CN103331532B - 一种堆焊用铁素体不锈钢气体保护焊药芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种堆焊用铁素体不锈钢气体保护焊药芯焊丝，由外用钢带和药芯组成，其中药芯占焊丝总重量的21.0～23.0％，外用钢带为铁素体不锈钢带，药芯的各组分占所述药芯的重量百分比为：微碳铬铁：9.0～14.0％，高氮铬铁：1.0～1.5％，电解金属锰：6.5～8.0％，铝铁：6.5～8.5％，钛铁：1.0～1.5％，金红石：25.0～26.5％，石英：1.0～3.0％，锆英砂：2.0～5.0％，长石：4.0～6.0％，冰晶石：1.0～1.5％，碳酸锂：1.0～1.5％，氧化铋：0.5～1.0％，其余为铁粉。本发明具有优良的焊接工艺性能，通过控制焊丝药芯中微碳铬铁和高氮铬铁的加入量，控制焊丝熔敷金属的铬含量和堆焊层的硬度，保证获得耐腐蚀性能优良、硬度适宜的铁素体不锈钢堆焊层，延长框架使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种堆焊用铁素体不锈钢气体保护焊药芯焊丝，不仅可用于连铸机扇形段框架、足辊支架等的堆焊，也可用于铁素体不锈钢的焊接，属于材料加工工程的焊接领域。
背景技术
连铸设备是我国冶金行业的重要设备。连铸设备的框架，如足辊支架、扇形段框架，是连铸设备的易损件之一。扇形段框架、足辊支架等在水及水蒸汽环境下工作，要求具有良好的耐水蒸汽腐蚀性能，同时也需要有一定的耐磨性，通常要求硬度在300HB～370HB之间。制造扇形段框架、足辊支架的材质为普通碳钢，其耐磨性和耐腐蚀性较差，常导致框架提前失效。为延长使用寿命，需在其表面堆焊一层厚度为3mm～5mm，且满足硬度要求的不锈钢，保证其耐腐蚀性能和耐磨性。
奥氏体不锈钢是最为常用的不锈钢，具有优良的耐腐蚀性能，但在碳钢表面堆焊的3mm～5mm的奥氏体不锈钢后，堆焊层的硬度不足200HB，不能满足框架耐磨性的要求。铁素体不锈钢是近年来得到广泛关注的新型不锈钢，使用状态下以铁素体组织为主，含铬量通常为11～30％，且不含贵重金属镍，更为经济。铁素体不锈钢具有导热系数大，耐热性好，抗腐蚀性能优良的特点，特别适用于耐大气、水蒸汽及氧化性酸腐蚀的零部件。因此铁素体不锈钢以其优良的耐腐蚀性能和低廉的成本获得广泛应用。综合考虑扇形段框架、足辊支架等框架构件的使用工况，在其表面堆焊一层铁素体不锈钢，是延长使用寿命的有效措施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种堆焊用铁素体不锈钢气体保护焊药芯焊丝，该药芯焊丝具有良好的焊接工艺性能，适用于连铸机扇形段框架、足辊支架等的堆焊，也可用于铁素体不锈钢的全位置焊接。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种堆焊用铁素体不锈钢气体保护焊药芯焊丝，由外用钢带和药芯组成，其中，药芯占焊丝总重量的21.0～23.0％，外用钢带为铬含量16.0～18.0％的430铁素体不锈钢带，药芯的各组分占所述药芯的重量百分比为：微碳铬铁：9.0～14.0％，高氮铬铁：1.0～1.5％，电解金属锰：6.5～8.0％，铝铁：6.5～8.5％，钛铁：1.0～1.5％，金红石：25.0～26.5％，石英：1.0～3.0％，锆英砂：2.0～5.0％，长石：4.0～6.0％，冰晶石：1.0～1.5％，碳酸锂：1.0～1.5％，氧化铋：0.5～1.0％，其余为铁粉。
所述药芯中各组分的性质分别为：
微碳铬铁：铬含量为65.0～70.0％，碳含量不大于0.03％。在药芯中所起的作用是向焊丝熔敷金属中提供金属元素铬及少量的碳元素，保证铁素体不锈钢堆焊层的耐腐蚀性和硬度。
高氮铬铁：铬含量为60.0～65.0％、氮含量为8.0％～10.0％的铁铬合金。高氮铬铁向焊丝熔敷金属中提供金属元素铬及氮元素，铬元素保证铁素体不锈钢堆焊层的耐腐蚀性和硬度，氮元素保证堆焊层的硬度。
电解金属锰：纯度大于99.5％的金属锰粉。其作用是向焊丝熔敷金属中提供金属元素锰，并起脱氧作用。
铝铁：铝含量为45.0～55.0％的铁铝合金。其作用为脱氧，并可提高铬、锰等合金元素的过渡系数。
钛铁：钛含量为20.0％～35.0％内的铁钛合金。其作用是脱氧，提高铬、锰等合金元素的过渡系数。钛铁参与合金元素脱氧反应后生成的氧化钛可参与造渣。
金红石：氧化钛TiO2含量大于95.0％。金红石是主要的造渣剂，可改善焊缝金属的脱渣性和成形质量，金红石量过少会导致焊道渣壳覆盖不全，熔池保护效果下降，但加入量过多会导致焊缝出现气孔压坑。
石英：氧化硅SiO2含量大于97.0％。石英是主要的造渣剂，增加熔渣的酸度，调整熔渣的粘度和氧化性，但加入量过多会增加熔敷金属中氧化物夹杂量，降低焊缝成形质量。
锆英砂：氧化锆ZrO2含量大于65.0％，氧化硅SiO2含量为30.0～34.0％。锆英砂是主要的造渣剂，调整熔渣的物理化学性能，改善焊缝金属的脱渣性，提高熔化系数。
长石：氧化钠Na2O和氧化钾K2O的总量不小于11.0％，氧化铝的含量为15.0～20.0％，氧化硅SiO2含量为63.0～72.0％。长石主要用于造渣，可调整焊接电弧质量，适量的长石可以提高电弧稳定性，而过多的长石会增加熔渣粘度，导致焊缝出现气孔压坑。
冰晶石：氟铝酸钠含量不低于95.0％。冰晶石可去氢，增加焊缝渣壳流动性，提高焊缝金属抗气孔能力。
碳酸锂：纯度大于98.0％。碳酸锂在焊接过程中分解为氧化锂和二氧化碳，提高焊缝金属的抗气孔能力。
氧化铋：纯度大于99.0％。氧化铋可提高焊缝金属的脱渣性。
本发明通过控制该焊丝药芯中的铬含量，进而控制焊丝熔敷金属的铬含量，以确保焊丝的使用性能。焊丝熔敷金属中的铬元素来自于焊丝外用钢带、焊丝药芯中的微碳铬铁和高氮铬铁。所述外用钢带优选为铬含量为16.0～18.0％的430铁素体不锈钢带。在外用钢带及药芯占焊丝比例确定的前提下，焊丝熔敷金属中的铬含量由药芯中微碳铬铁和高氮铬铁的加入总量决定。为保证铁素体不锈钢堆焊层的耐腐蚀性能，药芯中微碳铬铁和高氮铬铁的加入总量不得低于药芯重量的10.5％，此时堆焊层可形成耐腐蚀性能优良的铁素体组织，加入量过低则会导致堆焊层含铬量下降，形成以马氏体为主的组织，降低耐腐蚀性能；为兼顾铁素体不锈钢堆焊层的硬度和耐磨性能，药芯中微碳铬铁和高氮铬铁的加入总量也不得高于药芯重量的15.5％，加入量过高反而会使堆焊层硬度降低，损害其耐磨性能。因此，所述药芯中微碳铬铁和高氮铬铁的总量占药芯的重量百分比优选为10.5～15.5％。
优选地，本发明的堆焊用铁素体不锈钢气体保护焊药芯焊丝形成的熔敷金属中的铬含量在15.5～16.5％之间。
所述焊丝的直径在1.2mm～1.6mm之间。
上述堆焊用铁素体不锈钢气体保护焊药芯焊丝的制备步骤如下：
(1)按照所述药芯的配方配好药芯粉末(药粉)，将铁素体不锈钢带轧成U形，向U形槽内加入占焊丝总重量21.0～23.0％的药芯粉末；
(2)将U形槽合口后，依次进行轧制成型、拉拔减径处理，得到焊丝；
(3)对焊丝表面进行机械清理，得到所述铁素体不锈钢气体保护焊药芯焊丝。
本发明的优点在于：
对于扇形段框架、足辊支架等连铸机框架件，在其表面堆焊铁素体不锈钢时，首先需要保证框架表面的耐腐蚀性能(即含铬量要求)，并兼顾其耐磨性能，同时焊丝要具有良好的焊接工艺性能。
本发明通过控制铁素体不锈钢药芯焊丝药芯中微碳铬铁和高氮铬铁的加入量，控制焊丝熔敷金属的铬含量和堆焊层的硬度，保证获得耐腐蚀性能优良、硬度适宜的铁素体不锈钢堆焊层，延长框架使用寿命。通过控制铁素体不锈钢药芯焊丝药芯中矿物质组分及其比例，使其具有优良的焊接工艺性能。
采用本发明的堆焊用铁素体不锈钢气体保护焊药芯焊丝在连铸机扇形段框架或足辊支架表面堆焊3mm～5mm，堆焊层的硬度为300HB～370HB，满足使用要求。连铸机扇形段框架或足辊支架表面堆焊该铁素体不锈钢焊丝后，使用寿命显著提高。
本发明涉及的堆焊用铁素体不锈钢焊丝采用钛酸型渣系，焊接工艺性能优良，焊缝成形质量好，无气孔、裂纹、夹渣等冶金缺陷，使用100％CO2气体保护焊，可用于连铸机扇形段框架、足辊支架等的堆焊及铁素体不锈钢的全位置焊接。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明作进一步详细说明，但所列举的实施例并不用于限制本发明。
实施例1
选用厚度为0.4mm，宽度为10mm、重量为3762g的430铁素体不锈钢带，将其轧成U型，将95g微碳铬铁、10g高氮铬铁、70g电解金属锰、65g铝铁、10g钛铁、250g金红石、10g石英、20g锆英砂、40g长石、10g冰晶石、10g碳酸锂、5g氧化铋、405g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为21％，合口后经过多道减径，最终得到直径为φ1.2mm的成品焊丝。
实施例2
选用厚度为0.4mm，宽度为10mm、重量为3762g的奥氏体不锈钢带304L，将其轧成U型，将140g微碳铬铁、15g高氮铬铁、80g电解金属锰、85g铝铁、15g钛铁、265g金红石、30g石英、50g锆英砂、60g长石、13g冰晶石、14g碳酸锂、10g氧化铋、223g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为21％，合口后经过多道减径，最终得到直径为φ1.6mm的成品焊丝。
实施例3
选用厚度为0.4mm，宽度为10mm、重量为3545g的430铁素体不锈钢带，将其轧成U型，将120g微碳铬铁、13g高氮铬铁、75g电解金属锰、70g铝铁、12g钛铁、260g金红石、20g石英、40g锆英砂、50g长石、10g冰晶石、12g碳酸锂、8g氧化铋、310g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为22％，合口后经过多道减径，最终得到直径为φ1.6mm的成品焊丝。
实施例4
选用厚度为0.4mm，宽度为10mm、重量为3545g的430铁素体不锈钢带，将其轧成U型，将130g微碳铬铁、12g高氮铬铁、80g电解金属锰、80g铝铁、15g钛铁、265g金红石、25g石英、42g锆英砂、45g长石、12g冰晶石、12g碳酸锂、8g氧化铋、274g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为22％，合口后经过多道减径，最终得到直径为φ1.2mm的成品焊丝。
实施例5
选用厚度为0.4mm，宽度为10mm、重量为3347g的430铁素体不锈钢带，将其轧成U型，将100g微碳铬铁、10g高氮铬铁、70g电解金属锰、65g铝铁、10g钛铁、255g金红石、15g石英、20g锆英砂、45g长石、10g冰晶石、10g碳酸锂、6g氧化铋、384g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为23％，合口后经过多道减径，最终得到直径为φ1.6mm的成品焊丝。
实施例6
选用厚度为0.4mm，宽度为10mm、重量为3347g的430铁素体不锈钢带，将其轧成U型，将135g微碳铬铁、15g高氮铬铁、75g电解金属锰、80g铝铁、15g钛铁、265g金红石、30g石英、45g锆英砂、56g长石、12g冰晶石、13g碳酸锂、9g氧化铋、250g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为23％，合口后经过多道减径，最终得到直径为φ1.2mm的成品焊丝。
对比例1
选用厚度为0.4mm，宽度为10mm、重量为3545g的430铁素体不锈钢带，将其轧成U型，将160g微碳铬铁、15g高氮铬铁、80g电解金属锰、80g铝铁、15g钛铁、265g金红石、25g石英、42g锆英砂、45g长石、12g冰晶石、12g碳酸锂、8g氧化铋、241g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为22％，合口后经过多道减径，最终得到的直径为φ1.2mm成品焊丝。
对比例2
选用厚度为0.4mm，宽度为10mm、重量为3545g的430铁素体不锈钢带，将其轧成U型，将70g微碳铬铁、10g高氮铬铁、75g电解金属锰、70g铝铁、12g钛铁、260g金红石、20g石英、40g锆英砂、50g长石、10g冰晶石、12g碳酸锂、8g氧化铋、363g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为22％，合口后经过多道减径，最终得到直径为φ1.6mm的成品焊丝。
对比例3
选用厚度为0.4mm，宽度为10mm、重量为3347g的430铁素体不锈钢带，将其轧成U型，将80g微碳铬铁、70g电解金属锰、65g铝铁、10g钛铁、255g金红石、15g石英、20g锆英砂、45g长石、10g冰晶石、10g碳酸锂、6g氧化铋、414g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为23％，合口后经过多道减径，最终得到直径为φ1.6mm的成品焊丝。
对比例4
选用厚度为0.4mm，宽度为10mm、重量为3545g的430铁素体不锈钢带，将其轧成U型，将110g微碳铬铁、30g高氮铬铁、75g电解金属锰、70g铝铁、12g钛铁、260g金红石、20g石英、40g锆英砂、50g长石、10g冰晶石、12g碳酸锂、8g氧化铋、303g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为22％，合口后经过多道减径，最终得到直径为φ1.2mm的成品焊丝。
对比例5
选用厚度为0.4mm，宽度为10mm、重量为3762g的奥氏体不锈钢带304L，将其轧成U型，将140g微碳铬铁、15g高氮铬铁、80g电解金属锰、85g铝铁、15g钛铁、300g金红石、30g石英、50g锆英砂、60g长石、10g冰晶石、15g碳酸锂、10g氧化铋、190g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为21％，合口后经过多道减径，最终得到直径为φ1.6mm的成品焊丝。
对各实施例及对比例性能的评价：
鉴于药芯焊丝焊接工艺性能评定尚无统一标准，借用JB/T8423《电焊条焊接工艺性能评定方法》对不锈钢药芯焊丝的焊接工艺性能进行评价；同时在连铸机扇形段框架、足辊支架表面堆焊本发明的铁素体不锈钢药芯焊丝，堆焊层厚度为3mm，并测试堆焊层表面硬度；最后用化学分析方法测定焊丝熔敷金属的铬含量。
各实施例及对比例的效果对比如表1所示：
表1各实施例及对比例的焊丝性能评价
如表1所示，对于药粉中微碳铬铁、高氮铬铁总量占药粉比例大于15.5％的对比例1，其焊缝熔敷金属的含铬量为16.80％，耐腐性性能优良，但其硬度仅为280HB，耐磨性较差；对于药粉中微碳铬铁、高氮铬铁总量占药粉比例小于10.5％的对比例2，其焊缝熔敷金属的含铬量为15.20％，导致堆焊层的含Cr量偏低，其硬度超过370HB，达423HB，耐腐性能较差；对于药粉中不含高氮铬铁，微碳铬铁占药粉比例小于10.5％的对比例3，焊缝熔敷金属的含铬量偏低，为15.19％，耐腐蚀性较差；且由于缺少强化元素氮，堆焊层硬度低于对比例2，但仍高于硬度要求值，将影响与之对磨的零件的使用寿命；对于药粉中高氮铬铁加入量超过1.5％的对比例4，由于高碳铬铁加入量过高，氮元素的存在增加了熔敷金属的硬度，同时也提高了焊缝金属气孔倾向；对于药粉中金红石加入量超过26.5％的对比例5，焊缝气孔倾向显著高于实施例和其他对比例。
实施例1～6所制的本发明药芯焊丝，其焊接工艺性好，焊缝气孔倾向低，熔敷金属的含铬量在15.5～16.5％之间，堆焊层硬度在300HB～370HB之间，满足耐腐蚀性和耐磨性的要求，综合性能显著优于对比例1～5。
Claims (6)
1.一种堆焊用铁素体不锈钢气体保护焊药芯焊丝，由外用钢带和药芯组成，外用钢带为铁素体不锈钢带，其特征在于，药芯占焊丝总重量的21.0～23.0％，药芯的各组分占所述药芯的重量百分比为：微碳铬铁：9.0～14.0％，高氮铬铁：1.0～1.5％，电解金属锰：6.5～8.0％，铝铁：6.5～8.5％，钛铁：1.0～1.5％，金红石：25.0～26.5％，石英：1.0～3.0％，锆英砂：2.0～5.0％，长石：4.0～6.0％，冰晶石：1.0～1.5％，碳酸锂：1.0～1.5％，氧化铋：0.5～1.0％，其余为铁粉。
2.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述外用钢带为铬含量为16.0～18.0％的430铁素体不锈钢带。
3.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述微碳铬铁中铬含量为65.0～70.0％，碳含量不大于0.03％；所述高氮铬铁为铬含量为60.0～65.0％、氮含量为8.0％～10.0％的铁铬合金。
4.根据权利要求3所述的药芯焊丝，其特征在于，所述药芯中微碳铬铁和高氮铬铁的总量占药芯的重量百分比为10.5～15.5％。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝熔敷金属中铬的含量为15.5～16.5％。
6.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝的直径在1.2mm～1.6mm之间。
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