CN114310027B - Cr-Ni-Mo系药芯焊丝及低合金高强钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的Cr‑Ni‑Mo系药芯焊丝，药芯焊丝包括药芯和钢皮，药芯按质量百分比由以下组分组成：钛铁粉3.00％，镍粉10％～18％，铬粉6％～15％，钼粉1％～5％，铝镁粉1％，硼粉0.05％，Ce₂O₃0.2％，铁粉余量，以上组分质量百分比之和为100％。该Cr‑Ni‑Mo系药芯焊丝用于风机叶轮低强度高强钢制造；还公开了使用该焊丝条件下低合金高强钢的制备方法；经过实例可证明，该药芯焊丝综合性能优良，采用此焊丝增材制造工艺制备该低合金高强钢不仅效率提高，而且原材料浪费较少，对环境较友好。

Description

Cr-Ni-Mo系药芯焊丝及低合金高强钢的制备方法

技术领域

本发明属于电弧增材制造领域，具体涉及Cr-Ni-Mo系药芯焊丝。

本发明还涉及低合金高强钢的制备方法。

背景技术

Cr-Ni-Mo系高强度合金钢作为工程结构钢在我国经济很多方向得到广泛应用，主要是因为其强度大、成本低廉和冷热加工成型性好。

目前我国对Cr-Ni-Mo系高强度合金钢主要采用传统减材制造的方法，材料浪费严重，具有很多缺点。电弧增材制造技术加工成型所需时间较短、所需投入较小以及零件可以整体加工成型。目前电弧增材制造用焊丝均采用传统焊丝，晶粒粗化严重，力学性能存在明显各向异性。因此，开展针对于Cr-Ni-Mo系高强度合金钢的电弧增材制造用金属型药芯焊接材料及沉积金属组织演变的研究具有重要的意义。

低合金钢因为其高强度、高韧性等一系列优秀特点广泛应用于大载荷、承受大作用界面的大零部件，比如汽轮机甲板，风机叶轮。但传统减才制造存在原材料浪费严重，加工效率低等一系列缺点，所以，研究一种新型电弧增材制造用药芯焊丝用于低合金高强钢制造，对于大型工业产业有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供Cr-Ni-Mo系药芯焊丝，用以实现增材制造优良低合金高强钢。

本发明的另一个目的是提供低合金高强钢制备方法。

本发明所采用的第一个技术方案是，Cr-Ni-Mo系药芯焊丝，药芯焊丝包括药芯和钢皮，所述药芯按质量百分比具体包括：钛铁粉3.00%，镍粉10%~18%，铬粉6%~15%，钼粉1%~5%，铝镁粉1%，硼粉0.05%，Ce₂O₃0.2%，铁粉余量，以上组分质量百分比之和为100%。

本发明第一个技术方案的特点还在于：

其中钢皮为低碳钢。

其中药芯焊丝中药芯粉末的填充量为18wt.%-24wt.%。

本发明的第二个技术方案是，低合金高强钢制备方法，采用Cr-Ni-Mo系药芯焊丝，具体按以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比称取钛铁粉3.00% ，镍粉10%~18%，铬粉6%~15%，钼粉1%~5%，铝镁粉1%，硼粉0.05%，Ce₂O₃0.2%，铁粉余量，以上各组分质量百分比之和为100%；将称量的各组分合金粉末均匀混合并烘干；

步骤2，将低碳钢带经过拉丝机轧制成U型焊带，然后将步骤1中得到的混合金粉填进U型焊带并随着拉丝机轧制成O型焊丝；使用无水乙醇将焊丝表面清洁，对粗焊丝进行减径得到所需直径的焊丝；

步骤3，将步骤2中所得焊丝置于焊接设备中，逐层进行电弧增材制造并冷却，堆焊完成后得到所需低合金高强钢。

本发明第二个技术方案的特点还在于：

其中步骤l烘干过程中烘干温度为250℃-300℃，烘干时间为2.5h；

其中步骤3的焊接工艺采用MAG焊，保护气体为90%Ar+10%CO₂气体；

其中步骤3的焊接方式采用单道或摆弧沉积；

其中步骤3中的焊接工艺参数为：焊接电流为165A~175A，焊接电压为21V~23V，焊接速度为0.10m/min~0.20m/min；

其中步骤3的冷却工艺采用控制温度原则，层间温度控制在120℃~220℃，每层层高2.5mm~4.5mm。

本发明的有益效果是：

本发明的Cr-Ni-Mo系药芯焊丝具有至少以下有益效果：

1.相比采用实心焊丝，本发明的增材制造用药芯焊丝为金属型药芯焊丝，生产过程较为简单且周期较短，成分简单易控制，成本较低，该焊丝焊接过程中热传输效率更高，熔覆率更高；

2.本发明的药芯焊丝中，Cr元素能对合金钢起到很好的固溶强化作用，并使钢的抗拉强度得以提升，而且可以增加合金钢的淬透性，Cr的存在会降低碳的活度，加大碳扩散的难度，阻碍针状铁素体的形核和长大；Ni一般是为了改善焊缝金属低温冲击韧性；Mo元素具有提高淬透性、固溶强化以及延迟相变与再结晶的作用。

3.本发明中的Cr-Ni-Mo系药芯焊丝用于增材制造，成型质量优良，烟尘弧光较小，对环境保护有重要意义。

本发明的低合金高强钢制备方法至少有以下有益效果：

1.传统制造工艺存在材料浪费严重，采用CNC加工，材料收得率不足13%；生产周期长，叶轮叶片曲面形状复杂，加工时间长；采用手工电弧焊将叶片同轮盘焊接，服役过程中接头处易开裂；CNC加工时间较长，增加叶轮制造成本等问题。电弧增材制造具有极小的投入与浪费比，用该方法制造的零件具有致密度高，结合强度好等优点；

2.电弧增材制造具有沉积效率高，设备成本低等优点，其发展将有力促进工业产品生产的低耗化、绿色化、短周期化，成为未来工业创新的重要立足点；

3.采用Cr-Ni-Mo系药芯焊丝进行增材制造，焊后焊缝成型优良，表面具有光泽，无气孔焊渣等缺陷。采用MAG焊，保护气体为90% Ar和10% CO₂，能极大程度上减少焊接过程中的飞溅。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的低合金高强钢微观组织图；

图2是本发明实施例2制备的低合金高强钢微观组织图；

图3是本发明实施例3制备的低合金高强钢微观组织图；

图4是本发明实施例4制备的低合金高强钢微观组织图；

图5是本发明实施例5制备的低合金高强钢微观组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种增材制造用Cr-Ni-Mo系药芯焊丝，药芯焊丝包括药芯和钢带，药芯按质量百分比由以下组分组成：钛铁粉3.00%，镍粉10%~18%，铬粉6%~15%，钼粉1%~5%，铝镁粉1%，硼粉0.05%，Ce₂O₃0.2%，铁粉余量，以上组分质量百分比之和为100%；钢带材料为低碳钢带；合金粉末填充率为18wt.%-24wt.%；

药芯焊丝中各组分作用及功能如下：

Cr元素能对合金钢起到很好的固溶强化作用，并使钢的抗拉强度得以提升，而且可以增加合金钢的淬透性，Cr的存在会降低碳的活度，加大碳扩散的难度，阻碍针状铁素体的形核和长大；

Ni元素一般是为了改善焊缝金属低温冲击韧性；

硼在钢中的作用主要是增加钢的淬透性，从而使钢在回火后的综合性能有所提升，因而能够极大改善由于增材制造的特殊热循环和积累过程造成的力学性能下降问题；

Mo元素具有提高淬透性、固溶强化以及延迟相变与再结晶的作用。

稀土元素的加入能对焊缝起到净化与变质作用。

本发明还提供了一种低合金高强钢制备方法，采用上述一种增材制造用Cr-Ni-Mo系药芯焊丝制备低合金高强钢，具体步骤如下：

步骤1，按质量百分比称取钛铁粉3.00%，镍粉10%~18%，铬粉6%~15%，钼粉1%~5%，铝镁粉1%，硼粉0.05%，Ce₂O₃0.2%，铁粉余量，以上组分质量百分比之和为100%；然后将称量好的合金粉末均匀混合并烘干，烘干温度为250℃~300℃，烘干时间为2.5h~3h；

步骤2，首先将低碳钢带经过拉丝机轧制成U型焊带，然后将步骤1中得到的干燥混合合金粉填进U型焊带并随着拉丝机轧制成O型焊丝；然后使用无水乙醇将焊丝表面清洁，对粗焊丝进行减径得到所需直径的焊丝；最后，对使用无水乙醇清除焊丝表面油污杂质。

步骤3，将步骤2中所得焊丝置于焊接设备中，采用MAG焊，单道沉积或摆弧沉积，保护气体为90%Ar+10%CO₂，逐层进行电弧增材制造并冷却，层间温度控制在120℃-220℃，每层层高为2.5mm-4.5mm，堆焊完成后得到所需低合金高强钢。

实施例1

步骤1，按质量百分比称量钛铁粉3.00%，镍粉12%，铬粉8%，钼粉2%，铝镁粉1%，硼粉0.05%，Ce₂O₃0.2%，铁粉余量，以上组分质量百分比之和为100%；

步骤2，然后将步骤1中称量好的合金粉末均匀混合并烘干，烘干温度为250℃~300℃，烘干时间为2.5h，得到所需合金粉末；

步骤3，然后将宽6mm、厚度0.2mm的低碳钢带经过拉丝机轧制成U型焊带，然后将步骤1中得到的干燥混合合金粉填进U型焊带并随着拉丝机轧制成直径为2.6mm的O型焊丝，合金粉填充率控制在18wt.%；然后使用无水乙醇将焊丝表面清洁，对粗焊丝进行减径得到直径为1.2mm的焊丝，用于低合金高强钢制备；最后，对使用无水乙醇清除焊丝表面油污杂质；

步骤4，将步骤3中所得焊丝置于焊接设备中，采用MAG焊，单道沉积或摆弧沉积，保护气体为90%Ar+10%CO₂，逐层进行电弧增材制造并冷却，层间温度控制在120℃~220℃，每层层高为2.5mm~4.5mm，堆焊完成后得到所需低合金高强钢；

堆积一高约55mm，长约150mm的薄壁件，进行力学性能测试试验。测试所得结果为，屈服强度为585.68Mpa，抗拉强度为601.87Mpa，冲击功为6J，强度符合预想，冲击功接近锻件退火态水平，其微观组织如图1所示，微观组织由粒状贝氏体和铁素体组成，组织均匀，强韧性较好；从微观组织及力学性能均能说明本发明的低合金高强钢综合性能优良，适用于风机叶轮。

实施例2

步骤1，按质量百分比称量钛铁粉3.00%，镍粉10%，铬粉6%，钼粉1%，铝镁粉1%，硼粉0.05%，Ce₂O₃0.2%，铁粉余量，以上组分质量百分比之和为100%；

步骤2，然后将步骤1中称量好的合金粉末均匀混合并烘干，烘干温度为250℃~300℃，烘干时间为2.5h，得到所需合金粉末；

步骤3，然后将宽6mm、厚度0.2mm的低碳钢带经过拉丝机轧制成U型焊带，然后将步骤1中得到的干燥混合合金粉填进U型焊带并随着拉丝机轧制成直径为2.6mm的O型焊丝，合金粉填充率控制在18wt.%；然后使用无水乙醇将焊丝表面清洁，对粗焊丝进行减径得到直径为1.2mm的焊丝，用于低合金高强钢制备；最后，对使用无水乙醇清除焊丝表面油污杂质；

步骤4，将步骤3中所得焊丝置于焊接设备中，采用MAG焊，单道沉积或摆弧沉积，保护气体为90%Ar+10%CO₂，逐层进行电弧增材制造并冷却，层间温度控制在120℃-220℃，每层层高为2.5mm-4.5mm，堆焊完成后得到所需低合金高强钢；

堆积一高约55mm，长约150mm的薄壁件，进行力学性能测试试验。测试所得结果为，屈服强度为635.34Mpa，抗拉强度为758.33Mpa，冲击功为46J，强度符合预想，冲击功接近锻件退火态水平，其微观组织如图2所示，微观组织由粒状贝氏体和少量铁素体组成，组织均匀，强韧性较好；从微观组织及力学性能均能说明本发明的低合金高强钢综合性能优良，适用于风机叶轮。

实施例3

步骤1，按质量百分比称量钛铁粉3.00%，镍粉14%，铬粉10%，钼粉3%，铝镁粉1%，硼粉0.05%，Ce₂O₃0.2%，铁粉余量，以上组分质量百分比之和为100%；

步骤2，然后将步骤1中称量好的合金粉末均匀混合并烘干，烘干温度为250℃~300℃，烘干时间为3h，得到所需合金粉末；

步骤3，然后将宽6mm、厚度0.2mm的低碳钢带经过拉丝机轧制成U型焊带，然后将步骤1中得到的干燥混合合金粉填进U型焊带并随着拉丝机轧制成直径为2.6mm的O型焊丝，合金粉填充率控制在18wt.%；然后使用无水乙醇将焊丝表面清洁，对粗焊丝进行减径得到直径为1.2mm的焊丝，用于低合金高强钢制备；最后，对使用无水乙醇清除焊丝表面油污杂质；

步骤4，将步骤3中所得焊丝置于焊接设备中，采用MAG焊，单道沉积或摆弧沉积，保护气体为90%Ar+10%CO₂，逐层进行电弧增材制造并冷却，层间温度控制在120℃~220℃，每层层高为2.5mm~4.5mm，堆焊完成后得到所需低合金高强钢；

堆积一高约55mm，长约150mm的薄壁件，进行力学性能测试试验。测试所得结果为，屈服强度为724.12Mpa，抗拉强度为781.60Mpa，冲击功为65J，强度符合预想，冲击功接近锻件退火态水平，其微观组织如图3所示，微观组织由粒状贝氏体和少量铁素体组成，组织均匀，强韧性较好；从微观组织及力学性能均能说明本发明的低合金高强钢综合性能优良，适用于风机叶轮。

实施例4

步骤1，按质量百分比称量钛铁粉3.00%，镍粉16%，铬粉12%，钼粉4%，铝镁粉1%，硼粉0.05%，Ce₂O₃0.2%，铁粉余量，以上组分质量百分比之和为100%；

步骤2，然后将步骤1中称量好的合金粉末均匀混合并烘干，烘干温度为250℃-300℃，烘干时间为3h，得到所需合金粉末；

步骤3，然后将宽6mm、厚度0.2mm的低碳钢带经过拉丝机轧制成U型焊带，然后将步骤1中得到的干燥混合合金粉填进U型焊带并随着拉丝机轧制成直径为2.6mm的O型焊丝，合金粉填充率控制在18wt.%；然后使用无水乙醇将焊丝表面清洁，对粗焊丝进行减径得到直径为1.2mm的焊丝，用于低合金高强钢制备；最后，对使用无水乙醇清除焊丝表面油污杂质；

步骤4，将步骤3中所得焊丝置于焊接设备中，采用MAG焊，单道沉积或摆弧沉积，保护气体为90%Ar+10%CO₂，逐层进行电弧增材制造并冷却，层间温度控制在120℃~220℃，每层层高为2.5mm~4.5mm，堆焊完成后得到所需低合金高强钢；

堆积一高约55mm，长约150mm的薄壁件，进行力学性能测试试验。测试所得结果为，屈服强度为663.48Mpa，抗拉强度为756.33.Mpa，冲击功为52J，强度符合预想，冲击功接近锻件退火态水平，其微观组织如图3所示，微观组织由粒状贝氏体和少量铁素体组成，组织均匀，强韧性较好；从微观组织及力学性能均能说明本发明的低合金高强钢综合性能优良，适用于风机叶轮。

实施例5

步骤1，按质量百分比称量钛铁粉3.00%，镍粉18%，铬粉15%，钼粉5%，铝镁粉1%，硼粉0.05%，Ce₂O₃0.2%，铁粉余量，以上组分质量百分比之和为100%；

步骤2，然后将步骤1中称量好的合金粉末均匀混合并烘干，烘干温度为250℃-300℃，烘干时间为3h，得到所需合金粉末；

步骤3，然后将宽6mm、厚度0.2mm的低碳钢带经过拉丝机轧制成U型焊带，然后将步骤1中得到的干燥混合合金粉填进U型焊带并随着拉丝机轧制成直径为2.6mm的O型焊丝，合金粉填充率控制在18wt.%；然后使用无水乙醇将焊丝表面清洁，对粗焊丝进行减径得到直径为1.2mm的焊丝，用于低合金高强钢制备；最后，对使用无水乙醇清除焊丝表面油污杂质；

步骤4，将步骤3中所得焊丝置于焊接设备中，采用MAG焊，单道沉积或摆弧沉积，保护气体为90%Ar+10%CO₂，逐层进行电弧增材制造并冷却，层间温度控制在120℃~220℃，每层层高为2.5mm~4.5mm，堆焊完成后得到所需低合金高强钢；

堆积一高约55mm，长约150mm的薄壁件，进行力学性能测试试验。测试所得结果为，屈服强度为683.79Mpa，抗拉强度为745.26Mpa，冲击功为55J，强度符合预想，冲击功接近锻件退火态水平，其微观组织如图3所示，微观组织由粒状贝氏体和少量铁素体组成，组织均匀，强韧性较好；从微观组织及力学性能均能说明本发明的低合金高强钢综合性能优良，适用于风机叶轮。

Claims (9)

1.Cr-Ni-Mo系药芯焊丝，其特征在于，药芯焊丝包括药芯和钢皮，所述药芯按质量百分比具体包括：钛铁粉3.00%，镍粉10%~18%，铬粉6%~15%，钼粉1%~5%，铝镁粉1%，硼粉0.05%，Ce₂O₃ 0.2%，铁粉余量，以上组分质量百分比之和为100%。

2.根据权利要求1所述的Cr-Ni-Mo系药芯焊丝，其特征在于，所述钢皮为低碳钢。

3.根据权利要求1所述的Cr-Ni-Mo系药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝中药芯粉末的填充量为18wt.%-24wt.%。

4.低合金高强钢制备方法，采用权利要求1~3所述的Cr-Ni-Mo系药芯焊丝，其特征在于，具体按以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比称取钛铁粉3.00% ，镍粉10%~18%，铬粉6%~15%，钼粉1%~5%，铝镁粉1%，硼粉0.05%，Ce₂O₃ 0.2%，铁粉余量，以上各组分质量百分比之和为100%；将称量的各组分合金粉末均匀混合并烘干；

步骤2，将低碳钢带经过拉丝机轧制成U型焊带，然后将步骤1中得到的混合金粉填进U型焊带并随着拉丝机轧制成O型焊丝；使用无水乙醇将焊丝表面清洁，对粗焊丝进行减径得到所需直径的焊丝；

步骤3，将步骤2中所得焊丝置于焊接设备中，逐层进行电弧增材制造并冷却，堆焊完成后得到所需低合金高强钢。

5.根据权利要求4所述的低合金高强钢制备方法，其特征在于，所述步骤l的烘干过程中烘干温度为250℃-300℃，烘干时间为2.5h。

6.根据权利要求4所述的低合金高强钢制备方法，其特征在于，所述步骤3的焊接工艺采用MAG焊，保护气体为90%Ar+10%CO₂气体。

7.根据权利要求4所述的低合金高强钢制备方法，其特征在于，所述步骤3的焊接方式采用单道或摆弧沉积。

8.根据权利要求4所述的低合金高强钢制备方法，其特征在于，所述步骤3中的焊接工艺参数为：焊接电流为165A~175A，焊接电压为21V~23V，焊接速度为0.10m/min~0.20m/min。

9.根据权利要求4所述的低合金高强钢制备方法，其特征在于，所述步骤3的冷却工艺采用控制温度原则，层间温度控制在120℃~220℃，每层层高2.5mm~4.5mm。