CN104511700A

CN104511700A - 一种镍基合金焊丝及其制备方法

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Publication number: CN104511700A
Application number: CN201310447404.0A
Authority: CN
Inventors: 王宝森; 朱双春; 许轲; 吴巍
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2015-04-15

Abstract

本发明提供一种镍基合金焊丝及其制备方法，所述镍基合金焊丝化学成分按质量百分比为：C：0.001-0.05%，Mn：0.001-0.5%，Si：0.001-0.5%，Cr：15-17%，Nb+Ta：2-3%，Fe：7-8%，S：0-0.01％，P：0-0.01%，余为Ni，以及其他不可避免的杂质元素。该产品应用具有耐热、耐腐蚀要求的镍基合金构件的焊接，或者在碳钢、低合金钢表面堆敷，形成复合堆焊层，提高或者延长碳钢管道的特殊性能要求，本发明成分体系的焊丝熔敷金属力学性能如下：屈服强度（σ_s）≥570MPa、抗拉强度（σ_b）≥780MPa、延伸率（δ）≥40%、冲击韧性（A_KV，20℃）≥110J/cm²。

Description

一种镍基合金焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料和工艺领域，具体涉及一种镍基合金焊丝及其制备方法。

背景技术

镍基合金焊丝标准ERNiCrMo-3成分为：C≤0.1%，Mn≤0.5%，Si≤0.5%，Cr20-23%，Al≤0.4%，Ti≤0.4%，Nb+Ta3.15-4.15%，Fe≤5%，Ni≥58%，Cu≤0.5%，Mo8-10%,S≤0.015%，P≤0.02%，以及其他不可避免的杂质元素（在ASME标准中5.14（Specification for Nickel and Nickel Alloy Bare Welding Electrodes and Rods））。

中国专利号为“94102564”给出的是一种镍基合金，其化学成分（重量％）为：Cr20～35％，Cu（或Si）0.5～1.5％，RE（稀土）0.01～0.3％，C0.01～0.2％，Fe＜2％，余为Ni。1200℃高温下仍具有良好的高温抗氧化性和耐熔融玻璃腐蚀性，主要用于制造电偶丝。

中国专利号为“200910076328.0”提供一种薄层铁镍基合金碳钢复合管焊接方法，在复合管端部加工台阶；在台阶表面采用氩弧焊堆焊和修磨堆焊层；加工坡口；采用钨极氩弧焊沿焊缝管周均匀点焊三点定位，采用钨极氩弧焊在根部打底焊；采用手工电弧焊在第二层打底焊上部进行填充焊接和盖面焊接；焊接材料化学成分重量百分比为C：0.02～0.1％，Si：0.2～1.0％，Mn：1.0～2.2％，Cr：20.0～31.5％，Ni：40.0～60.0％，Mo：8.0～14.5％，Cu：0.5～2.5％，Co：0～5.0％，Nb：0.3～4.2％，剩余量为Fe。

中国专利号为“200710096144.1”提供一种焊接超合金部件的方法，所述方法包括：(a)在所述部件的界面处形成焊接预制沟槽；(b)在环境温度下使用填充材料焊接所述部件；(c)用钎料膏覆盖所述填充材料和所述部件的相邻表面；并且(d)对所述部件进行热处理，所述热处理包括应力消除周期和钎焊周期。可采用相似的工艺修补镍基超合金部件中的裂纹。

中国专利号“200910019982.8”提供一种高镍合金与不锈钢异种金属间的焊接方法，采用脉冲钨极氩弧焊，其焊接工艺参数为：基值电流20A～50A、脉冲电流28A～60A、脉冲持续时间5s～10s、脉冲频率35Hz～75Hz，焊接电压8V～12V，焊接速度1.0mm/s～2.6mm/s，惰性气体流量5L/min～12L/min，焊枪喷嘴离工件的距离5mm～10mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是70°～85°。采用本发明所述的方法，焊接效率高，成本低，操作方便灵活，可获得无裂纹、无气孔等缺陷的焊接接头，能够满足高镍铸造合金与奥氏体不锈钢异种复合结构的使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镍基合金焊丝及其制备方法，该镍基合金焊丝主要可用于镍基合金体系中耐热、耐腐蚀合金的焊接及焊接制造中Ni-Cr、Ni-Cr-Mo合金材料与碳钢、不锈钢等异种钢的焊接使用，可用于具有防腐蚀、高温强度要求的石油、煤化工、造纸等行业；本发明提供的镍基合金焊丝具有如下性能指标：屈服强度（σ_s）≥570MPa、抗拉强度（σ_b）≥780MPa、延伸率（δ）≥40%、冲击韧性（A_KV，20℃）≥110J/cm²。

本发明焊丝也可以用于碳钢或者低合金高强钢表面的腐蚀层堆焊，以降低整体管材或者板材的造价，同时获得具有一定抗腐蚀性能要求的构件，延长整体设备的服役周期。

本发明的技术解决方案如下：

本发明提供一种镍基合金焊丝，其特征在于：其化学成分按质量百分比为：C：0.001-0.05%，Mn：0.001-0.5%，Si：0.001-0.5%，Cr：15-17%，Nb+Ta：2-3%，Fe：7-8%，S：0-0.01％，P：0-0.01%，余为Ni，以及其他不可避免的杂质元素。

根据本发明提供的镍基合金焊丝，优选的是，所述C按质量百分比为：0.02-0.04%。

根据本发明提供的镍基合金焊丝，优选的是，所述Mn按质量百分比为：0.04-0.09%。

根据本发明提供的镍基合金焊丝，优选的是，所述Cr按质量百分比为：15.5-16.8%。

根据本发明提供的镍基合金焊丝，优选的是，所述Nb+Ta按质量百分比为：2.48-2.85%。

根据本发明提供的镍基合金焊丝，优选的是，所述Si按质量百分比为：0.03-0.08%。

根据本发明提供的镍基合金焊丝，优选的是，所述Fe按质量百分比为：7.13-7.65%。

根据本发明提供的镍基合金焊丝，优选的是，所述镍基合金焊丝的屈服强度≥570MPa。

根据本发明提供的镍基合金焊丝，优选的是，所述镍基合金焊丝的抗拉强度≥780MPa。

根据本发明提供的镍基合金焊丝，优选的是，所述镍基合金焊丝的延伸率≥40%。

根据本发明提供的镍基合金焊丝，优选的是，所述镍基合金焊丝的冲击韧性≥110J/cm²。

本发明还提供一种镍基合金焊丝的制备方法，包括如下步骤：经配料，冶炼，锻造，热轧，酸洗后得到盘圆，再经拉拔得到镍基合金焊丝；其特征在于，

所述的拉拔步骤为：

（1）将得到的盘圆进行1050℃～1080℃的固溶处理，水冷；

（2）根据拉拔工艺，中间进行2～3次消除应力处理，消除应力处理温度为890℃～910℃，快速冷却；

（3）拉拔形成本发明镍基合金焊丝成品；

所述配料按如下成分组成的质量百分比配料C：0.001-0.05%，Mn：0.001-0.5%，Si：0.001-0.5%，Cr：15-17%，Nb+Ta：2-3%，Fe：7-8%，S：0-0.01％，P：0-0.01%，余为Ni，以及其他不可避免的杂质元素。

根据本发明提供的镍基合金焊丝的制备方法，优选的是，所述盘圆的的直径为5.5～6.5mm。

根据本发明提供的镍基合金焊丝的制备方法，优选的是，所述镍基合金焊丝成品的屈服强度≥570MPa、抗拉强度≥780MPa、延伸率≥40%、冲击韧性≥110J/cm²。

根据本发明提供的镍基合金焊丝的制备方法，优选的是，所述C按质量百分比为：0.02-0.04%。

根据本发明提供的镍基合金焊丝的制备方法，优选的是，所述Mn按质量百分比为：0.04-0.09%。

根据本发明提供的镍基合金焊丝的制备方法，优选的是，所述Cr按质量百分比为：15.5-16.8%。

根据本发明提供的镍基合金焊丝的制备方法，优选的是，所述Nb+Ta按质量百分比为：2.48-2.85%。

根据本发明提供的镍基合金焊丝的制备方法，优选的是，所述Si按质量百分比为：0.03-0.08%。

根据本发明提供的镍基合金焊丝的制备方法，优选的是，所述Fe按质量百分比为：7.13-7.65%。

本发明提供的焊丝的化学成分（质量%）为：C0.001-0.05%，Mn0.001-0.5%，Si0.001-0.5%，Cr15-17%，Nb+Ta2-3%，Fe7-8%，S0-0.01％，P0-0.01%，余为Ni，以及其他不可避免的杂质元素，并基于上述成分体系下的焊丝制造工艺（采用5.5mm盘元）：（1）固溶处理1050℃，水冷；（2）消除应力处理890～910℃，快速冷却，形成一定规格的焊丝成品。

本发明各元素的作用：

C:耐热高温镍基合金体系中主要的强化元素之一，因此焊丝成分体系中一定C含量是必不可少的。本焊丝合金体系中腐蚀性能的保证是依靠固溶在基体中的Cr含量，过高的C含量，在熔池高温熔融状态下将与Cr结合，形成M₂₃C₆碳化物，无疑会降低基体中Cr的浓度，使金属的腐蚀性能下降。此外，间隙原子C是镍基合金产生热裂纹的主要影响元素之一，为了避免或者降低焊缝金属热裂纹的敏感性，保证强度的同时，综合考虑需控制C含量在0.05%以内。

Cr：本焊丝成分体系中耐高温腐蚀性能的主要元素之一，因此本专利设计成分体系中，当Cr含量大于15%，既可以在高温合金表面形成致密而粘附性好的Cr₂O₃氧化膜，该氧化膜对于合金的抗氧化和耐热腐蚀非常重要。但是过高的Cr含量，一旦与固溶在基体中C元素结合形成碳化物，将对合金的腐蚀性能产生影响。

Ni：本发明焊丝成分体系中的基本元素，主要是利用其固溶强化型奥氏体基体的作用，同时结合其他成分元素固溶在基体中，固溶或者析出强化，从而满足本焊丝成分设计的高强、耐蚀作用。

Fe：在以Ni为基的奥氏体基体中，由于其晶格常数与Ni相差3%，因此将晶格膨胀引起长程应力场，阻碍位错运动，同时可以降低镍基奥氏体的堆垛层错能，利于屈服强度的提高，固溶强化作用明显。由于Fe的价格便宜，可以降低本焊丝的造价成本。但也不能大量使用Fe元素，否则将降低本焊丝的腐蚀性能。

Nb：利用其典型的在奥氏体基体中固溶强化作用，Nb原子的半径比Ni、Fe的大15%～18%，所以一定量的Nb含量对提高焊丝成分体系的抗拉强度非常重要。但Nb含量过高，将与固溶基体中C结合形成MC型碳化物，不利于有效提高或者改善熔敷金属的高温强度性能。

焊丝的制造是采用一定尺寸的盘元，利用拉拔工艺，进行成品焊丝的生产，合理的拉拔工艺对于最终的焊丝强度以及送丝稳定性非常重要，本焊丝进行拉拔的主要工艺控制参数为：

盘圆进行1050℃的固溶处理，水冷；

中间可进行多次消除应力处理，温度为890～910℃，快速冷却；

最终一次拉拔形成目标规格的焊丝成品。

本发明有益的技术效果：

本发明提供的镍基合金焊丝及其制备方法可以应用具有耐热、耐腐蚀要求的镍基合金构件的焊接，或者在碳钢、低合金钢表面堆敷，形成复合堆焊层，提高或者延长碳钢管道的特殊性能要求，本发明成分体系的焊丝熔敷金属力学性能如下：屈服强度（σ_s）≥570MPa、抗拉强度（σ_b）≥780MPa、延伸率（δ）≥40%、冲击韧性（A_KV，20℃）≥110J/cm²。本发明提供的镍基合金焊丝主要可用于镍基合金体系中耐热、耐腐蚀合金的焊接及焊接制造中Ni-Cr、Ni-Cr-Mo合金材料与碳钢、不锈钢等异种钢的焊接使用，可用于具有防腐蚀、高温强度要求的石油、煤化工、造纸等行业。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

按照本发明提供一种镍基合金焊丝，其化学成分按质量百分比为：C：0.001-0.05%，Mn：0.001-0.5%，Si：0.001-0.5%，Cr：15-17%，Nb+Ta：2-3%，Fe：7-8%，S：0-0.01％，P：0-0.01%，余为Ni，以及其他不可避免的杂质元素的成分范围配料，（见表1）。经过冶炼、轧制、拉拔等工序制造的焊丝的直径为0.9～1.6mm。采用钨极氩弧焊的方法进行熔敷金属性能测试，相应的焊接工艺参数见表2。得到相应的性能见表3。

表1实例焊丝成分（％）

表2焊接工艺参数

表3熔敷金属性能

Claims

1.一种镍基合金焊丝，其特征在于：其化学成分按质量百分比为：C：0.001-0.05%，Mn：0.001-0.5%，Si：0.001-0.5%，Cr：15-17%，Nb+Ta：2-3%，Fe：7-8%，S：0-0.01％，P：0-0.01%，余为Ni，以及其他不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的镍基合金焊丝，其特征在于，所述C按质量百分比为：0.02-0.04%。

3.根据权利要求1所述的镍基合金焊丝，其特征在于，所述Mn按质量百分比为：0.04-0.09%。

4.根据权利要求1所述的镍基合金焊丝，其特征在于，所述Cr按质量百分比为：15.5-16.8%。

5.根据权利要求1所述的镍基合金焊丝，其特征在于，所述Nb+Ta按质量百分比为：2.48-2.85%。

6.根据权利要求1所述的镍基合金焊丝，其特征在于，所述镍基合金焊丝的屈服强度≥570MPa、抗拉强度≥780MPa、延伸率≥40%。

7.根据权利要求1所述的镍基合金焊丝，其特征在于，所述镍基合金焊丝的冲击韧性≥110J/cm²。

8.一种权利要求1所述的镍基合金焊丝的制备方法，包括如下步骤：经配料，冶炼，锻造，热轧，酸洗后得到盘圆，再经拉拔得到镍基合金焊丝；其特征在于，

所述的拉拔步骤为：

（1）将得到的盘圆进行1050℃～1080℃的固溶处理，水冷；

（2）根据拉拔工艺，中间进行2～3次消除应力处理，所述消除应力处理温度为890℃～910℃，快速冷却；

（3）拉拔形成镍基合金焊丝；

9.根据权利要求8所述的镍基合金焊丝的制备方法，其特征在于，所述盘圆的直径为5.5～6.5mm。

10.根据权利要求8所述的镍基合金焊丝的制备方法，其特征在于，所述镍基合金焊丝的屈服强度≥570MPa、抗拉强度≥780MPa、延伸率≥40%、冲击韧性≥110J/cm²。