CN104745943B - 一种熔堆的耐热金属及其埋弧熔敷制备方法 - Google Patents

Abstract

一种熔堆的耐热金属，其组分及wt%为：C0.05~0.10，Mn0.45~0.75，P≤0.020，S≤0.012，Si0.25~0.45,Cr1.25~1.45,Mo0.55~0.70,Al≤0.030,N≤0.015，Ti0.005~0.020；制备方法：将埋弧焊丝与经烘烤过的碱性焊剂配合使用，在厚度不低于25mm的两钢板端之间进行埋弧焊接；且每熔堆一层则用木锤敲击其表面，如此往复直至熔堆至需要规格；将钢板予以切除后进行热处理。本发明采用焊丝加碱性焊剂，通过埋弧方式，直接得到了不同成分且具有耐热性能的1.25%Cr‑0.5%Mo系金属，再进行热处理，使熔堆制备的金属性能与轧制件或锻件相同。

Description

一种熔堆的耐热金属及其埋弧熔敷制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐热金属及其埋弧熔敷制备工艺，具体地说用埋弧焊丝及埋弧焊接方法进行熔敷制造，主要组织特征为针状铁素体，其特别适用于制备适应温度在-20~550℃、6~15mm直径的圆形件或宽度为6~15mm的矩形件。

背景技术

耐热钢杆件材料应用范围较广，如用于小型热处理炉、焊材烘箱等装置中的耐热金属支撑杆制作等。耐热钢主要有1.25%Cr-0.5%Mo、2.25%Cr-1.0%Mo等，其组织通常为珠光体，传统的制造方法为钢冶炼、棒轧制等工序，要求专用的冶炼及轧制设备，设备投资大，不适应小批量、多规格及短尺寸需求。

增材制造(AM)是一种零件制造新工艺，具有满足上述需求的特点。目前，增材制造主要方法是激光AM、电子束AM，主要适应于小型精密零件的制作。电弧AM方面，有用钨极氩弧焊(GTAW)及熔化极气体保护焊(GMAW)进行的。GTAW及GMAW易于采用机器臂控制，且可以实现平、立、仰多工位操作。只不过其用的细丝(Ф1.2mm以内)制作成本较高，且工作时由于是明弧，且释放保护气体，导致工作环境恶劣。

埋弧焊(SAW)效率高于GTAW及GMAW，但一般情况下只用于水平位置操作，所以目前在要求全位置AM制造方面往往不予考虑。但SAW有其优点，其优点在于：使用的熔丝较粗，一般在Ф4mm以上，制丝难度较低，且为暗弧，熔敷效率高。不释放保护气体，使工作条件改善，因此采用埋弧AM制造小批量杆件的方法值得研究。由于熔敷金属为铸态结构，增制金属的性能取决于其成分。要想得到与轧制件或锻件相同的性能，需要对通过熔丝及焊剂的匹配得到相应成分与性能的AM金属进行研究，以满足使用要求。所以开展了本技术的研究，并取得了较好的效果。

经检索，现有文献主要涉及耐热钢的焊接，如一种低合金耐热钢埋弧焊丝（申请号CN200810046589.3）的文献，并未将熔敷金属作为工件的基体金属使用，同时熔敷金属性能还不理想。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种采用埋弧熔敷法制备耐热金属，其耐热金属使用温度为-20~550℃，且焊态常温抗拉强度在630~780MPa，-20℃KV₂冲击韧性焊态在45~110J；经热处理后抗拉强度在565~680MPa，-20℃KV₂冲击韧性在53~126J，360℃高温强度达到550MPa以上。

实现上述目的的措施：

一种熔堆的耐热金属，其组分及重量百分比含量为：C0.05~0.10，Mn0.45~0.75，P≤0.020，S≤0.012，Si0.25~0.45, Cr1.25~1.45, Mo0.55~0.70, Al≤0.030, N≤0.015，Ti0.005~0.020，其余为铁及不可避免的杂质；金相组织为不低于70%的针状铁素体，余为共析铁素体；力学性能为：焊态常温抗拉强度在630~780MPa，-20℃KV₂冲击韧性焊态在45~110J；经热处理后抗拉强度在565~680MPa，-20℃KV₂冲击韧性在53~126J，360℃高温强度达到550MPa以上。

一种熔堆的耐热金属的埋弧熔敷制备方法，其步骤：

1）将埋弧焊丝与经烘烤过的碱性焊剂配合使用，在厚度不低于25mm的两钢板端之间进行埋弧焊接，其焊接电流为550~650A，电压为27~30V，焊接速度为38~45cm/min，层间温度控制为130~170℃；且每熔堆一层则全层用木锤敲击其表面，如此往复，直至熔堆至设定需要规格；

2）将熔堆的金属两侧的钢板予以切除，并在温度为700~720℃下进行热处理，处理时间为60~120min。

其在于：所述的埋弧焊丝的组分及重量百分比含量为：C0.08~0.16%，Mn0.40~0.80%，Si0.10~0.30 %，Mo0.55~0.70%，Cr1.30~1.50%，P≤0.015%，S≤0.012%，Ti0.04~0.12%，Al≤0.030%，N≤0.010%，其余为铁及不可避免的杂质。

其在于：焊剂的烘烤温度为350~400℃，烘烤时间为90~120min小时。

由于埋弧焊(SAW)较适用于水平位置操作，杆件长度方向的尺寸远大于横向尺寸，熔敷时容易产生变形。因此，在用埋弧AM操作时，需将工件置水平位置，且对工件采取防变形措施。

经过大量实验研究，采用本发明中的焊丝，再匹配以碱性焊剂，及采用埋弧方法，直接得到了不同成分且具有耐热性能的1.25%Cr-0.5%Mo系金属，再进行适当的热处理，使其熔堆制备的金属的性能与轧制件或锻件相同。

由于熔敷金属为铸态结构，与常规制钢工艺有很大区别，要达到与钢种相当的力学性能，化学成分与组织均与钢板将有所不同。

本发明主要合金元素对熔逋金属性能影响分析如下：

C：当C含量低于0.05%时，熔敷金属强度较低；当C含量高于0.10%时，熔敷金属韧性下降，故将其控制在0.05~0.10 %。

Si：对熔敷金属有强化作用，但当Si含量高于0.45%时，会影响韧性，降低抗裂性能。

Mn：是熔敷金属强韧化的有效元素，防止引起热裂纹的铁硫化物的形成，当其含量低于0.45%时，会影响熔敷金属强度；当其含量高于0.75%时，会影响熔敷金属韧性。故将其限定在0.45~0.75%。

Cr：是一种有效的强化元素，并有细化铁素体晶粒的作用，能提高焊缝耐蚀性能及耐热性能，当其含量低于1.25%时，会影响熔敷金属耐热性能；当其含量高于1.40%时，会降低焊缝的韧性。故将其限定在1.25~1.45%。

Mo：是一种有效的强化元素，并有细化铁素体晶粒的作用，提高焊缝热处理性能、耐蚀性能及耐热性能，当其含量低于0.55%时，会影响熔敷金属耐热性能；当其含量高于0.70%时，会降低焊缝的韧性。故将其限定在0.55~0.70%。

另外，微量的Al、Ti有利于在熔敷金属中形成细小的氧化物夹杂，细化晶粒，提高熔敷金属的常温及高温强度、低温韧性。

本发明所制备的熔堆金属使用温度为-20~550℃，且焊态常温抗拉强度在630~780MPa，-20℃KV₂冲击韧性焊态在45~110J；经热处理后抗拉强度在565~680MPa，-20℃KV₂冲击韧性在53~126J，具有良好的韧性，焊接时及焊后工件的变形也小。

本发明之所以在进行埋弧焊接时，控制焊接电流为550~650A，电压为27~30V，焊接速度为38~45cm/min，层间温度控制为130~170℃，且每熔堆一层则全层用木锤敲击其表面，是因为这样的焊接参数具有熔敷效率高、焊道成形好、微观组织合适及抗裂性良好等综合效果。

附图说明

附图 熔堆金属的金相组织。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明熔堆金属各实施例及对比例的组分列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例埋弧焊丝的化学成分列表；

表4为本发明各实施例配用的焊剂组成列表；

表5为本发明各实施例焊后熔堆金属的性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1）将埋弧焊丝与经烘烤过的碱性焊剂配合使用，在厚度不低于25mm的两钢板端之间进行埋弧焊接，其焊接电流为550~650A，电压为27~30V，焊接速度为38~45cm/min，层间温度控制为130~170℃；且每熔堆一层则全层用木锤敲击其表面，如此往复，直至熔堆至设定需要规格；

2）将熔堆的金属两侧的钢板予以切除，并在温度为700~720℃下进行热处理，处理时间为60~120min。

表1 本发明熔堆金属各实施例及对比例的化学成分列表（wt%）

注：Al≤0.030, N≤0.015，Ti0.005~0.020

表2 本发明实施例及对比例埋弧焊接工艺取值列表

表2中的焊丝及焊剂的情况见表3及表4。

表3 本发明各实施例及对比例埋弧焊丝的化学成分列表（wt%）

表4 配用的焊剂组成

表4匹配SJ105、SJ101等三种氟钙型弱碱性烧结焊剂，其总体组成为SiO₂≤20%，（CaO+MgO+MnO+CaF₂) 不低于50%，CaF₂不低于15%。

表5 本发明各实施例焊后熔堆金属的性能检测情况列表

实施例1~10采用了不同焊丝及焊剂组合，其熔堆金属均有较好的强度及冲击韧性。C含量均有一定下降，但对同一焊丝，匹配不同焊剂时熔堆金属C的降低程度不一样。Mn的含量也是如此。对于同一焊丝，匹配不同焊剂时熔堆金属Cr及Mo的含量变化不大。所以在实际使用时，可根据需要进行不同成分焊丝及不同焊剂组合。对比例1中，由于焊丝中C的含量低于本发明的下限，且其它合金元素含量也不高，造成了熔堆金属强度偏低；对比例2中，由于焊丝中C及Cr的含量高于本发明的上限，在其它合金元素含量相同下，则熔堆金属韧性偏低。

将熔堆金属从试板上切下，制作成了直径为6~15mm或6~15mm矩形，长度600mm以内。将这些杆件用作焊材烘箱的内部支撑件，使用温度为-20~550℃。在放置试板时，能承受试板的冲击；在烘箱工作时，高温状态下，支撑件长时间不变形。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (3)

1.一种熔堆的耐热金属，其组分及重量百分比含量为：C0.05~0.10，Mn0.45~0.75，P≤0.020，S≤0.012，Si0.38~0.45，Cr1.25~1.45, Mo0.55~0.70, Al≤0.030, N≤0.015，Ti0.005~0.020，其余为铁及不可避免的杂质；金相组织为不低于70%的针状铁素体，余为共析铁素体；力学性能为：焊态常温抗拉强度在630~780MPa，-20℃KV₂冲击韧性焊态在45~110J；经热处理后抗拉强度在565~680MPa，-20℃KV₂冲击韧性在53~126J，360℃高温强度达到550MPa以上。

2.一种熔堆的耐热金属的埋弧熔敷制备方法，其步骤：

1）将埋弧焊丝与经烘烤过的碱性焊剂配合使用，在厚度不低于25mm的两钢板端之间进行埋弧焊接，其焊接电流为600~660A，电压为27~30V，焊接速度为38~45cm/min，层间温度控制为130~170℃；且每熔堆一层则全层用木锤敲击其表面，如此往复，直至熔堆至设定需要规格；

所述的埋弧焊丝的组分及重量百分比含量为：C0.08~0.16%，Mn0.40~0.80%，Si0.10~0.30 %，Mo0.55~0.70%，Cr1.30~1.50%，P≤0.015%，S≤0.012%，Ti0.04~0.12%，Al≤0.030%，N≤0.010%，其余为铁及不可避免的杂质；

2）将熔堆的金属两侧的钢板予以切除，并在温度为700~720℃下进行热处理，处理时间为60~120min。

3.如权利要求2所述的一种熔堆的耐热金属的埋弧熔敷制备方法，其特征在于：焊剂的烘烤温度为380~400℃，烘烤时间为90~120min。