一种提高钢的焊接性能的脱氧合金包芯线及其制造方法与流程

本发明属于大线能量焊接用钢冶金
技术领域：
，具体涉及一种用于提高钢的焊接性能的脱氧合金包芯线及其制造方法。
背景技术：
：常规的焊接是钢铁材料的组合成结构的一种加工主要方式，但需要人工劳动量大、生产效率低、作业规范严格。大线能量焊接具有适合于自动化、提高制造效率、减少人力劳动量等优点，但是需要钢板材料在大线能焊接条件下焊缝熔合线和热影响区强韧性满足设计质量要求，传统工艺生产的钢板无法达到这种水平，现在人们多数希望以氧化物冶金的方式获得这种钢板，即使钢中拥有一定量的细小弥散分布的高熔点氧化物粒子，使之在不降低钢板本身强韧性的前提下，抑制焊接过程过热区组织不过度长大、同时作为相变诱发形核质点诱发降温相变后的组织细化。控制特定氧位下，以ti处理获得ti的氧化物，以mg处理抑制液态下ti的氧化物不聚集浮出是现在材料设计者的努力方向。实际操作中，多是以包芯线向钢中分步喂入不同的脱氧合金。其中为形成期望的ti和mg等的氧化物粒子，也采用复合的ti-mg-re、ti-mg-ca等包芯线。现有技术中，存在如下的问题：一是线中合金与浅层钢水反应剧烈，钢中的成份难以稳定达到期望的目标值，致使钢不具备质量可靠性；二是合金线过于活泼、难以达到使成分均匀分布的最佳深度、而过早的反应也致使钢中的成分比例难以控制；三是现有的脱氧合金成分对焊接性能的提高没有明显效果。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种用于提高钢的焊接性能的脱氧合金包芯线及其制造方法，以解决现有技术中的问题。本发明是通过如下技术方案实现的：一种提高钢的焊接性能的脱氧合金包芯线，其特征在于：包括设置在外部的保护层和内部的合金芯层，所述保护层包括两层铁皮层和夹设在铁皮层内的cao隔热层；所述芯层包括设置在内部的ni-mg合金粉层和其外部的ti-fe粉层；其中芯层中各成分的质量比为ni：ti：mg=10：（3~20）：（1~3）。进一步的：其中芯层的各成分的质量比为ni：ti：mg=10：（7~8）：（2~3）。本发明还公开了上述包芯线的制造方法：包括如下步骤：s1，选取厚度为0.8~0.9mm的铁板作为外层铁皮层，在其上均匀撒布cao粉，在cao粉上敷上一层厚度为0.5~0.6mm的铁板作为内层铁皮层，以压辊将三层压实，控制cao粉层厚度0.2~0.3mm；s2，以此复层材料保护层作为包皮，依次均匀撒布feti70合金粉、nimg20合金粉；s3，将其卷成包芯线，通过拉拔压实，卷绕成线卷，控制包芯线的直径为11~12mm；s4，采用防潮包装密封。进一步的：卷绕过程落下的粉末通过磁选法分离回用。本发明的优点是：本发明通过在金属包带中加入氧化钙粉末作为绝热层，有效延缓了钢液的温度向包芯线芯部传导，在表层金属层融化前，线的前端已经打入到了钢液液面下2m以上，此时线内芯金属才开始与钢液反应，从而使生成的氧化物无论成分还是粒度都能达到期望的稳定目标。本发明所提供的包芯线，其末端分解速度延迟，所以包芯线中的氧化物形成元素的成分基本可以全部进入钢水中，因此其配比能够控制，可以更精确满足氧化物冶金要求。附图说明图1为本发明的整体结构示意图；图2为钢种1中主要夹杂物的电镜能谱图及夹杂物分布表；图3为钢种2中主要夹杂物的电镜能谱图及夹杂物分布表；图4为钢种1和钢种2中氧化物分布粒子密度比柱状图。图中序号说明：1为保护层，2为合金芯层，11为铁皮层，12为cao隔热层，21为ni-mg合金粉层，22为ti-fe粉层。具体实施方式本发明公开了一种提高钢的焊接性能的脱氧合金包芯线，包括设置在外部的保护层1和合金芯层2，所述保护层1包括两层铁皮层11和夹设在铁皮层内的cao隔热层12；所述芯层2包括设置在内部的ni-mg合金粉层21和其外部的ti-fe粉层22；其中芯层的各成分的质量比为ni：ti：mg=10：（3~20）：（1~3）；优选的质量比为ni：ti：mg=10：（7~8）：（2~3）。本发明还公开了上述包芯线的制造方法，包括如下步骤：s1，选取厚度为0.8~0.9mm的铁皮作为外层，在其上均匀撒布钝化cao粉，在cao粉上敷上一层厚度为0.5~0.6mm的铁皮，夹紧力控制≥200n，控制cao粉层厚度0.2~0.3mm；s2，以此复层材料保护层作为包皮，依次均匀撒布feti70合金粉、nimg20合金粉；s3，将其卷成包芯线，通过拉拔压实，卷绕成线卷，控制包芯线的直径为11~12mm；s4，线卷外包装采用双层塑料布防潮包装密封。优选的：在卷绕过程落下的粉末通过磁选法分离回用。本发明所述的包芯线，能够稳定喂入到钢液中期望的深度以下，获得期望的氧化物成分比例，保障大线能焊接用钢的稳定可靠生产。根据冶金热力学及熟化理论对氧化物夹杂的分析，镁的氧化物与钛的氧化物相比，镁的氧化物具有比钛的氧化物更高的形核率，并且随着氧化物形成时间的延长镁的氧化物基本不随着时间的延长而迅速长大。低氧势钢水经过钛脱氧后添加镁的复合脱氧方式，有利于获得大量细微脱氧夹杂，一方面钛的氧化物与钢液有较小的界面能，有较高的均相形核率，使初始脱氧夹杂尺寸分布范围较窄，抑制了熟化长大。另一方面，镁作为一种强脱氧剂，使钢中的溶解氧极低，进而使脱氧夹杂长大速率减小，可以获得更多量细微脱氧mg-ti-o夹杂。虽然镁的氧化物细小，但由于镁的自身特点：低熔点650℃、低沸点1080℃、高蒸气压，1600℃时大于2mpa、低密度1.74g/cm3造成钢水中加入镁十分困难，为使其顺利的溶解在钢中，要求靠外力喂线机加入钢水中。即便如此，由于钢水温度高达1540℃以上，喂入钢中的线由于导热性好，内部的氧化镁被迅速汽化，产生的压力导致包芯线过早破裂，使线端难以进入钢液深层，从而导致脱氧反应在钢液表面进行，而使钢液中的有益氧化物不能有效形成。本发明通过在金属包带中加入氧化钙粉末作为绝热层，有效延缓了钢液的温度向包芯线芯部传导，在表层金属层融化前，线的前端已经打入到了钢液液面下2m以上，此时线内芯金属才开始与钢液反应，从而使生成的氧化物无论成分还是粒度都能达到期望的稳定目标。本发明所提供的包芯线，其末端分解速度延迟，所以包芯线中的氧化物形成元素的成分基本可以全部进入钢水中，因此其配比能够控制，可以更精确满足氧化物冶金要求。本发明中选择钝化cao粉作为绝热层，其绝热性较好，且在钢液中容易上浮，不易成为钢中的新的夹杂，且不易和mg、ti反应而使期望的细小氧化物减少；此外，本发明中将钝化cao粉置于夹层中，可以使最终的绝热层均匀包裹芯部金属；本发明中外层铁皮厚度为0.8~0.9mm，既防止因为过薄，表层金属过早熔化，导致绝热层被破坏，向钢中喂线时先端达不到期望的深度；又避免过厚时铁皮占线的比例过高，使钢厂生产时的效率和成本都不好；本发明所述包芯线的合金配比，可以使钢中获得合适比例的tio和mgo粒子，并使之达到最理想的尺度，充分利于成品钢板的焊接性；本发明中选择nimg20作为合金粉，该合金粉由于mg与ni已经形成了合金，汽化点大幅提高，减缓了mg在钢中的反应程度，有利于作业安全；选择feti70作为另一合金粉，其中ti含量高，线中的有效成分ti高，金属粉芯占比较小的情况下，同等线重量下冶炼效率高；而同时还兼顾了成本因素。本发明所述方法中，在卷线时的布料顺序依次为feti70合金粉、nimg20合金粉，可以进一步将容易产生汽化反应的nimg20包裹在线的中心，防止其中mg过早汽化及与钢中氧反应于钢液也表面，而影响冶金效果。下面通过具体的对比实施例对本发明的效果作进一步说明：首先，选取如本发明所述的包芯线，其中，各成分的质量比为：ti：ni：mg：cao=35.3：47：11.7：3.1，上述包芯线直径φ12mm，单位长度粉重≥342g，铁皮重≤358g。选取两钢种，钢种1作为空白样，按现有技术进行加工使用常规ni-mg包芯线，钢种2中加入本发明所述包芯线，分别进行配比、炼制、脱氧等步骤。具体如下：钢种1：化学成分（wt%）：c：0.047%，si：0.22%，mn：1.53%，p：0.007%，s：0.001%，alt：0.032%，nb：0.042%，ti：0.014%，cr：0.22%，mo：0.16%，ni：0.23%，cu：0.23%，pcm：0.21%，cev：0.42%。炼钢生产工艺包括：转炉双渣冶炼、lf精炼、rh真空处理、连铸。钢种1采用常规的simn合金和al脱氧。成本钢的电镜照片如图2所示，夹杂物中各成分的质量比为：c:o:mg:al:si:s:ca:fe=5.4:38.68:1.67:20.89:0.87:1.06:25.37:6.06。钢种2：化学成分（wt%），c：0.043%，si：0.18%，mn：1.56%，p：0.008%，s：0.001%，alt：0.011%，nb：0.039%，ti：0.014%，cr：0.21%，mo：0.17%，ni：0.22%，cu：0.21%，pcm：0.21%，cev：0.42%。炼钢生产工艺包括：转炉双渣冶炼、lf精炼、喂本发明的脱氧合金线，rh真空处理、连铸。钢种2在simn复合脱氧后的低氧势钢水条件下，以1.2m/s~2.0m/s的喂线速度喂入钢水中，喂线钢水经rh处理后进行连铸保护浇注。成本钢的电镜照片如图3所示，夹杂物中各成分的质量比为：c:o:mg:al:s:ca:ti:mn:fe=2.87:38.12:6.57:16.08:3:7.17:8.29:3.36:14.55。两钢种中，为了工艺需要，部分成分含量有细微差异，但不影响性能对比的可信性。通过检测可知，钢种2中的夹杂物组成为：中心部位al2o3-mgo，其外层包覆mns-cas及tiox，这种氧化物夹杂的形成，有益于提高钢的焊接接头冲击韧性。同时，对两钢种中单位体积内不同尺度氧化物夹杂的数量进行统计，钢种2和钢种1单位体积内不同尺度氧化物夹杂的数量之比示意如附图4。统计粒径范围200nm~10μm的氧化物夹杂数量，钢种2粒径3μm以下夹杂物的分布密度是钢种1的3倍以上，而3μm以上粒径夹杂物的分布密度则相近。通过焊接后的不同温度的冲击韧性对比，如下表所示，在0℃时，钢种1和钢种2冲击韧性基本无差别，随着冲击温度的降低，钢种1的冲击韧性下降明显，而钢种2虽略有降低，但降幅大大降低。说明钢种2的焊接性能大大提高。焊接性能对比(采用气电立焊，输入能量200kj/cm)此外，还针对本发明包芯线以不同喂线速度加入钢液中所产生的影响进行了对比。具体如下表所示：钢种2中mg及ti的吸收率与喂线速度的关系表顺序号喂线速度喂线量成品mg(ppm)吸收率(％)成品ti(％)11.22508.710.350.016421.525010.812.860.017231.825015.218.140.017542.025012.314.670.0172通过上表可知，由于受钢水浮力和包芯线在钢中熔化速度的影响，在不同喂线温度下，包芯线中mg的吸收率相差较大，最佳喂线速度为1.8-2.0m/s。当前第1页12