CN112548397A - 一种汽化炉耐热钢氩弧焊丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，提供了一种汽化炉耐热钢氩弧焊丝，包括如下重量百分比的组分：C：0.07％‑0.12％；Mn：0.40％‑0.70％；Si：0.40％‑0.70％；Mo：0.40％‑0.65％；Cr：1.20％‑1.50％；0<S≤0.010％；0<P≤0.010％；0<Ni≤0.20％；0<Cu≤0.20％；0<Al≤0.050％；0<V≤0.050％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。本发明还提供了上述汽化炉耐热钢氩弧焊丝的制备方法。本发明制备的氩弧焊丝，拉拔顺畅，焊丝挺度适宜，表面质量优异，用于汽化炉耐热钢的焊接，具有高的耐热性能，特别在高温状态下具有更加优异的力学性能。能够满足我国汽化炉等高温高压条件下服役的设备的焊接，实现该领域的焊接材料国产化。

Description

一种汽化炉耐热钢氩弧焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及焊丝制备技术领域，具体涉及一种汽化炉耐热钢氩弧焊丝及其制备方法。

背景技术

近年来，随着现代科学技术的飞速发展，以及我国核电、火电技术的飞速发展，具有高强度、高韧性的耐热钢在锅炉及压力容器等领域的应用也越来越广泛。近年来，我国汽化炉等大型设备对于焊接材料的需求大幅增长，如汇能甲烷化设备、汽化炉等。这类设备需要在高温高压的条件下服役，因此，对焊接材料的要求极高，在极其苛刻的热处理条件下，需要达到较高的常温及高温性能。

为了配合汽化炉等大型设备，焊接材料行业十分有必要研制具有优良焊接工艺性能及力学性能的焊接材料产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽化炉耐热钢氩弧焊丝及其制备方法，该焊丝能够适用于焊接汽化炉耐热钢，且焊接得到的焊缝金属具有优异的耐热耐高温性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种汽化炉耐热钢氩弧焊丝，包括如下重量百分比的组分：

C：0.07％-0.12％；Mn：0.40％-0.70％；Si：0.40％-0.70％；Mo：0.40％-0.65％；Cr：1.20％-1.50％；0<S≤0.010％；0<P≤0.010％；0<Ni≤0.20％；0<Cu≤0.20％；0<Al≤0.050％；0<V≤0.050％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

其中优选配方为：

如下重量百分比的组分：C：0.09％；Mn：0.70％；Si：0.50％；Mo：0.60％；Cr：1.25％；S:0.008％；P:0.010％；Ni:0.15％；Cu:0.15％；Al:0.040％；V:0.035％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

如下重量百分比的组分：C：0.08％；Mn：0.50％；Si：0.65％；Mo：0.45％；Cr：1.45％；S:0.010％；P:0.008％；Ni:0.15％；Cu:0.05％；Al:0.040％；V:0.035％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

如下重量百分比的组分：C：0.10％；Mn：0.60％；Si：0.59％；Mo：0.42％；Cr：1.33％；S：0.006％；P：0.0081％；Ni：0.052％；Cu：0.086％；Al：0.006％；V：0.004％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

以及如下重量百分比的组分：C：0.10％；Mn：0.55％；Si：0.50％；Mo：0.50％；Cr：1.22％；S：0.006％；P：0.010％；Ni：0.10％；Cu：0.086％；Al：0.006％；V：0.02％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本发明设计了一种以Cr-Mo为主要合金体系，并配合多元素强化的氩弧焊丝，该氩弧焊丝主要用于焊接汽化炉耐热钢，具体的，在本发明的氩弧焊丝中：

铬元素作为主要合金元素加入，主要有以下作用：铬元素和碳形成弥散分布的碳化物，弥散分布的碳化物可有效提高焊缝强度；铬元素还有利于提高针状铁素体的含量，减少先共析铁素体，并有细化铁素体晶粒的作用，提高焊缝韧性；铬元素还有助于保持焊缝热处理后性能维持在较高的水平。本发明人研究发现，本发明中Cr的过高时，在焊接过程中，熔敷金属中的针状铁素体会快速减少，导致熔敷金属的粗晶区和细晶区出现显微组织均匀化，在不完全相变区形成铁素体/碳化物集合物，虽然焊缝硬度、屈服点、抗拉强度会有一定程度提高，但熔敷金属的韧性恶化较严重，影响熔敷金属的整体性能。因此，将本发明的焊丝中的铬元素含量控制在1.20％-1.50％，可使焊缝的强度、韧性有所提高，保证优异热处理性能，具有高的常温及高温拉伸性能，且焊丝的韧性和强度的均衡性最优。

钼作为另一主要合金元素加入，能够细化晶粒，有效提高焊缝金属强度及抗高温抗氧化性及抗蠕变性。Mo是中强碳化物形成元素，适当量的Mo可以缩小γ相区，以固溶于基体或碳化物形式存在，Mo强烈的抑制P转变，对先共析铁素体形成也有抑制作用。随着焊缝中Mo含量的增加，焊缝中先共析铁素体逐渐减少，针状铁素体逐渐增加，随后减少，粗晶区和细晶区普遍晶粒细化，不完全相变区形成铁素体和碳化物束团，焊缝的强度等均有所提高，匹配Mn、Cr元素含量，0.40％-0.65％的Mo对韧性最有利。1.20％-1.50％的铬和0.40％-0.65％的钼配合形成的Cr-Mo合金体系，在本申请其他元素的配合下，能够有效保证焊接的耐热性和塑韧性。

碳、锰、硅元素是作为其他强化合金元素加入，其作用在于，在焊接过程中起脱氧、强化焊缝组织结构以及保证熔敷金属的机械性能。特别是抗拉强度，随着焊丝中碳、锰含量的增加而升高，且锰的提高能够有效改善焊缝的气孔敏感性。本申请设计了较高比例的碳锰硅含量，且碳(0.07％-0.12％)、锰(0.40％-0.70％)、硅(0.40％-0.70％)的以一定的比例配合，能够保证焊接后材料在汽化炉所服役的条件下具有足够的强度，并能够有效的提高其冲击韧性。

硫、磷元素的含量严格控制在0<S≤0.010％、0<P≤0.010％，如果含量过高将影响熔敷金属的冲击韧性，并且容易产生裂纹。

镍元素作为微量元素加入，能强化铁素体并细化珠光体，镍元素能够一定程度上提高焊缝金属的强度，含量为0<Ni≤0.20％的镍与含量为1.20％-1.50％的铬协同作用，提高焊缝金属的强度。镍的加入，还能提高焊缝对疲劳的抵抗力，减少对缺口的敏感性，降低焊缝的低温脆性转变温度，提高焊缝金属对酸、碱、对大气及盐对的抗蚀能力。

钒作为微量元素加入，在焊接过程中具有脱氧、脱氮的作用，能够有效提高焊缝高温强度，限制加热时晶粒的长大，还能够有效提高焊缝的密度，促使晶粒细化，提高机械强度、极限屈服点和冲击韧性，但不降低焊缝的延展性，钒与氧结合后能够降低焊缝的时效敏感性，提高硬度，耐磨性、回火强度和热稳定性。而且能够提高焊缝的红硬性，使碳化物在焊缝中均匀分布。

焊丝中微量的铝有固化组织、稳定电弧和脱氧、固氮作用。

铜在钢中的突出作用是改善普通低合金钢抗大气腐蚀性，特别是和磷配合使用，加入铜还能提高钢的强度和屈服比。

本申请虽然是以Cr-Mo为主要合金体系，并配合多元素强化的氩弧焊丝，但是在焊丝设计过程中，设计了较低的铬、钼元素含量，并适量增加了强化金属碳硅锰的含量，同时配合适当比例的镍钒铜等元素。各元素之间相互配合，在保证焊丝达到所需要的高的塑性和韧性性能的前提下，使得其在690℃×18h以及680℃×3h等热处理条件下具有足够的强度(抗拉强度大于等于550MPa，屈服强度大于等于470MPa)。从而满足在汇能甲烷设备以及汽化炉设备(380℃、450℃、510℃高温服役环境)中的焊缝屈服强度达到328及以上，远超国内相关高温拉伸屈服强度的要求。

本申请还提供了上述汽化炉耐热钢氩弧焊丝的制备方法，包括如下步骤：(a)制备盘条，粗拉拔所述盘条；(b)将步骤(a)处理后的盘条退火处理，除去所述盘条表面的氧化层；(c)精拉拔步骤(b)处理后的所述盘条；(d)将步骤(c)精拉拔后的盘条进行表面镀铜，切丝，打码，得到最终产品。

进一步的，步骤(a)中，粗拉拔后的盘条的直径为4.1mm；

进一步的，步骤(b)中退火处理工艺包括：升温阶段：以100～150℃/h的升温速率升温至620±15℃，保温5-8h；第一冷却阶段：随炉冷却至500℃以下，优选480℃，冷却速度为25～30℃/h；第二冷却阶段：开炉盖速冷至150℃以下，优选120℃；出炉。在所述升温阶段和所述第一冷却阶段中，以3.2-6m³/h的速度通入纯度为99.99％的氮气。氮气为惰性气体，在升温过程中，可将盘条与空气隔离，以保护盘条不被氧化。采用额定功率不小于105KW的井式退火炉进行退火处理。

进一步的，步骤(c)中，精拉拔过程包括，采用硼液在所述盘条的表面涂硼，100-120℃烘干，配合拉拔粉，拉拔3-8道次；述硼液中硼砂的含量为350-550g/L，硼液的温度为60℃～80℃。

进一步的，步骤(d)中，镀铜过程中用到的镀铜液为30-45g/L硫酸铜溶液，镀铜速度为2.0-5.0m/s。

进一步的，步骤(d)中，最终产品规格包括φ0.8mm、φ1.0mm、φ1.2mm、φ1.6mm、φ2.0mm、φ2.4mm、φ2.5mm。最终产品规格φ0.8mm、φ1.0mm、φ1.2mm、φ1.6mm均采用塑料盘装形式包装，φ2.0mm、φ2.4mm、φ2.5mm均采用长度1.0m,端部钢字钉打印产品型号，塑料盒包装。

以本发明提供的焊丝组分制备盘条，其盘条的抗拉强度较高、塑性略差，在盘条的冷拉拔过程中，不但模具消耗大，且极易断丝，生产效率低，拉拔过程不顺畅。因此，为了保证焊丝生产的顺畅和成品焊丝的质量，在将原始盘条拉拔至φ4.1mm后，须对盘条进行一次退火处理。

本发明所采用的退火工艺为重结晶退火工艺，因为该类Cr-Mo系合金在其平衡加热和冷却时均有固态相变(重结晶)发生，因此盘条在退火炉内进行缓慢的加热、保温和冷却的过程中，合金在加热和冷却时各发生一次相变重结晶，从而完成整个重结晶退火过程；退火过程增强了盘条的塑性，降低硬度，改善其拉拔性能，为后续的精拉拔提供良好的条件。

盘条经过长时间的高温退火，可以达到软化盘条的目的，通过对退火工艺参数的设计和优化，使盘条在可控的范围内软化，硬度降低，获得良好的拉拔塑性。当退火温度过低时，盘条没有完全奥氏体化，退火不够充分，内部应力未完全消除，相变重结晶不彻底，退火后盘条的抗拉强度和硬度依然较高而塑性较低，不利于拉拔。当退火温度过高时，盘条内部组织虽然充分奥氏体化，消除了内部应力，但是过高的温度导致一次碳化物长大，大尺寸碳化物颗粒形成内部缺陷，使得盘条的拉拔塑性被损害，拉拔过程产生微裂纹造成拉拔脆断。本发明退火加热温度设计为620±15℃，能够有效的保证盘条的拉拔塑性。

除了上述退火加热温度对盘条塑性的改变外，退火保温时间是保证退火后盘条塑性的另一重要因素，保温时间过短，使得退火不完全，保温时间过长，则会导致依次碳化物颗粒粗化，使得盘条塑性降低。本申请将保温时间设置为5-8h，在此时间范围内，盘条基体均已充分奥氏体化，应力得到消除，已属于完全退火，因而盘条的硬度和抗拉强度变化不大，且不会导致一次碳化物颗粒粗化，保证盘条塑性。

综上，本发明的制备方法，很好的匹配了本发明的焊丝的成分，并着重设计了与本发明焊丝成分匹配的退火方法，以保证能够制备顺利制备出性能优异的本发明的焊丝。

本发明的有益效果为：

采用本发明的汽化炉耐热钢氩弧焊丝，用于焊接SA_387GR11CL2等材料，通过合理的焊接工艺，能够使焊缝金属的组分达到最佳状态，焊接工艺性能优异，成型美观细腻，焊缝边缘过渡流畅，具有良好的金属光泽；焊缝金属的化学成分和组织达到最佳，熔敷金属S、P含量低；热处理态的常温及高温拉伸强度、冲击值、弯曲性能、抗裂性能等机械性能优异，特别在高温状态下具有更加优异的力学性能；除此之外，本发明的制备方法制备的氩弧焊丝，拉拔顺畅，焊丝挺度适宜，表面质量优异。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。

将本发明的耐热钢氩弧焊丝成分百分比发钢厂进行冶炼，轧制。由于该线材属于低合金高强钢线材，具有技术含量高、经济效益好等特点，同时，线材须进一步拉拔再生产成为所述焊丝，对钢厂所使用的冶炼工艺、钢坯质量及钢中夹杂物、硫化物等的要求十分严格。

实施例1

制备原始盘条：

按照原始盘条的成分，通过高炉→铁水预脱硫→电炉精炼→连铸→轧制等相关工艺方法(现有技术)，得到所述焊丝的原始盘条。

原始盘条的成分以重量百分数计为：

C：0.098％；Mn：0.61％；Si：0.58％；Ni：0.05％；Mo：0.41％；S：0.008％；P：0.008％；Cr：1.34％；Cu：0.078％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

按以下方法制备成焊丝：

(a)制备盘条，粗拉拔所述盘条；粗拉拔后的盘条的直径为4.1mm；

(b)将步骤(a)处理后的盘条退火处理，除去所述盘条表面的氧化层；退火处理工艺包括：升温阶段：以100～150℃/h的升温速率升温至620±15℃，保温5-8h；第一冷却阶段：随炉冷却至480℃，冷却速度为25～30℃/h；第二冷却阶段：开炉盖速冷至120℃；出炉。在升温阶段和第一冷却阶段中，以4.5m³/h的速度通入纯度为99.99％的氮气。采用额定功率不小于105KW的井式退火炉进行退火处理。

(c)精拉拔步骤(b)处理后的所述盘条；精拉拔过程包括，采用硼液在所述盘条的表面涂硼，100-120℃烘干，配合拉拔粉，拉拔3-8道次；述硼液中硼砂的含量为450g/L，硼液的温度为60℃～80℃。

(d)将步骤(c)精拉拔后的盘条进行表面镀铜，切丝，打码，得到最终产品。镀铜过程中用到的镀铜液为40g/L硫酸铜溶液，镀铜速度为3.5m/s。

制备的焊丝的成分为：C：0.10％；Mn：0.60％；Si：0.59％；Ni：0.052％；Mo：0.42％；S：0.006％；P：0.0081％；Cr：1.33％；Cu：0.086％；As：0.0042％；Sb:0.0009％；Sn：0.004％；Al：0.006％；V：0.004％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。焊丝规格为φ2.4mm。

实施例2

原始盘条的成分以重量百分数计为：

C：0.083％；Mn：0.48％；Si：0.62％；Ni：0.022％；Mo：0.43％；S：0.008％；P：0.010％；Cr：1.34％；Cu：0.062％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

制备的焊丝的成分为：

C：0.080％；Mn：0.50％；Si：0.65％；Mo：0.45％；Cr：1.45％；S:0.006％；P:0.009％；Ni:0.025％；Cu:0.05％；Al：0.0056；V：0.0037％；As：0.0035％；Sb:0.0008％；Sn：0.0042％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

原始盘条的制备方法和焊丝的制备方法同实施例1。

实验例

将实施例1和实施例2的焊丝分别进行如下实验：

实验组A：对16mm厚的试验试板(低合金高强钢)进行手工钨极氩弧焊焊接，并进行焊态熔敷金属常温力学性能试验；

实验组B：对20mm厚的试验试板(低合金高强钢)进行手工钨极氩弧焊焊接，并对试板进行620±15℃×1h热处理；

实验组C：对20mm厚的试验试板(低合金高强钢)进行手工钨极氩弧焊焊接，并对试板进行680±15℃×3h热处理；

实验组D：对20mm厚的试验试板(低合金高强钢)进行手工钨极氩弧焊焊接，并对试板进行690±15℃×18h热处理；

在上述实验组A-D中，焊接工艺为现有技术中本领域技术人员所熟知的焊接工艺。

将上述实验组A-D中焊态及热处理态条件下的熔敷金属做常温拉伸试验、高温拉伸试验、冲击试验以及弯曲试验，得到各实验例中熔敷金属的力学性能指标，实验组A-D中，弯曲试验的弯曲角度为180°，弯曲直径板厚的4倍。试验结果如下表1所示：

表1各实验例中熔敷金属的力学性能

通过实验组A-D的焊缝的熔敷金属的力学指标可以得出，焊态及热处理态的常温及高温拉伸强度、冲击值、弯曲性能等机械性能优异，特别在680±15℃×3h和690±15℃×18h两种热处理态条件下三种高温(380℃、450℃、510℃)拉伸性能优异，高温拉伸试验屈服强度均达到328及以上，远超国内380℃、450℃及510℃高温拉伸屈服强度分别大于等于234Mpa、219MPa、206MPa的相关要求，能够实现在各高温服役环境中持久可靠的性能保证。

综上，本发明制备的氩弧焊丝，拉拔顺畅，焊丝挺度适宜，表面质量优异，用于汽化炉耐热钢的焊接，具有高的耐热性能，特别在高温状态下具有更加优异的力学性能。能够满足我国汽化炉等高温高压条件下服役的设备的焊接，实现该领域的焊接材料国产化。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种汽化炉耐热钢氩弧焊丝，其特征在于，包括如下重量百分比的组分：C：0.07％-0.12％；Mn：0.40％-0.70％；Si：0.40％-0.70％；Mo：0.40％-0.65％；Cr：1.20％-1.50％；0<S≤0.010％；0<P≤0.010％；0<Ni≤0.20％；0<Cu≤0.20％；0<Al≤0.050％；0<V≤0.050％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的汽化炉耐热钢氩弧焊丝，其特征在于，包括如下重量百分比的组分：C：0.09％；Mn：0.70％；Si：0.50％；Mo：0.60％；Cr：1.25％；S:0.008％；P:0.010％；Ni:0.15％；Cu:0.15％；Al:0.040％；V:0.035％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的汽化炉耐热钢氩弧焊丝，其特征在于，包括如下重量百分比的组分：C：0.08％；Mn：0.50％；Si：0.65％；Mo：0.45％；Cr：1.45％；S:0.006％；P:0.009％；Ni:0.025％；Cu:0.05％；Al:0.0056％；V:0.0037％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的汽化炉耐热钢氩弧焊丝，其特征在于，包括如下重量百分比的组分：C：0.10％；Mn：0.60％；Si：0.59％；Mo：0.42％；Cr：1.33％；S：0.006％；P：0.0081％；Ni：0.052％；Cu：0.086％；Al：0.006％；V：0.004％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

5.根据权利要求1所述的汽化炉耐热钢氩弧焊丝，其特征在于，包括如下重量百分比的组分：C：0.10％；Mn：0.55％；Si：0.50％；Mo：0.50％；Cr：1.22％；S：0.006％；P：0.010％；Ni：0.10％；Cu：0.086％；Al：0.006％；V：0.02％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

6.权利要求1～5任意所述汽化炉耐热钢氩弧焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(a)制备盘条，粗拉拔所述盘条；

(b)将步骤(a)处理后的盘条退火处理，除去所述盘条表面的氧化层；

(c)精拉拔步骤(b)处理后的所述盘条；

(d)将步骤(c)精拉拔后的盘条进行表面镀铜，切丝，打码，得到氩弧焊丝。

7.权利要求6所述汽化炉耐热钢氩弧焊丝的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)中退火处理工艺包括：

升温阶段：以100～150℃/h的升温速率升温至620±15℃，保温5-8h；

第一冷却阶段：随炉冷却至500℃以下，冷却速度为25～30℃/h；

第二冷却阶段：开炉盖速冷至150℃以下；出炉。

8.根据权利要求7所述的耐热钢氩弧焊丝的制备方法，其特征在于：在所述升温阶段和所述第一冷却阶段中，以3.2-6m³/h的速度通入纯度为99.99％的氮气。

9.根据权利要求6所述汽化炉耐热钢氩弧焊丝的制备方法，其特征在于，所述步骤(c)中精拉拔过程包括，采用硼液在所述盘条的表面涂硼，100-120℃烘干，配合拉拔粉，拉拔3-8道次；述硼液中硼砂的含量为350-550g/L，硼液的温度为60℃～80℃。

10.根据权利要求6所述汽化炉耐热钢氩弧焊丝的制备方法，其特征在于，所述步骤(d)的镀铜过程中用到的镀铜液为30-45g/L硫酸铜溶液，镀铜速度为2.0-5.0m/s。