒，固溶B能抑制奥氏体晶间的先共析铁素体的析出，提高抗裂性，减小氢脆。但是含有较高含量的B元素时，若N含量过高，可能会与形成粗大的BN颗粒，在本身严重弱化钢的强韧性的同时，还将消耗用于晶界强化的B元素，从而严重损害钢的高温持久强度。研究表明，N含量与B含量之间存在一个配比区间，在该配比区间内既可以避免粗大的BN形成，同时还可以大幅度提升耐热钢在650℃温度下的长时持久强度。因此，本发明焊条焊芯中N含量控制在0.007～0.011％；而B含量控制在0.011～0.020％；且B/N比控制在1～2之间。Nb和V：两者皆是强碳化物形成元素，能形成稳定的碳化物NbC，这种碳化物极为稳定，能够提高钢的蠕变极限和持久强度，特别是Nb和V复合添加时效果更明显。另外，Nb能提高钢的耐热性是由于形成稳定的碳化物NbC和Laves(NbFe2)相，弥散强化效果较好。但是随着Nb含量的增加会导致延伸率的降低，这是由于NbFe2的体积比增加而造成，过高的Nb含量显著降低焊缝金属的韧性。V形成的碳化物即使在较高的工作温度下，也比较难于聚集，明显降低蠕变速度，提高钢的耐热性。复合加入易形成细小、弥散稳定的MX碳化物而产生沉淀强化，以0.2％V-0.05％Nb组合效果最佳，对蠕变断裂强度影响很大，且对焊接性能(抗热裂纹)和韧性有利影响。因此，它们的含量必须严格控制。本发明焊条焊芯中Nb控制在0.04～0.08％；V含量控制在0.15～0.25％；。Cu：固溶在基体中可以阻碍位错移动从而降低蠕变速率，也可以在耐热钢中形成弥散分布的纳米富铜相，钉扎位错，提高耐热钢的热强性。当Cu含量低于0.5％时，Cu元素基本固溶在基体中，析出的纳米级尺寸的富铜相数量少，强化效果弱。当Cu含量高于3％时，会严重降低钢的高温塑性。因此本发明焊条焊芯中控制Cu含量的范围为0.8～1.0％。焊芯中S、P等有害元素对持久强度影响较大，因此也尽可能的最低，分别控制S≤0.002％；P≤0.004％。焊条药皮的作用是在焊接过程中形成具有合适的熔点、黏度、密度、碱度等物理化学性能的熔渣，保证电弧稳定燃烧、使熔敷金属容易过渡，在电弧区和熔池周围造成一种气氛、保护焊接区域、获得良好的焊缝成形与性能等。此外，还可向药皮中加入脱氧剂、合金元素或一定含量的铁粉，满足焊缝金属使用性能或提高熔敷效率。焊条药皮主要考虑稳弧、造渣、脱氧、造气、合金化、粘接和成形共七个方面，涉及焊接电弧稳定性、焊缝成形、焊接位置适应性、焊接飞溅及敷效率、脱渣性等。大理石：主要成分为CaCO3，在电弧热的作用下分解成CaO和CO2气体，CaO是碱性氧化物，能提高熔渣的硬度，稳定电弧、细化熔滴，增加熔渣表面张力和熔渣-金属之间表面张力，具有脱S、脱P作用，提高熔敷金属的抗裂纹能力，对液态金属起到渣作用的作用；CO2气体能降低电弧气氛中的氢分压，减小焊缝氢含量，对焊接区起气保护作用。但是CaCO3过多时，不但粗化熔滴，而且分解CO2气体的过程急剧便会产生爆炸飞溅，所以本发明焊条药皮中大理石控制在30％～45％。萤石：主要成分为CaF2，属于碱性氟化物，一定量的萤石可以降低液态金属的表面张力，提高熔渣的流动性，降低焊缝气孔，改善熔渣的物理性能，对焊缝成形，脱渣等起关键作用，也是降低焊缝中氢含量的主要材料；但焊接过程中萤石分解，会产生有害气体－氟化氢，造成电弧不稳定，因此需严格控制其含量，并保持大理石/氟化物＝1.7～2.2，因此，本发明焊条药皮中萤石控制含量在18％～25％。金红石：主要成分是TiO2，属于酸性氧化物，主要作用是稳弧、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，对焊缝成形、电弧稳定性起关键作用；但会使药皮熔点偏高，配方不当时也易形成较大套筒，对再引弧不利。本发明焊条药皮中金红石含量控制在5％～10％。碳酸钡：能够调整熔渣物理性能，可使熔渣呈松脆的多孔状，改善脱渣性的作用。本发明焊条药皮中碳酸钡含量控制在10％～16％。钛铁：主要起脱氧剂的作用，与电解锰一起加入时，脱氧效果更佳。本发明焊条药皮中钛铁含量控制在5％～10％；电解锰：可起到脱硫、脱氧的作用，还可以向焊缝过渡(渗入)Mn元素、提高焊缝强度。本发明焊条药皮中电解锰含量控制在1.5％～3％。纯碱：改善焊条的压涂性能，同时具有稳弧作用，但是加入量过多，则导致药皮容易吸潮。本发明焊条药皮中纯碱0.4％～0.8％。铁粉：起到净化熔池的作用，同时又能细化晶粒，提高熔敷效率，提高焊缝冲击韧性，但不宜过多，因为过量的加入铁粉会使其它的元素稀释。本发明焊条药皮中加入铁粉量控制在5％～10％。羧甲基纤维素：起黏结作用，改善压涂性能。本发明焊条药皮中羧甲基纤维素含量控制在0.4％～0.8％。粘结剂为钾钠水玻璃。水玻璃俗称泡花碱，学名碱金属硅酸盐，反映水玻璃特性的有模数，浓度和黏度。由于水玻璃中含有钾、钠等低电离电位元素，除起粘结作用外，还可以起到稳弧作用，而且粘接剂在焊接过程中也参与冶金反应，本发明焊条药皮中钾钠水玻璃选择高模数(2.8～3.0)，浓度41°～43°。本发明具有的优点和有益效果：本发明马氏体耐热钢焊接用焊条通过上述焊芯成分与药皮各组份合理匹配，从而实现本发明的目的。对新型马氏体耐热钢G115进行焊接，焊接熔敷金属淬火后获得全马氏体组织，经淬火-回火处理，显微组织为W固溶强化的回火索氏体，基体含有回火析出的M23C6类碳化物，以及细小的MX相；焊接熔敷金属成分不但具有与母材相近的化学成分，而且具有与母材相匹配的优异力学性能和高持久强度、优良的冲击韧性和优良的抗裂纹性能；焊接接头室温冲击功≥45J：室温下抗拉强度740～800MPa，屈服强度580～660MPa，伸长率≥20％；熔敷金属650℃/105小时持久强度外推值高于105MPa；且焊接时电弧稳定，飞溅少，全位置操作性好，脱渣性好，焊缝成形美观。具体实施方式下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。实施例1本实施例焊芯成分的质量百分比见下表：元素CSiMnPSCrWCoNbVCuNBFewt.％0.0830.10.40.0040.0029.33.03.20.060.210.850.0080.014余其中B/N＝1.75。药皮中各组分的重量百分比见下表：原材料名称重量百分比原材料名称重量百分比大理石40电解锰2萤石22铁粉8金纤石8纯碱0.6碳酸钡12羧甲基纤维素0.6钛铁6金属铬粉0.8其中大理石/萤石＝1.82；将上述配比混配成焊条外皮药料，配加粉原料总重量22％的粘结剂为钾钠水玻璃(钾钠比2∶1)，其浓度为42°，搅拌均匀，送入条压机内按常规方法将其裹覆于焊芯上，再经低温85℃烘焙2.5小时，高温400℃烘焙1小时，即成。药皮重量系数K为45％。制成为直径2.5mm、3.2mm、4.0mm等各型规格的电焊条。按照上述工艺生产的焊条表面光滑、成品率高，偏心稳定。所得焊条进行焊接试验，焊接时电弧稳定，飞溅少，脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成形美观，焊道高度适中，焊缝滑润性适中。根据上述配比制备的焊条其熔敷金属力学性能如下：室温冲击功75J；室温下抗拉强度760MPa，屈服强度600MPa，伸长率22％。实施例2本实施例焊芯成分的质量百分比见下表：元素CSiMnPSCrWCoNbVCuNBFewt.％0.070.10.40.0040.0028.62.93.10.050.230.800.0090.015余其中B/N＝1.67。药皮中各组分的重量百分比见下表：原材料名称重量百分比原材料名称重量百分比大理石35电解锰2.5萤石20铁粉10金纤石10纯碱0.8碳酸钡13羧甲基纤维素0.5钛铁7金属铬粉1.2其中大理石/萤石＝1.75；将上述配比混配成焊条外皮药料，配加粉原料总重量25％的粘结剂为钾钠水玻璃(钾钠比2∶1)，其浓度为42°，搅拌均匀，送入条压机内按常规方法将其裹覆于焊芯上，再经低温85℃烘焙2.5小时，高温390℃烘焙1小时，即成。药皮重量系数K为43％。制成为直径2.5mm、3.2mm、4.0mm等各型规格的电焊条。按照上述工艺生产的焊条表面光滑、成品率高，偏心稳定。所得焊条进行焊接试验，焊接时电弧稳定，飞溅少，脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成形美观，焊道高度适中，焊缝滑润性适中。根据上述配比制备的焊条其熔敷金属力学性能如下：室温冲击功85J；室温下抗拉强度750MPa，屈服强度590MPa，伸长率25％。实施例3本实施例焊芯成分的质量百分比见下表：元素CSiMnPSCrWCoNbVCuNBFewt.％0.090.10.50.0040.0019.53.13.30.070.240.850.0080.014余其中B/N＝1.75。药皮中各组分的重量百分比见下表：原材料名称重量百分比原材料名称重量百分比大理石45电解锰1萤石21铁粉6金红石5纯碱0.8碳酸钡10羧甲基纤维素0.8钛铁9金属铬粉1.4其中大理石/萤石＝2.14；将上述配比混配成焊条外皮药料，配加粉原料总重量16％的粘结剂为钾钠水玻璃(钾钠比2∶1)，其浓度为43°，搅拌均匀，送入条压机内按常规方法将其裹覆于焊芯上，再经低温90℃烘焙2小时，高温410℃烘焙1小时，即成。药皮重量系数K为44％。制成为直径2.5mm、3.2mm、4.0mm等各型规格的电焊条。按照上述工艺生产的焊条表面光滑、成品率高，偏心稳定。所得焊条进行焊接试验，焊接时电弧稳定，飞溅少，脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成形美观，焊道高度适中，焊缝滑润性适中。根据上述配比制备的焊条其熔敷金属力学性能如下：室温冲击功70J；室温下抗拉强度785MPa，屈服强度620MPa，伸长率21％。本发明采用上述方案，主成分为9Cr-3W-3Co系的新型马氏体耐热钢焊接用焊条，可交、直流两用，全位置焊接。焊缝(熔敷金属)成分不但与母材化学成分相近，而且具有与母材相匹配的优异力学性能和高持久强度、优良的冲击韧性和优良的抗裂纹性能；且焊接时电弧稳定，飞溅少，全位置操作性好，脱渣性好。为推动新型马氏体耐热钢G115工程化应用提供了一种理想的新型焊接材料。当前第1页1 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