CN105834614B

CN105834614B - 一种含钒的低合金耐热钢焊条

Info

Publication number: CN105834614B
Application number: CN201610361315.8A
Authority: CN
Inventors: 宋昌宝; 王哲; 王玲艳; 吕奎清
Original assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Current assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Priority date: 2016-05-26
Filing date: 2016-05-26
Publication date: 2018-06-08
Anticipated expiration: 2036-05-26
Also published as: CN105834614A

Abstract

本发明提供了一种含钒的低合金耐热钢焊条，包括焊芯和裹覆在焊芯表面的药皮，药皮由干粉和粘接剂混合而成，药皮中干粉的成分及含量百分比如下：大理石35～44％，萤石20～25％，硅微粉2～7％，天然金红石2～5％，金属铬3.5～4.0％，钼铁2.5～3.0％，钒铁1.0～2.0％，氮锰合金0.1～0.5％，45#硅铁4～8％，电解锰2.0～3.5％，纤维素0.3～0.8％，铁粉10～15％；粘接剂加入量为干粉总重量的20～26％。该含钒的低合金耐热钢焊条的药皮采用CaO‑CaF₂‑SiO₂‑TiO₂型渣系，通过药皮向焊缝金属中过渡Si、Mn、Cr、Mo、V等合金元素，改善了焊条的工艺性能，可进行全位置焊接；而且本发明提供的焊条具有良好的低温冲击韧性(‑30℃冲击值≥150J)，且其低温冲击值稳定。

Description

一种含钒的低合金耐热钢焊条

技术领域

本发明属于焊接材料制造技术领域，具体涉及一种含钒的低合金耐热钢焊条，适用于1Cr-0.5Mo-V低合金耐热钢的焊接。

背景技术

1Cr-0.5Mo-V低合金耐热钢在火力发电、石油化工以及煤化工等行业应用广泛，用于制造锅炉、压力容器以及其它工作在540℃以下的高温装置和设备。随着全世界环境和能源问题日益突出，我国传统制造业正逐步向低污染、低消耗和高效率方向发展，上述行业中如电站锅炉、石油裂化、高温合成等设备正向大型化、高参数方向发展，这对相应的耐热钢材料及其配套的焊材都提出了越来越严格的要求，如电站锅炉制造厂家通常要求耐热钢焊接材料熔敷金属具有室温冲击韧性，现在逐步要求-10℃甚至更低温度下的低温冲击韧性，而压力容器制造厂家则开始要求-18℃、-30℃甚至更低温度下的冲击韧性，以满足恶劣环境及工况下的安装和使用。

相对于其他耐热钢材料，1Cr-0.5Mo-V低合金耐热钢中由于含有V元素，其焊接性也独具特点。当焊接接头经过热处理时，焊缝金属中往往形成V的化合物，如氮化物VN和碳化物VC，焊缝金属中生成一定量的V化合物细小颗粒则可作为形核质点细化晶粒，这将对力学性能有利。但是，这些化合物生成量若不能得到有效控制则将增加焊缝金属的强度，显著降低焊缝金属的塑性与韧性。

目前，国家标准GB/T 5118-2012《热强钢焊条》未对耐热钢焊条熔敷金属的冲击韧性作详细说明；行业标准NB/T 47018-2011《承压设备用焊接材料订货技术条件》只对承压设备用焊接材料的室温冲击韧性作了相应规定。因此，市场上的耐热钢焊条无法兼顾室(高)温力学性能与低温力学性能，普遍存在着低温冲击韧性差或冲击功不稳定的问题，不能满足现代制造业对耐热钢焊接材料力学性能越来越苛刻的要求，特别是低温冲击韧性的要求。

目前，有关含钒的耐热钢焊条的专利如下：

(1)超低氢高韧性低碳加钨耐热钢焊条(CN103240542A)，此专利涉及的焊条适用于12Cr1MoV钢的焊接，其性能满足耐热钢高温持久性能及室温冲击韧性的要求，但未涉及低温冲击韧性；此外，此发明的焊条中添加了W元素，W属于热强性元素，可显著提高焊缝金属的强度，影响其低温韧性，而且添加W元素后焊缝金属的化学成分与国家标准中要求的化学成分范围不符。

(2)一种高韧性合金系耐热钢焊条(CN104014949A)，此专利涉及的焊条通过优化渣系和添加稀土等方法改善了耐热钢焊条的室温冲击韧性，但未涉及到低温冲击韧性。另外，由于此焊条中添加了1～3wt.％的钛铁，药皮中添加钛铁将向焊缝金属过渡一定量的Ti元素，在耐热钢焊材中，通过同时添加适量的Ti和B元素可提高焊缝金属韧性，对于耐热钢来说，其中的奥氏体化元素Mn含量有严格的限制，单独添加铁素体化元素Ti会增加焊缝金属中形成粗大先共析铁素体或网状铁素体的几率，反而加剧了焊缝金属低温冲击韧性的波动，造成低温冲击功不稳定，不能同时兼顾室(高)温与低温力学性能；同时，该焊条中由于添加了稀土硅镁铁合金大大增加了制造成本。

(3)一种超临界新型铁素体耐热钢焊条(CN103008917A)，此专利涉及的焊条适用于T/P91耐热钢的焊接，对焊缝金属室温冲击功进行了测试，但未涉及低温冲击韧性，其药皮中添加了3～8wt.％的钛铁，必然导致低温冲击值的波动。

(4)一种超临界耐热钢焊条及其生产方法(CN103737199A)，此专利公开的耐热钢焊条涉及到室温冲击韧性，在20℃条件下，焊缝金属冲击功平均值约为50J，但未涉及到低温冲击功；此焊条药皮中酸性物质金红石含量高达6～9％，这将导致焊缝金属中形成钛的氧化物夹杂，影响焊缝金属低温冲击值及其稳定性。

(5)一种低氢型超临界铁素体耐热钢焊条(CN104117788A)，此专利中涉及的耐热钢焊条通过添加稀土元素改善耐热钢焊条的室温冲击韧性，但未涉及到低温冲击韧性。

综上所述，目前的含钒耐热钢焊条均只对室温冲击韧性进行了研究，普遍存在低温冲击韧性差、冲击值不稳定，或者不适用于1Cr-0.5Mo-V低合金耐热钢的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有含钒低合金耐热钢焊条室(高)温力学性能与低温力学性能不能兼顾，特别是低温冲击功偏低及冲击值不稳定的问题。

为此，本发明提供了一种含钒的低合金耐热钢焊条，包括焊芯和裹覆在焊芯表面的药皮，所述药皮由干粉和粘接剂混合而成，所述药皮中干粉的成分及含量百分比如下：大理石：35～44％，萤石：20～25％，硅微粉：2～7％，天然金红石：2～5％，金属铬：3.5～4.0％，钼铁：2.5～3.0％，钒铁：1.0～2.0％，氮锰合金：0.1～0.5％，45#硅铁：4～8％，电解锰：2.0～3.5％，纤维素：0.3～0.8％，铁粉：10～15％；所述粘接剂以干粉总重为100％计，其加入量为干粉总重量的20～26％。

进一步地，上述药皮质量占焊条总质量的28～30％。

进一步地，上述粘接剂为高模纯钠水玻璃和高锰酸钾的混合物，高模纯钠水玻璃的模数为3.0～3.2，高锰酸钾的质量分数为1％。

进一步地，上述焊芯为低碳钢焊芯H08E，该焊芯中所含元素及各元素在焊芯中的质量百分比为：C≤0.10％，Mn：0.35～0.60％，Si≤0.03％，Cr≤0.20％，Ni≤0.30％，Cu≤0.20％，S≤0.020％，P≤0.020％，余量为Fe。

进一步地，上述含钒的低合金耐热钢焊条的焊缝金属中氮含量为0.005～0.01％；在同时含有N和V的金属中，经过热处理可析出细小的VN颗粒而提高强度，又不降低塑性和韧性。

优选实施方式，上述药皮中干粉的成分及含量百分比如下：大理石：35％，萤石：21％，硅微粉：5％，天然金红石：5％，金属铬：3.5％，钼铁：3.0％，钒铁：2.0％，氮锰合金：0.1％，45#硅铁：8％，电解锰：2.0％，纤维素：0.4％，铁粉：15％。

优选实施方式，上述药皮中干粉的成分及含量百分比如下：大理石：40％，萤石：25％，硅微粉：2％，天然金红石：5％，金属铬：3.8％，钼铁：2.5％，钒铁：1.0％，氮锰合金：0.3％，45#硅铁：6％，电解锰：3.0％，纤维素：0.3％，铁粉：11.1％。

优选实施方式，上述药皮中干粉的成分及含量百分比如下：大理石：44％，萤石：20％，硅微粉：7％，天然金红石：2％，金属铬：4.0％，钼铁：2.8％，钒铁：1.4％，氮锰合金：0.5％，45#硅铁：4％，电解锰：3.5％，纤维素：0.8％，铁粉：10％。

本发明含钒的低合金耐热钢焊条中药皮配方的设计原理如下：

大理石主要作用是造渣、造气、脱硫、脱磷，提高熔渣碱度，增加熔渣表面张力和黏度，调节熔渣的熔点；当大理石加入量小于35％时，形成的熔渣熔点较低，熔渣覆盖不全，其加入量大于44％时，药皮熔点高，形成的药皮套筒过深，容易熄弧，铁水粘度增加而成形变差。

萤石主要作用为造渣，稀释熔渣和去氢作用，可调节熔渣的理化性能，对熔池起到活化作用；当萤石的加入量小于20％时，铁水黏度大，熔敷金属的扩散氢含量也偏高，其加入量大于25％时，熔渣流淌严重，电弧极不稳定。

硅微粉作为造渣剂，可提高电弧电压，细化熔滴；当硅微粉加入量小于2％时，焊缝成形变差，其加入量大于7％时，熔渣呈玻璃壳状，脱渣困难。

天然金红石主要作用为造渣、稳弧、调节熔渣的物理性能，改善焊缝成形；当天然金红石加入量小于2％时，难以实现全位置焊接，其加入量大于5％时，容易形成酸性氧化物夹杂并造成焊缝增氧，影响焊缝金属力学性能。

金属铬、钼铁和钒铁均作为合金剂，向焊缝金属过渡必要的合金元素。

氮锰合金作为合金剂，向焊缝中引入N元素与V形成细小的VN细化晶粒，改善焊缝金属的低温力学性能；当氮锰合金加入量小于0.1％时，效果不明显，其加入量大于0.5％时，将增加焊缝金属强度，降低其塑性与韧性。

45#硅铁作为脱氧剂和合金剂，能加快焊条熔化速度，提高熔渣润湿铺展能力；当45#硅铁加入量低于4％时，脱氧不足，焊缝力学性能低，焊缝凸度较大，成形变差，其加入量大于8％时，焊缝中的合金元素Si含量偏高，造成焊缝金属强度升高而塑性、韧性下降。

电解锰作为脱氧剂和合金剂，同时可起到脱硫的作用；药皮中加入电解锰小于2.0％时，焊缝金属中的Mn含量偏低，易形成粗大的先共析铁素体，力学性能差，电解锰加入量大于3.5％时，焊接烟尘增加，焊缝中Mn元素的含量偏高，使焊缝金属强度增加，而塑性与韧性则有所降低。

纤维素用于稳弧，改善焊条压涂性能，本发明控制其含量为0.3～0.8％。

铁粉可提高药皮导电性能，改善电弧稳定性，一般用于干粉中其它粉料的补充。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的这种含钒的低合金耐热钢焊条的药皮采用CaO-CaF₂-SiO₂-TiO₂型渣系，通过药皮向焊缝金属中过渡Si、Mn、Cr、Mo、V等合金元素，改善了焊条的工艺性能，可进行全位置焊接。

(2)本发明提供的这种含钒的低合金耐热钢焊条通过在焊缝金属中形成细小VN质点的技术方法细化晶粒，从而提高焊缝金属的塑性和韧性，特别是低温冲击韧性，能兼顾焊缝金属的室(高)温和低温力学性能；且焊缝金属经过730℃/2h退火后，-30℃低温冲击功稳定在150J以上。

附图说明

图1是实施例1低温冲击试验后试样断口通过电子显微镜宏观形貌图。

图2是实施例1低温冲击试验后试样断口通过电子显微镜表面局部放大图。

图3是实施例1含钒的低合金耐热钢焊条焊接耐热钢所得焊接接头的微观组织图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例中含钒的低合金耐热钢焊条的药皮干粉成分及其重量百分比如表1所示，所添加的粘接剂如表2所示。其中，焊芯与药皮的重量百分比采用焊材行业通用的比例，焊芯占焊条总重量的70～72％，药皮占焊条总重量的28～30％，本实施例中选用焊芯占焊条总重量的70％，药皮占焊条总重量的30％。优选的，所述粘接剂为高模纯钠水玻璃和高锰酸钾的混合物，高模纯钠水玻璃的模数为3.0～3.2，高锰酸钾的质量分数为1％；采用高模纯钠水玻璃并添加高锰酸钾可提高药皮低温强度，防止焊条药皮气泡，从而改善焊条的外观质量。

上述药皮的干粉中包括氮锰合金，其质量占干粉总质量的0.1～0.5％。氮一般被认为是作为一种有害杂质元素而存在于金属中的，但是在同时含有N和V的金属中，经过热处理可析出细小的VN颗粒而提高强度，又不降低塑性和韧性，这种作用在钢材中效果明显；一般来说，N会降低焊缝金属的韧性，但当N含量很少时，则可改善韧性，在焊缝金属中，当含氮量在0.005％以下时，焊缝冲击韧性随含氮量的增加反而上升，当含氮量大于0.005～0.01％后，则对焊缝金属冲击韧性有害。本发明利用N和V元素的这些特点，在焊缝金属中引入适当的N与焊缝中的V元素形成细小的VN质点，从而细化晶粒改善其韧性。

而实施例中含钒的低合金耐热钢焊条的焊芯选用低碳钢焊芯H08E，该焊芯中所含元素及各元素在焊芯中的质量百分比为：C≤0.10％，Mn：0.35～0.60％，Si≤0.03％，Cr≤0.20％，Ni≤0.30％，Cu≤0.20％，S≤0.020％，P≤0.020％，余量为Fe。

表1：药皮干粉实施例成分配比(wt.％)

干粉组成	实施例1	实施例2	实施例3
				大理石	35	40	44
萤石	21	25	20
				硅微粉	5	2	7
天然金红石	5	5	2
				金属铬	3.5	3.8	4.0
钼铁	3.0	2.5	2.8
				钒铁	2.0	1.0	1.4
氮锰合金	0.1	0.3	0.5
				45#硅铁	8	6	4
电解锰	2.0	3.0	3.5
				纤维素	0.4	0.3	0.8
铁粉	15	11.1	10

表2：粘接剂实施例添加比例(wt.％)

粘接剂	实施例1	实施例2	实施例3
				高模纯钠水玻璃+高锰酸钾	20	22	26

采用上述实施例1～3所制备的含钒的低合金耐热钢焊条对1Cr-0.5Mo-V耐热钢试板焊接，然后按照国家标准规定对试板进行730℃/2退火处理，对热处理后焊缝金属的化学成分与力学性能进行测试，结果如表3和表4所示。

表3：实施例熔敷金属化学成分(wt.％)

表4：实施例熔敷金属力学性能

根据表3所示的熔敷金属化学成分测试结果，本发明的含钒的低合金耐热钢焊条熔敷金属化学成分完全符合相关国家标准的规定。

根据表4所示的熔敷金属力学性能测试结果，本发明的含钒的低合金耐热钢焊条的熔敷金属抗拉强度、屈服强度及延伸率等力学性能完全符合相关国家标准的规定；而且熔敷金属低温冲击韧性优异，低温冲击值非常稳定，经730℃/2退火处理后，-30℃低温冲击值稳定在150J以上，兼顾了室(高)温力学性能，能够满足复杂工况下的使用条件。

对实施例1～3的含钒的低合金耐热钢焊条进行低温(-30℃)冲击测试。测试结果显示，冲击测试后实施例1～3的冲击试样未完全断裂为两部分，试样根部位置仍然连接在一起，表明采用本发明含钒的低合金耐热钢焊条的焊缝金属材料具有良好的低温冲击韧性。

对实施例1中低温冲击试验后的冲击试样断口表面通过电子扫描显微镜进行观察，其结果如图1和图2所示。由图1和图2所示的断口形貌显示断口表面存在大量的韧窝和塑性变形痕迹，冲击过程中试样断口中的塑性变形吸收了大量的冲击能量，显示出本发明的含钒的低合金耐热钢焊条的焊缝金属在低温条件下具有优良的塑性与韧性。

另外，采用实施例1的含钒的低合金耐热钢焊条焊接1Cr-0.5Mo-V耐热钢(12Cr1MoV母材)，所得的焊接接头微组织如图3所示。从图3中可以看出，相对于耐热钢母材，焊缝金属的晶粒细小，组织均匀，这对焊缝金属的力学性能极其有利。

本发明提供的含钒的低合金耐热钢焊条焊缝金属化学成分和力学性能均符合GB/T 5118-2012《热强钢焊条》中E55156-1CMV、NB/T 47018.2-2001《承压设备用焊接材料订货技术条件》第二部分：钢焊条中E5515-B2V的规定。

综上所述，本发明提供的这种含钒的低合金耐热钢焊条焊接工艺性能优异，焊接过程中电弧稳定、飞溅小、脱渣性能好，可进行全位置焊接；而且其焊缝金属力学性能优异，低温冲击韧性好，冲击值稳定。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种含钒的低合金耐热钢焊条，包括焊芯和裹覆在焊芯表面的药皮，其特征在于：所述药皮由干粉和粘接剂混合而成，所述药皮中干粉的成分及含量百分比如下：大理石：35～44％，萤石：20～25％，硅微粉：2～7％，天然金红石：2～5％，金属铬：3.5～4.0％，钼铁：2.5～3.0％，钒铁：1.0～2.0％，氮锰合金：0.1～0.5％，45#硅铁：4～8％，电解锰：2.0～3.5％，纤维素：0.3～0.8％，铁粉：10～15％；所述粘接剂以干粉总重为100％计，其加入量为干粉总重量的20～26％。

2.如权利要求1所述的含钒的低合金耐热钢焊条，其特征在于：所述药皮质量占焊条总质量的28～30％。

3.如权利要求1所述的含钒的低合金耐热钢焊条，其特征在于：所述粘接剂为高模纯钠水玻璃和高锰酸钾的混合物，高模纯钠水玻璃的模数为3.0～3.2，高锰酸钾的质量分数为1％。

4.如权利要求1或2所述的含钒的低合金耐热钢焊条，其特征在于：所述焊芯为低碳钢焊芯H08E，该焊芯中所含元素及各元素在焊芯中的质量百分比为：C≤0.10％，Mn：0.35～0.60％，Si≤0.03％，Cr≤0.20％，Ni≤0.30％，Cu≤0.20％，S≤0.020％，P≤0.020％，余量为Fe。

5.如权利要求1所述的含钒的低合金耐热钢焊条，其特征在于：该焊条的焊缝金属中氮含量为0.005～0.01％。

6.如权利要求1所述的含钒的低合金耐热钢焊条，其特征在于：所述药皮中干粉的成分及含量百分比如下：大理石：35％，萤石：21％，硅微粉：5％，天然金红石：5％，金属铬：3.5％，钼铁：3.0％，钒铁：2.0％，氮锰合金：0.1％，45#硅铁：8％，电解锰：2.0％，纤维素：0.4％，铁粉：15％。

7.如权利要求1所述的含钒的低合金耐热钢焊条，其特征在于：所述药皮中干粉的成分及含量百分比如下：大理石：40％，萤石：25％，硅微粉：2％，天然金红石：5％，金属铬：3.8％，钼铁：2.5％，钒铁：1.0％，氮锰合金：0.3％，45#硅铁：6％，电解锰：3.0％，纤维素：0.3％，铁粉：11.1％。

8.如权利要求1所述的含钒的低合金耐热钢焊条，其特征在于：所述药皮中干粉的成分及含量百分比如下：大理石：44％，萤石：20％，硅微粉：7％，天然金红石：2％，金属铬：4.0％，钼铁：2.8％，钒铁：1.4％，氮锰合金：0.5％，45#硅铁：4％，电解锰：3.5％，纤维素：0.8％，铁粉：10％。