CN115625450B - 一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条及其制备 - Google Patents

一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条及其制备 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种焊接Fe‑Mn‑Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条及其制备，包括焊芯及涂敷于焊芯外表面的药皮，焊芯由Fe‑Mn‑Al钢制成，药皮的重量百分数组成为：雾化镁钙粉末为5％～10％，大理石为20％～40％，氟化钙为10％～20％，石英为5％～10％，金红石为5％～20％，锰硅合金为5％～10％，镍粉为5％～10％，硼铁为3％～7％，钛铁为5％～10％，CrN2为1％～4％，含Re50％以上的稀土为0.5％～1％，各原料的重量百分比之和为100％。本发明用现有的Fe‑Mn‑Al钢材制作焊芯，通过冶金反应对熔覆金属进行强脱硫及细化晶粒，所获得的熔覆金属为奥氏体组织，能够满足低温钢‑111℃低温环境的要求。

Description

一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条及其制备
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域，具体涉及一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条及其制备。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
低温钢是指可在低温环境中稳定工作的钢种，其可以用于制造各种液氮、液氨、液氧、液化石油气生产和储运设备，也可用于制造在寒冷地区使用的设备等。由于使用环境的特殊性，要求低温钢在低温条件下必须具有一定的韧性和强度，尤其关键的是韧性。目前常用的低温钢有铁素体低温钢和奥氏体低温钢，而奥氏体低温钢的低温性能更好，分为Fe-Cr-Ni系、Fe-Cr-Ni-Mn系、Fe-Cr-Ni-Mn-N系和Fe-Mn-Al系奥氏体低温无磁钢。Fe-Mn-Al系奥氏体低温无磁钢是中国研制的节约铬、镍的新钢种，可部分代替铬镍奥氏体钢,用于-111℃以下的极低温区。
在低温钢的焊接方面，为了保证焊缝的低温性能，目前多采用含镍的焊材材料进行填充，例如含镍11％的铁素体型、含Ni13％～Cr11％的奥氏体型、含Ni40％的Fe-Ni基型(Fe-Ni-Cr系合金)、含Ni10％以上的Ni基型(Ni-Cr-Mo系合金)。除了含Ni焊接材料可以获得奥氏体外，高锰型的Fe-Mn-Al系也可以获得完全的奥氏体组织。但是高锰奥氏体钢的韧性随着温度降低会出现由韧性到脆性的转变，例如对于Mn含量为10-27％时，奥氏体基体上形成的ε－马氏体是裂纹优先形核的地方，不利用钢的低温韧性。加上一般焊缝多为铸态组织，可能存在的成分偏聚、形成MnS等都会降低低温韧性，因此Fe-Mn-Al用于焊材是相对较少的。
手工电弧焊由于施焊灵活，在低温钢焊接过程有着广泛的应用，因此开发一种可用于低温钢焊接的高锰型焊条是有实际意义的。现有技术：
《一种高锰奥氏体低温钢用电焊条》(CN108171715B)公开了一种使用高锰焊芯制备低温钢焊条的方法，其中高锰焊芯的硫含量<0.008％、磷含量<0.01％；《船用LNG储罐高锰奥氏体超低温钢配套酸性焊条及制备方法》(CN110170715B)公开了一种利用高锰焊芯制备低温钢焊条的方法，其采用的高锰焊芯含有少量的镍，不含铝，同时硫含量控制在0.0021％，磷控制在0.0071％；
《焊芯中添加稀土元素的超低温钢用镍基焊条及其制备方法》(CN101313313B)公开了一种高镍含量的低温钢用焊条的制备方法；《一种超低温钢用镍基焊条及其制备方法》(CN105081113A)也涉及到采用镍基焊芯制备的低温钢用焊条；《一种含Ni低温钢配套的焊条》(CN103121017B)公开了一种通过合金化实现焊缝熔覆金属含一定镍的低温钢焊条的制备方法；《一种适用于节Ni型低温钢焊条电弧焊焊接方法》(CN111515413B)采用了含有一定镍的焊芯来制备低温钢焊条；《用于钢制球罐焊接的低温钢全位置焊条及药皮粉料》(CN105033502B)是采用H04E(低碳钢)焊芯制备的低温钢用焊条；《专门用于LNG船超低温钢焊接的高效镍基焊条》(CN 103178322B)也是一种采用高镍含量焊芯的低温钢焊条。
从现有技术来看，低温钢焊条大部分采用含镍的焊芯来满足最终焊缝的低温性能，也有直接采用高锰焊芯的做法，但是需要严格控制焊材硫磷含量；目前高锰钢的硫含量和磷含量可以控制在0.02％以下，但是很难满足用于焊接材料的要求，用于焊接材料时需要进一步精炼以降低硫磷含量，这也大大增加了使用高锰钢芯作为焊接材料的成本。
发明内容
在通过焊接冶金反应进行降低硫磷含量方面，一般的碱性氧化物都起一定的作用，镁也有脱硫的作用，但是由于其自身的活性，易于氧化和燃烧，不宜直接大量加在焊条药皮中使用。
为了解决现有技术的不足，为使用目前市售的高锰钢作为焊芯而无需进一步精炼，本发明提供一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条及其制备方法，通过焊接冶金反应降低熔覆金属的最终硫磷含量及细化晶粒，使其低温性能可满足-111℃低温环境下的使用要求。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明的第一方面，提供一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条，所述焊条包括焊芯及涂敷于焊芯外表面的药皮；
所述焊芯为Fe-Mn-Al钢；
所述药皮组成的重量百分数为：雾化镁钙粉末为5％～10％，大理石为20％～40％，氟化钙为10％～20％，石英为5％～10％，金红石为5％～20％，锰硅合金为5％～10％，镍粉为5％～10％，硼铁为3％～7％，钛铁为5％～10％，CrN2为1％～4％，含Re50％以上的稀土为0.5％～1％，各原料的重量百分比之和为100％。
本发明的另一方面，提供一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条的制备方法，制备过程为：(1)制备焊芯、(2)制备并涂敷药皮、(3)焊接焊芯与药皮。
本发明的有益效果为：
(1)通过雾化镁钙粉末及其他组分的联合脱硫脱磷，大大降低了对焊芯硫磷含量的要求，可以使用目前常用的高锰钢来制备焊芯；
(2)采用成分调控和晶粒细化等手段保证了焊缝的低温性能，可满足-111℃低温钢焊接接头的低温性能；
(3)用于焊接高锰型低温钢时，焊缝成分与母材接近，避免形成较大电位差而降低耐蚀性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1所获得的焊缝熔覆金属的透射电镜明场像和衍射斑点图。
图2为本发明实施例X所获得的焊缝熔覆金属的透射电镜高分辨图像。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了可以使用目前市售的高锰钢作为焊芯而无需进一步精炼，本发明提供了一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条，通过焊接冶金反应降低熔覆金属的最终硫磷含量及细化晶粒，使其低温性能可满足-111℃低温环境下的使用要求。
为了实现上述技术目的，本发明提出了一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条及其制备。
在本发明的一种典型实施方式中，提供了一种一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条，所述焊条包括焊芯及涂敷于焊芯外表面的药皮；
所述焊芯为Fe-Mn-Al钢；
所述药皮组成的重量百分数为：雾化镁钙粉末为5％～10％，大理石为20％～40％，氟化钙为10％～20％，石英为5％～10％，金红石为5％～20％，锰硅合金为5％～10％，镍粉为5％～10％，硼铁为3％～7％，钛铁为5％～10％，CrN2为1％～4％，含Re50％以上的稀土为0.5％～1％，各原料的重量百分比之和为100％。
电焊条是由焊芯和药皮两部分组成。
进行焊接时，焊芯有两个作用：一是传导焊接电流，产生电弧把电能转换成热能，二是焊芯本身熔化作为填充金属与液体母材金属熔合形成焊缝。
焊条的药皮在焊接过程中起着极为重要的稳弧作用，保证焊接电弧稳定燃烧，使焊接过程稳定；保护电弧及熔池。若采用无药皮的光焊条焊接，则在焊接过程中，空气中的氧和氮会大量侵入熔化金属，将金属铁和有益元素碳、硅、锰等氧化和氮化形成各种氧化物和氮化物，并残留在焊缝中，造成焊缝夹渣或裂纹；而熔入熔池中的气体可能使焊缝产生大量气孔，这些因素都能使焊缝的机械性能(强度、冲击值等)大大降低，同时使焊缝变脆。利用焊条药皮熔化后产生气体，可隔离空气，避免有害气体侵入熔池；药皮参与复杂的冶金反应，通过药皮将所需合金元素渗入焊缝金属当中、可以起到控制焊缝化学成分的作用，以获得所需焊缝金属性能。
在该实施方式的一种或多种实施例中，所述焊芯为15Mn21Al4钢。
在该实施方式的一种或多种实施例中，所述15Mn21Al4钢的重量百分数组成为：C为0.13％～0.11％，Mn为24.5％～27％，Al为3.8％～4.7％,Si为0.3％～0.1％，V为0.1％～0.5％,Cu为0.1％～0.3％，S<0.02％,P<0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。
在该实施方式的一种或多种实施例中，所述药皮占焊条重量的35％～40％。
在该实施方式的一种或多种实施例中，所述雾化镁钙粉末中镁粉和钙粉的质量比为18：2～10：10。
本发明药皮中各种组分的作用及原理说明如下：
雾化镁钙粉的主要作用是进行强脱硫脱磷，取代燃烧性强的镁粉，解决其容易燃烧造成焊接工艺性差的问题。
为解决镁粉易于燃烧影响工艺性的问题，本发明首先对镁进行了合金化处理，将重量镁与钙进行混合(钙占总重量的2％～10％)，在真空炉中熔炼并用雾化制粉方法制成粉末，将该雾化粉末用于添加到焊条药皮中，经过加钙合金化后的镁粉可燃性大大降低，同时钙还有脱磷的作用，经过和药皮中其他组分共同进行冶金反应，可最终降低熔覆金属中的硫磷含量，保证其低温性能。
大理石的作用，是焊条制作过程中常用的造渣、造气剂，焊接过程中分解出的气体可产生一定的吹力，促进熔滴的过渡，形成的熔渣可保护熔池，同时Ca的氧化物具有一定脱硫脱磷能力。
氟化钙的作用是利用氟与氢的反应，实现对熔覆金属的脱氢，降低熔覆金属中的含氢量。
石英的作用，作为造渣剂，可改善焊缝成型，调整熔渣的酸碱度和流动性。
金红石的作用，也是焊条中常用的造渣剂，可稳定电弧，调整焊渣的熔点、粘度和流动性，适量加入使得焊渣与焊缝金属有较大的热膨胀系数差，可显著改善脱渣性能。
锰硅合金的作用，可以通过电弧冶金向熔覆金属中过渡一定的锰，来调整熔覆金属中的锰含量，锰还有脱硫的作用。而与纯锰粉相比，锰硅合金具有更低的熔点，有利于电弧冶金反应，锰硅合金中的硅有调整渣系结构的作用，改善熔渣的流动性。
镍粉的作用，作为合金化过渡元素，适量提高熔覆金属中的含镍量，可促进奥氏体的形成，提高低温冲击韧性。
硼铁的作用，通过使少量的硼分布在熔覆金属的晶界处，可细化晶粒，同时降低熔覆金属的熔点，改善液态金属的流动性，促进焊缝成型。
钛铁的作用，由于本发明采用了Fe-Mn-Al系焊芯，铝具有较高的氧化倾向，为了尽可能保证铝的过渡，加入钛铁可作为强脱氧剂，钛优先跟氧结合形成氧化钛，最终加入的钛以氧化钛的形式形成焊渣，少量的钛过渡到熔覆金属中，由于钛也是强碳化物元素，可与碳结合形成细小弥散分布的碳化钛，一方面降低了基体中的碳含量，有利于提高低温冲击韧性，另外可起到细化晶粒的作用；选用钛铁而不是纯钛，是出于降低形成液态金属的熔点的考虑。
CrN2的作用，加入CrN2的目的是利用电弧冶金反应分解出一定的氮，氮过渡到熔覆金属中，氮可促进组织奥氏体化的形成。
含Re50％以上的稀土的作用，Re通过电弧冶金反应过渡到熔覆金属中，聚集在晶界，可起到稳定晶界、细化晶粒的作用，最终可提高焊缝的低温冲击韧性。
在本发明的另一种实施方式中，制备过程为：(1)制备焊芯、(2)制备并涂敷药皮、(3)焊接焊芯与药皮。
在该实施方式的一种或多种实施例中，所述(1)制备焊芯的具体步骤如下：
将15Mn21Al4钢经过热轧、冷轧，制备到中间直径；然后进行拉拔，拉拔过程中采用退火工艺降低钢丝的加工硬化影响，最终拉拔到所述焊芯的标准直径；
所述中间直径为Φ1mm-Φ10mm，优选为Φ8mm；
所述焊芯的标准直径为Φ2mm-Φ1mm，优选为Φ4mm。
在该实施方式的一种或多种实施例中，所述(2)制备药皮的具体方式为：
将药皮各成分按所述重量百分数进行配比，将各成分混合均匀后，加入钾钠水玻璃，用焊条压涂机将药粉压涂在按上述过程制备的标准焊芯外表面制成药皮；然后再进行烘干，获得高锰型奥氏体焊条。
在该实施方式的一种或多种实施例中，所述药皮各成分包括雾化镁钙粉末，所述雾化镁钙粉末的制备方式为：
将镁粉和钙粉以一定的质量比混合，再在真空熔炼炉中将镁和钙混合粉末熔炼到液态，然后以真空雾化法制备成镁钙粉末；
优选的，所述镁粉和钙粉的质量比为18：2～10：10；
进一步优选的，所述镁粉和钙粉的质量比为15：5。
在该实施方式的一种或多种实施例中，所述(3)焊接焊芯与药皮采用手工电弧焊；
优选的，焊接电流180±5A，
优选的，焊接速度200mm/min。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
本发明的焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条包括焊芯及涂敷于焊芯外表面的药皮，首先对焊芯的制备过程描述如下：
焊芯的选择：选用市售的Fe-Mn-Al钢，例如，选用常用的15Mn21Al4钢，其重量百分数组成为：C为0.13％～0.11％，Mn为24.5％～27％，Al为3.8％～4.7％,Si为0.3％～0.1％，V为0.1％～0.5％,Cu为0.1％～0.3％，S<0.02％,P<0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。实施例中购得的15Mn21Al4钢的主要化学成分如表1所示。
表1：实施例1的焊芯的主要化学成分(重量百分比wt％)
C Mn Si Al S P Fe
15Mn21Al4钢 0.18 25.5 0.3 4.2 0.018 0.02 余量
将15Mn21Al4钢经过热轧、冷轧，制备到中间直径，例如，Φ8mm，然后进行拉拔，拉拔过程中采用退火工艺降低钢丝的加工硬化影响，最终拉拔到各个标准焊条的焊芯直径，以下以Φ4mm为例进行说明。
药皮中镁钙粉末的制备方法：将镁粉和钙粉以重量比以一定比例混合18：2～10：10，以下以15：5为例说明，将重量比15：5的镁粉和钙粉混合后在真空熔炼炉熔炼到液态，然后以真空雾化法制备成镁钙粉末。
按照表2所示的药皮各成分重量百分比配比，将四组药粉混合均匀后，加入钾钠水玻璃，用焊条压涂机将药粉压涂在按上述过程制备的Φ4mm焊芯外表面制成药皮。药皮的重量系数为0.35～0.4，实施例中的No.1和No.4的药皮重量系数为0.35，No.2和No.3的药皮重量系数为0.4。然后再进行烘干，获得高锰型奥氏体焊条。
表2：实施例1的焊条药皮的配比(重量百分比wt％)
采用手工电弧焊，焊接电流180±5A，焊接速度200mm/min，采用制成的上述4组高锰型奥氏体焊条焊接Fe-Mn-Al低温钢。对熔覆金属的主要化学成分以及焊缝的力学性能进行检测的结果如表3和4所示。
表3：实施例1的熔覆金属的主要化学成分(重量百分比wt％)
表4：实施例1的焊缝的力学性能
图1与图2为实施例No.1试样的透射电镜的观察结果，可以确定为奥氏体组织。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (13)

1.一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条，其特征在于，所述焊条包括焊芯及涂敷于焊芯外表面的药皮；
所述焊芯为Fe-Mn-Al钢；
所述药皮组成的重量百分数为：雾化镁钙粉末为5%～10%，大理石为 20%～40%，氟化钙为10%～20%，石英为5%～10%，金红石为5%～20%，锰硅合金为5%～10%，镍粉为5%～10%，硼铁为3%～7%，钛铁为5%～10%，CrN2为 1%～4%，含Re50%以上的稀土为 0.5%～1%，各原料的重量百分比之和为100%。
2.如权利要求1所述的一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条，其特征在于，所述焊芯为15Mn26Al4钢。
3.如权利要求2所述的一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条，其特征在于，所述15Mn26Al4钢的重量百分数组成为：C为0.13%～0.19%，Mn为24.5%～27%，Al为3.8%～4.7%,Si为0.3%～0.6%，V为0.1%～0.5%,Cu为0.1%～0.3%，S<0.02%,P<0.02%，余量为Fe和不可避免的杂质。
4.如权利要求1所述的一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条，其特征在于，所述药皮占焊条重量的35%～40%。
5.如权利要求1所述的一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条，其特征在于，所述雾化镁钙粉末中镁粉和钙粉的质量比为98：2～90：10。
6.权利要求1-5任一项所述一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条的制备方法，其特征在于，制备过程为：（1）制备焊芯、（2）制备并涂敷药皮。
7.如权利要求6所述的一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条的制备方法，其特征在于，所述（1）制备焊芯的具体步骤如下：
将15Mn26Al4钢经过热轧、冷轧，制备到中间直径；然后进行拉拔，拉拔过程中采用退火工艺降低钢丝的加工硬化影响，最终拉拔到所述焊芯的标准直径；
所述中间直径为Φ6 mm-Φ10 mm；
所述焊芯的标准直径为Φ2 mm-Φ6 mm。
8.如权利要求7所述的一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条的制备方法，其特征在于，所述中间直径为Φ8mm。
9.如权利要求7所述的一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条的制备方法，其特征在于，所述焊芯的标准直径为Φ4mm。
10.如权利要求6所述的一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条的制备方法，其特征在于，所述（2）制备药皮的具体方式为：
将药皮各成分按所述重量百分数进行配比，将各成分混合均匀后，加入钾钠水玻璃，用焊条压涂机将药粉压涂在按上述过程制备的标准焊芯外表面制成药皮；然后再进行烘干。
11.如权利要求10所述的一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条的制备方法，其特征在于，所述药皮各成分包括雾化镁钙粉末，所述雾化镁钙粉末的制备方式为：
将镁粉和钙粉以一定的质量比混合，再在真空熔炼炉中将镁和钙混合粉末熔炼到液态，然后以真空雾化法制备成镁钙粉末。
12.如权利要求11所述的一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条的制备方法，其特征在于，所述镁粉和钙粉的质量比为98：2～90：10。
13.如权利要求12所述的一种焊接Fe-Mn-Al系低温钢用高锰型奥氏体焊条的制备方法，其特征在于，所述镁粉和钙粉的质量比为95：5。
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