CN105728989A - 一种高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝及其制备方法。本发明药芯焊丝由碳钢冷轧钢带和药芯制成，药芯组成为(质量百分比计)：金红石25～40％，石英砂3～7％，镁砂1～3％，硅铝酸盐3～12％，氟化钠1～4％，氧化钠1～3％，低碳锰铁5～15％，硅铁3～7％，Ni 2.5～5.5％，Cr 2.5～7％，Cu 1～3％，钛铁1.5～5.5％，钼铁和钒铁≤3％，其余为铁粉。本发明的药芯焊丝采用100％CO₂作为保护气体进行焊接，具有良好的焊接工艺性，?40℃低温冲击吸收功大于60J，且具有良好的耐大气腐蚀性能，能满足屈服强度450MPa级耐大气腐蚀钢的焊接。

Description

一种高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及气体保护药芯焊丝材料领域，具体涉及一种高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝及其制备方法。

背景技术

铁路是我国国民经济的大动脉，全国85％的木材、85％的原油、80％的钢铁和60％的煤炭等物资由铁路运输完成。然而，由于铁路货运环境条件比较恶劣，承担运输物资的车辆常年在雨、雪、水和灰尘等大气腐蚀环境下运营，车辆钢结构的腐蚀问题非常突出。20世纪80年代以前，铁路货车主要采用普通碳素钢，抗大气腐蚀能力差，使用寿命短。

为提高车辆的耐大气腐蚀性能，延长产品检修周期和使用寿命，上世纪90年代成功研制出屈服强度为345MPa的Cu-P系和Cu-P-Cr-Ni系耐候钢。2003年成功开发出屈服强度为450MPa的高强度耐大气腐蚀钢。近年来，为进一步提高铁路货车用钢耐大气性能，研制出新型耐大气腐蚀钢，如鞍钢研制出的S450AW耐大气腐蚀钢已成功应用于国内新一代80t级铁路货车的制造。

目前，国内耐大气腐蚀钢焊接主要采用气体保护实心焊丝和焊条手工电弧焊。采用气体保护实心焊丝存在焊接飞溅大、焊缝成型不良等不足。实心焊丝焊接过程中产生的大量焊接飞溅很容易造成焊后清理飞溅工作强度大，如不能彻底清除飞溅，又会导致车体表面油漆涂装效果不良。同时实心焊丝化学成分调配困难，不易保证焊缝的耐大气腐蚀性能和良好的力学性能。手工焊条虽成分调配方便，但不能实现自动化焊接，焊接效率低，劳动强度大，生产成本高。

药芯焊丝兼具气体保护实心焊丝和焊条两者的优点，易实现高效的半自动和自动焊生产，通过合理调配药芯成分，使药芯焊丝焊接电弧稳定，焊接飞溅小，焊缝成型美观，容易获得良好的焊缝力学性能和耐大气腐蚀等性能，是近年来焊接材料发展的主要方向。

发明内容：

本发明目的在于提供一种低温冲击韧性和耐大气腐蚀性能良好的高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝及其制备方法。

本发明的高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝，采用碳钢冷轧钢带和药芯制成，所述药芯由按质量百分比的下述组分构成：金红石25～40％，石英砂3～7％，镁砂1～3％，硅铝酸盐3～12％，氟化钠1～4％，氧化钠1～3％，低碳锰铁5～15％，硅铁3～7％，Ni2.5～5.5％，Cr2.5～7％，Cu1～3％，钛铁1.5～5.5％，钼铁和钒铁≤3％，其余为铁粉；

优选为，金红石30～40％，石英砂4～7％，镁砂2～3％，硅铝酸盐6～11％，氟化钠2～4％，氧化钠1～3％，低碳锰铁8～15％，硅铁3～6％，Ni3～5％，Cr3～7％，Cu1～3％，钛铁1.5～5.5％，钼铁和钒铁≤3％，其余为铁粉；

更优选为，金红石35～40％，石英砂5～7％，镁砂2～3％，硅铝酸盐7～10％，氟化钠2～4％，氧化钠1～3％，低碳锰铁8～12％，硅铁3～6％，Ni3～5％，Cr3～6％，Cu1～3％，钛铁2～5％，钼铁和钒铁≤3％，其余为铁粉；

进一步优选为，金红石36～40％，石英砂5～6％，镁砂2～3％，硅铝酸盐7～9％，氟化钠2～4％，氧化钠1～3％，低碳锰铁8～10％，硅铁4～6％，Ni3～5％，Cr3～6％，Cu1～3％，钛铁3～5％，钼铁和钒铁≤2％，其余为铁粉.

进一步地，所述的钼铁和钒铁通过析出强化实现晶粒的细化。

上述的高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：

以常规的碳钢冷轧钢带包覆为外皮，通过成型轧辊加工成U型槽，在槽中添加药粉，药粉由上述按质量百分比计的组分研磨成粉得到，然后轧成管状，最终通过拉丝加工成型，得到高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝。

本发明通过对药芯组分之间组合以及组合后组分间的相互作用的研究与分析，在确定成分的基础之上，总结组分占比在整个材料中所起的作用，筛选出最恰当的组分比例，以使得各组分之间的积极作用最大化。

本发明的主要原理如下：

金红石(TiO₂)，主要起造渣、降低熔渣粘度、引弧和稳弧作用，分析所得的合适范围为25～40％。金红石含量小于25％时，熔渣覆盖性变差，电弧不稳，焊缝成型变差；金红石含量大于40％，由于人造金红石中含有不少氧化铁，导致熔渣酸度增加，脱渣性变差，熔覆金属含氧量增加，力学性能下降。

石英砂的主成分是SiO₂，可降低熔渣的熔点和改善焊缝成型，分析所得的适宜范围为3～7％。适量的石英砂可增加渣的活性，过量时会使渣变得疏松多孔，脱渣和焊缝成型都会变差。

镁砂(MgO)，加入镁砂，不仅可以造渣，更重要的是可以获得平滑的焊缝和焊趾部位成型，降低焊缝接头应力集中，从而提高焊缝的疲劳强度，分析所得的氧化镁的合适含量为1～3％。含量小于1％，改善焊缝及焊趾成型效果不明显；大于3％，熔渣的覆盖性不好，焊缝成型开始变差。

硅铝酸盐(K₂O·Al₂O₃·6SiO₂)的主要作用是稳弧和造渣，分析所得的适宜含量为3～12％，处于这个含量范围时，因硅铝酸盐中含有的K₂O、SiO₂使熔滴的表面张力减少，起到细化熔滴、减少飞溅的作用。

为控制熔覆金属中的氢含量，加入氟化钠(NaF)去氢，钠属于高电离元素，含量为1～4％时既能去氢又能稳弧。当含量大于4％时，会破坏电弧稳定，且焊接烟尘量增大，不利于环保。

加入1～3％氧化钠(Na₂O)，可以起到稳弧、细化熔滴的作用，进而改善焊缝成型。

加入低碳锰铁，Mn可起脱氧、脱硫和渗合金作用，适宜含量5～15％。小于5％脱氧和脱硫不充分，Mn合金元素渗入焊缝较少，强度不足；大于15％，焊缝强度增加，但冲击韧性下降。

硅铁起脱氧和合金化的作用，适当的硅铁能提高钢的强度和腐蚀性能，合适范围为3～7％，大于7％会提高渣的酸度及粘度，促使焊缝生成非金属夹杂物。

Ni是渗合金元素，加入2.5～5.5％的Ni能提高焊缝的低温冲击韧性和耐腐蚀性能。小于2.5％不能达到耐腐蚀性能要求；大于5.5％，会导致焊材成本增加。

Cr是很好的耐腐蚀性元素，可以提高焊缝强度，合理范围2.5～7％。少于2.5％，焊缝耐腐蚀性能不良；大于7％，焊缝强度过高，低温冲击韧性下降。

Cu本身是耐腐蚀元素，加入1～3％可提高焊缝耐腐蚀性能。Cu与氧的亲和力小于铁，故焊接时大部分过渡到焊缝，按合金计算要求加入，一般不会多用。

钛为稀有元素，适量使用钛铁，可起到脱氧、渗合金作用，钛铁加入范围为1.5～5.5％。适量的钛可起到细化晶粒提高韧性的作用，但当加入量大于5.5％时会造成脱渣性变差。

钼铁和钒铁价格高，一般不多用，根据析出强化细化焊缝晶粒的作用，加入量二者累计不大于3％时，可提高低温冲击韧性。

余量为铁粉，加入10～25％的铁粉，可提高药芯焊丝熔覆效率，同时可改善引弧和电弧稳定性。

为确保药芯焊丝具有良好的工艺性能，选用钛型渣系。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过对药芯焊丝中药芯成分的合理调整，控制药芯成分中含适量的Ni粉、钛铁和加入少量通过析出强化来细化晶粒的钼铁、钒铁合金元素，加之与其它组分之间的协同作用，从而能够确保药芯焊丝-40℃低温冲击吸收功A_kv大于60J。

2.除了实验测试和对结果的充分分析，本发明还紧密结合运装货车〔2010〕841号《铁道货车用高耐蚀型耐候钢热轧板(带)技术条件(暂行)》中的耐腐蚀指数经验计算公式以及TB/T2375－1993《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》，使得药芯焊丝耐腐蚀性元素的组分设计更为合理，特别是保证了Ni、Cr、Cu、P和硅铁的合理适宜含量，所得药芯焊丝耐大气腐蚀能力优良，且不低于屈服强度为450MPa耐大气腐蚀钢的腐蚀性能。

附图说明

图1为本发明的药芯焊丝制造工艺流程图。

具体实施方式

下面用具体实施例来进一步说明本发明，但不限制本发明。

本发明的药芯焊丝制造工艺流程图如图1所示。采用表1所示成分的碳钢冷轧钢带为外皮，按实施例1、实施例2和实施例3进行药芯各组分的配比，制备成药芯焊丝。

表1碳钢冷轧钢带化学成分(质量分数％)

C	Mn	Si	P	S
					0.060	0.450	0.012	0.020	0.014

实施例1的药芯成分：

35.0％金红石，4.0％石英砂，1.5％镁砂，6.0％硅铝酸盐，3.0％氟化钠，1.5％氧化钠，10.0％低碳锰铁，4.0％硅铁，5.0％Ni，4.0％Cr，2.0％Cu，3.5％钛铁，合计1.5％的钼铁和钒铁，19％铁粉。

实施例2的药芯成分：

32.0％金红石，5.0％石英砂，2.0％镁砂，8.0％硅铝酸盐，2.5％氟化钠，2.0％氧化钠，9.0％低碳锰铁，3.5％硅铁，4.0％Ni，3.5％Cr，1.5％Cu，2.5％钛铁，合计1.0％的钼铁和钒铁，23.5％铁粉。

实施例3的药芯成分：

30.0％金红石，6.0％石英砂，2.5％镁砂，10.0％硅铝酸盐，2.0％氟化钠，2.5％氧化钠，8.0％低碳锰铁，5.0％硅铁，4.5％Ni，4.5％Cr，2.5％Cu，3.0％钛铁，合计1.5％的钼铁和钒铁，18％铁粉。

为分析本发明药芯焊丝熔敷金属的力学性能和耐大气腐蚀性能，采用如下焊接工艺参数进行焊接试验：保护气体为100％CO₂，采用直流反接法，焊接电流I＝240A，焊接电压U＝28V，气体流量16L/min，焊接速度340mm/min，层间温度控制150±20℃。

实施例1、实施例2和实施例3的熔覆金属力学性能见表2。

表2熔敷金属力学性能

从表2可以看出，药芯焊丝实施例1、实施例2和实施例3的熔敷金属屈服强度、抗拉强度和延伸率均不低于母材标准值，-40℃低温冲击吸收功分别为107J、97J和105J，均大于60J，表明本发明药芯焊丝低温冲击韧性优良。

根据TB/T2375－1993《铁路用耐侯钢周期浸润腐蚀试验方法》对耐大气腐蚀钢S450AW和药芯焊丝实施例1、实施例2、实施例3对应的药芯焊丝熔覆金属进行周期浸润腐蚀试验，结果见表3。

表3失重腐蚀率W(g/m²·h)

从表3可以看出，药芯焊丝实施例1、实施例2和实施例3的失重腐蚀率均小于同周期下S450AW耐大气腐蚀钢的失重腐蚀率，表明本发明的药芯焊丝具有良好的耐大气腐蚀性能。

Claims (6)

1.一种高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝，采用碳钢冷轧钢带和药芯组成，其特征在于，所述的药芯由按质量百分比的下述组分构成：金红石25～40％，石英砂3～7％，镁砂1～3％，硅铝酸盐3～12％，氟化钠1～4％，氧化钠1～3％，低碳锰铁5～15％，硅铁3～7％，Ni2.5～5.5％，Cr2.5～7％，Cu1～3％，钛铁1.5～5.5％，钼铁和钒铁≤3％，其余为铁粉。

2.根据权利要求1所述的高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝，其特征在于，金红石30～40％，石英砂4～7％，镁砂2～3％，硅铝酸盐6～11％，氟化钠2～4％，氧化钠1～3％，低碳锰铁8～15％，硅铁3～6％，Ni3～5％，Cr3～7％，Cu1～3％，钛铁1.5～5.5％，钼铁和钒铁≤3％，其余为铁粉。

3.根据权利要求1所述的高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝，其特征在于，金红石35～40％，石英砂5～7％，镁砂2～3％，硅铝酸盐7～10％，氟化钠2～4％，氧化钠1～3％，低碳锰铁8～12％，硅铁3～6％，Ni3～5％，Cr3～6％，Cu1～3％，钛铁2～5％，钼铁和钒铁≤3％，其余为铁粉。

4.根据权利要求1所述的高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝，其特征在于，金红石36～40％，石英砂5～6％，镁砂2～3％，硅铝酸盐7～9％，氟化钠2～4％，氧化钠1～3％，低碳锰铁8～10％，硅铁4～6％，Ni3～5％，Cr3～6％，Cu1～3％，钛铁3～5％，钼铁和钒铁≤2％，其余为铁粉。

5.根据权利要求1至4任一项所述的高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝，其特征在于，所述的钼铁和钒铁通过析出强化实现晶粒的细化。

6.根据权利要求1至5任一项所述的高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

以常规的碳钢冷轧钢带包覆为外皮，通过成型轧辊加工成U型槽，在槽中添加药粉，药粉由上述按质量百分比计的组分研磨成粉得到，然后轧成管状，最终通过拉丝加工成型，得到高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝。