CN107138873A - 一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝及其制备工艺 - Google Patents

一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝，以及该焊丝的制备工艺。焊丝的化学成分按质量百分比计为:C 0.35‑0.45%，Si 1.20‑1.60％，Cr33.00‑36.00%,Mn 0.50‑0.80％，Ni 42.00‑45.00%，Nb 0.30‑0.60%，Ti0.30‑0.60%，P0.012‑0.014%，S0.007‑0.009%，Al0.25‑0.30%，Fe15.63‑22.08%，以及其他不可避免的杂质元素。该焊丝的制备工艺流程为:真空熔炼—均匀化退火—热锻开坯—多道次热轧—多道次冷拉—成品退火。本发明制备的焊丝具有较好的综合力学性能，以及良好的耐高温性能，其室温抗拉强度为1150~1250MPa，延伸率10~15%，在1000°C测试其抗拉强度为600~700MPa，延伸率25%以上。

Description

一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝及其制备工艺
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域，尤其涉及一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝及其制备工艺。
背景技术
由于镍铬基合金具有防锈、耐腐蚀、耐氧化、高韧性和耐高温的特点，所以在很多领域如石油、天然气和海洋石油业方面、火力发电厂的烟气脱硫系统、核能发电设备、汽车工业以及航空航天耐高温等方面都得到了广泛应用。在这些应用领域如核能发电设备中的热交换管和板要求致密的焊接在一起，用来焊接这些接缝口的焊材即是镍基合金焊材，所以镍合金焊盘丝材料在很多领域都有很大的需求。同时为了适应相应的工作环境，对镍合金焊丝的强度、塑性、耐高温性能、良好的焊接性能等提出了更高的要求，低磷、硫镍铬合金焊丝更能防止焊接处不开裂，提高焊接性能有特殊的现实意义。目前满足工业上应用的镍合金焊丝主要依靠进口，使成本大大增加。近几年来国内有一些高校和科研院所对镍合金的焊接材料进行了摸索性研究。例如，哈尔滨焊接研究所的马春雷等人研制了一种焊接核电站设备异种钢用的镍基焊丝。汪中玮等人研制了一种镍基高温耐磨无渣焊丝。但是这些焊盘丝材料生产过程较复杂，投资较多，综合成本高，同时存在强度低，高温低塑性，耐高温性能差，焊接工艺不好，焊接质量不高等问题。该镍基合金焊丝可打破国外的垄断，降低生产成本，提高应用领域的广泛性。
发明内容
本发明的目的针对现有技术存在的缺陷，提供一种具有高韧性、高强度、高塑性、高焊接性能、以及耐高温性能良好的Cr35Ni45镍铬合金焊丝及其制备工艺。该工艺简单、生产成本低，得到焊丝性能较好，满足工业生产和实际应用的需求。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝，其化学成分以质量百分比计包括下述组分：C0.35-0.45%，Si 1.20-1.60％，Cr33.00-36.00%, Mn 0.50-0.80％，Ni 42.00-45.00%，Nb 0.30-0.60%，Ti0.30-0.60%，P0.012-0.014%，S0.007-0.009%，Al0.25-0.30%，Fe15.63-22.08%，以及其他不可避免的杂质元素。
所述的一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝，其化学成分以质量百分比计包括下述组分：C0.35-0.45%，Si 1.20-1.60％，Cr33.00-36.00％, Mn 0.50-0.80％，Ni 43.00-45.00％，Nb 0.30％-0.60%，Ti0.30-0.60%，P0.012-0.014%，S0.007-0.009%，Al0.25-0.30%，Fe15.63-18.85%，以及其他不可避免的杂质元素。
所述的一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝，其化学成分以质量百分比计包括下述组分：C0.35-0.45%，Si 1.30-1.50％，Cr35.50-36.00％，Mn 0.60-0.75％，Ni44.50-45.00％，Nb 0.35-0.55，Ti0.35-0.55%，P0.012-0.014%，S0.007-0.009%，Al0.25-0.30%，Fe15.63-16.13%，以及其他不可避免的杂质元素。
主要元素作用：
Cr: 能显著改善镍合金的抗氧化性能，增加抗蚀性，同时能稳定合金表面，它在基体材料的表面形成抗氧化和抗腐蚀的保护层，能阻止金属元素向外扩散和O、S及其它有害元素向内扩散，能防止材料的氧化和热腐蚀。
Si：硅在冶炼时主要作为还原剂和脱氧剂，合金加热时，表面形成一层SiO2薄膜，大大提高合金在高温时的抗氧化能力，Si与 Cr、Ni等金属元素结合，也有提高合金抗腐蚀性能的作用。硅溶于基体中，有固溶强化作用，可提高合金的抗拉强度、屈服强度。但硅含量过高时会使材料的韧脆转变温度提高，降低合金的塑性和韧性，使材料变形困难，容易使硅沿晶界偏聚，增加固溶态晶间腐蚀敏感性，从而降低合金耐硝酸的腐蚀性能。并且硅在镍合金中易引起热裂纹，所以设计时硅含量质量百分比控制在1.35-1.50%范围。
Mn：加入锰元素可以起到良好的脱氧与脱硫作用。锰和铁形成固溶体，提高合金中铁素体、珠光体和奥氏体的硬度和强度，且对延展性影响不大，同时，锰也是碳化物的形成元素，进入渗碳体取代部分铁原子，使合金中的调制组织均匀、细化，锰使合金中的硫形成较高熔点的MnS,避免在晶界上形成FeS薄膜，削弱或消除硫的不良影响，降低合金的热脆性，改善加工性能；然而，当锰含量过高时，材料的热敏感性增加，抗氧化性能、焊接性能和耐腐蚀性能降低，因此，将其含量质量百分比控制在0.5-0.8％较为合适。
Ni：能提高合金的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。
Nb：可以起到细化晶粒的作用。在普通合金中加Nb，可提高合金抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀的能力；Nb也有二次硬化作用，可提高合金的强度和冲击韧性；同时为了防止硅的存在增加合金产生热裂纹的倾向，往往加入Nb元素来抵消硅的不利作用。
Ti：能形成很强固的TiC，可稳定到1300℃，有此稳定到高温的高度分散的TiC质点，可细化晶粒，降低钢的过热倾向性。
Al：钢中含量小于3%时，是一种有益的元素，其作用是：有较高的抗氧化性。
所述的一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝的制备工艺，包括以下步骤：
（1）真空熔炼：根据焊丝化学成分的质量百分比进行配料，先将Ni、Cr、Fe、Mn、Nb加入中频炉中熔化后，经检测达到所需的化学成分后利用中高温加钙铝合金脱氧和降低磷、硫的含量，随后加入Ti在检测后达到所需化学成分后，利用下浇注法提纯材料中杂质，浇注的电极棒切断后，加入真空炉中熔化出电极棒，经电渣重熔后得到铸锭I；
（2）均匀化退火：将步骤（1）中得到的铸锭Ι放入加热炉中升温到980-1000°C保温1-2h，油冷700-720℃12-16h，然后空冷得到铸锭II；
（3）热锻开坯：将步骤（2）中得到的铸锭II放入加热炉中对铸锭II加热到1140℃，并保温1h，然后将铸锭II进行锻造，开锻温度为1130℃，终锻温度≥920℃，锻造完后在室温下进行冷却得到合金坯III；
（4）热轧：对步骤（3）中得到的合金坯进行多道次热轧，开轧温度1140°C，终轧温度≥930°C，将合金坯轧制成盘丝材；
（5）冷拉：对步骤（4）中得到的盘丝材进行多道次冷拉，拉细得到盘丝材；
（6）成品退火：对步骤（5）中得到的盘丝材进行最终退火，退火温度900±10°C，保温1-2h，油冷750±10℃保温16h，空冷，退完火后进行修磨、裁剪，即得成品焊丝。
步骤（4）中所述盘丝材直径小于6mm。步骤（5）中所述盘丝材直径为2~3mm。
相对现有技术，本发明带来的有益效果：
（1）本发明的低磷、硫镍铬合金焊丝通过合理的元素搭配，以及良好的工艺过程，其具有很高的强度，室温抗拉强度为1150~1250MPa，延伸率10~15%，综合力学性能优越，同时在1000°C时抗拉强度达到600MPa以上。
（2）本发明的低磷、硫镍铬合金焊丝中加入了适量的Nb元素，即很好的解决了镍合金焊丝的高温低塑性问题，又保证了不会因为加入Nb元素而引起的焊丝熔敷金属结晶裂纹敏感性增加等问题，该合金焊丝在1000°C时延伸率达到25%以上，具有很好的高温塑性。
（3）本发明中加入的锰、硅元素是非常有效的脱氧剂，在中低温时加入钙铝合金降低磷、硫含量，又能脱氧，同时焊丝中的硅有利于在焊缝的表面形成氧化膜，提高焊缝在高温时的抗氧化性能，锰是良好的脱硫剂，也是固溶强化剂，提高焊缝的强度和硬度。通过对锰和硅的含量进行合理的控制，即避免了由于锰、硅含量过高引起的不利因素，又保证了该合金焊丝的焊接性能。铝在焊丝中有抗氧化的作用，低磷、硫是提高焊接质量具有独特的优势。
（4）本发明的制备工艺具有生产成本低，节能，加工周期短，焊接效率高。
（5）本发明在制备工艺步骤中采用真空冶炼工艺，有利于气体含量的降低，避免合金元素的氧化。
具体实施方式
实施例1、2、3中各组分的含量如下表所列
实施例1
一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝，其化学成分以质量百分比计包括下述组分：C0.35，Si 1.2％，Cr 33.00％，Mn 0.50％，Ni 42.00％，Nb 0.30%，Ti0.30%，P0.012%，S0.007%，Al0.25%，Fe 22.08％，以及其他不可避免的杂质元素。
该镍铬合金焊丝的制备工艺，包括以下步骤：
（1）真空熔炼：根据焊丝化学成分的质量百分比进行配料，先将Ni、Cr、Fe、Mn、Nb加入中频炉中熔化后，经检测达到所需的化学成分后利用中高温加钙铝合金脱氧和降低磷、硫的含量，随后加入Ti在检测后达到所需化学成分后，利用下浇注法提纯材料中杂质，浇注的电极棒切断后，加入真空炉中熔化出电极棒，经电渣重熔后得到铸锭I。
（2）均匀化退火：将步骤（1）中得到的铸锭Ι放入加热炉中升温到980-1000°C保温1-2h，油冷700-720℃12-16h，然后空冷得到铸锭II。
（3）热锻开坯：将步骤（2）中得到的铸锭II放入加热炉中对铸锭II加热到1140℃，并保温1h，然后将铸锭II进行锻造，开锻温度为1130℃，终锻温度≥920℃，锻造完后在室温下进行冷却得到合金坯III。
（4）热轧：对步骤（3）中得到的合金坯进行多道次热轧，开轧温度1140°C，终轧温度≥930°C，将合金坯轧制成直径小于6mm的盘盘丝材。
（5）冷拉：对步骤（4）中得到的盘丝材进行多道次冷拉，拉细到直径2-3mm盘盘丝材。
（6）成品退火：对步骤（5）中得到的盘丝材进行最终退火，退火温度900±10°C，保温1-2h，油冷750±10℃保温16h，空冷，退完火后进行修磨、裁剪，即得成品焊丝。
制备的镍铬合金焊丝的力学性能为：室温抗拉强度为1192MPa，延伸率13%，在1000°C测试其抗拉强度为650MPa，延伸率28%。
实施例2
一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝，其化学成分以质量百分比计包括下述组分：C0.40，Si1.40％，Cr 34.00％， Mn 0.65％，Ni 43.50％，Nb 0.45%，Ti0.45%，P0.013%，S0.008%，Al0.28%，Fe 18.85％，以及其他不可避免的杂质元素。
该镍铬合金焊丝的制备工艺，包括以下步骤：
（1）真空熔炼：根据焊丝化学成分的质量百分比进行配料，先将Ni、Cr、Fe、Mn、Nb加入中频炉中熔化后，经检测达到所需的化学成分后利用中高温加钙铝合金脱氧和降低磷、硫的含量，随后加入Ti在检测后达到所需化学成分后，利用下浇注法提纯材料中杂质，浇注的电极棒切断后，加入真空炉中熔化出电极棒，经电渣重熔后得到铸锭I。
（2）均匀化退火：将步骤（1）中得到的铸锭Ι放入加热炉中升温到980-1000°C保温1-2h，油冷700-720℃12-16h，然后空冷得到铸锭II。
（3）热锻开坯：将步骤（2）中得到的铸锭II放入加热炉中对铸锭II加热到1140℃，并保温1h，然后将铸锭II进行锻造，开锻温度为1130℃，终锻温度≥920℃，锻造完后在室温下进行冷却得到合金坯III。
（4）热轧：对步骤（3）中得到的合金坯进行多道次热轧，开轧温度1140°C，终轧温度≥930°C，将合金）坯轧制成直径小于6mm的盘盘丝材。
（5）冷拉：对步骤（4）中得到的盘丝材进行多道次冷拉，拉细到直径2-3mm盘盘丝材。
（6）成品退火：对步骤（5）中得到的盘丝材进行最终退火，退火温度900±10°C，保温1-2h，油冷750±10℃保温16h，空冷，退完火后进行修磨、裁剪，即得成品焊丝。
制备的镍合金焊丝的力学性能为：室温抗拉强度为1152MPa，延伸率15%，在1000°C测试其抗拉强度为600MPa，延伸率30%。
实施例3
一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝，其化学成分以质量百分比计包括下述组分：C0.45，Si 1.60％，Cr 35.00％, Mn0.80％，Ni 45.00％，Nb 0.60%，Ti0.60%，P0.014%，S0.009%，Al0.30%，Fe 15.63％，以及其他不可避免的杂质元素。
该镍合金焊丝的制备工艺，包括以下步骤：
（1）真空熔炼：根据焊丝化学成分的质量百分比进行配料，先将Ni、Cr、Fe、Mn、Nb加入中频炉中熔化后，经检测达到所需的化学成分后利用中高温加钙铝合金脱氧和降低磷、硫的含量，随后加入Ti在检测后达到所需化学成分后，利用下浇注法提纯材料中杂质，浇注的电极棒切断后，加入真空炉中熔化出电极棒，经电渣重熔后得到铸锭I。
（2）均匀化退火：将步骤（1）中得到的铸锭Ι放入加热炉中升温到980-1000°C保温1-2h，油冷700-720℃12-16h，然后空冷得到铸锭II。
（3）热锻开坯：将步骤（2）中得到的铸锭II放入加热炉中对铸锭II加热到1140℃，并保温1h，然后将铸锭II进行锻造，开锻温度为1130℃，终锻温度≥920℃，锻造完后在室温下进行冷却得到合金坯III。
（4）热轧：对步骤（3）中得到的合金坯进行多道次热轧，开轧温度1140°C，终轧温度≥930°C，将合金坯轧制成直径小于6mm的盘盘丝材。
（5）冷拉：对步骤（4）中得到的盘丝材进行多道次冷拉，拉细到直径2-3mm盘盘丝材。
（6）成品退火：对步骤（5）中得到的盘丝材进行最终退火，退火温度900±10°C，保温1-2h，油冷750±10℃保温16h，空冷，退完火后进行修磨、裁剪，即得成品焊丝。
制备的镍合金焊丝的力学性能为：室温抗拉强度为1205MPa，延伸率10%，在1000°C测试其抗拉强度为680MPa，延伸率25%。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝，其特征在于：其化学成分以质量百分比计包括下述组分：C0.35-0.45%，Si 1.20-1.60％，Cr33.00-36.00%, Mn 0.50-0.80％，Ni 42.00-45.00%，Nb 0.30-0.60%，Ti0.30-0.60%，P0.012-0.014%，S0.007-0.009%，Al0.25-0.30%，Fe15.63-22.08%，以及其他不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝，其特征在于：其化学成分以质量百分比计包括下述组分：C0.35-0.45%，Si 1.20-1.60％，Cr33.00-36.00％, Mn 0.50-0.80％，Ni 43.00-45.00％，Nb 0.30％-0.60%，Ti0.30-0.60%，P0.012-0.014%，S0.007-0.009%，Al0.25-0.30%，Fe15.63-18.85％，以及其他不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求2所述的一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝，其特征在于：其化学成分以质量百分比计包括下述组分：C0.35-0.45%，Si 1.30-1.50％，Cr35.50-36.00％，Mn 0.60-0.75％，Ni 44.50-45.00％，Nb 0.35-0.55，Ti0.35-0.55%，P0.012-0.014%，S0.007-0.009%，Al0.25-0.30%，Fe15.63-16.13%，以及其他不可避免的杂质元素。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）真空熔炼：根据焊丝化学成分的质量百分比进行配料，先将Ni、Cr、Fe、Mn、Nb加入中频炉中熔化后，经检测达到所需的化学成分后利用中高温加钙铝合金脱氧和降低磷、硫的含量，随后加入Ti在检测后达到所需化学成分后，利用下浇注法提纯材料中杂质，浇注的电极棒切断后，加入真空炉中熔化出电极棒，经电渣重熔后得到铸锭I；
（2）均匀化退火：将步骤（1）中得到的铸锭Ι放入加热炉中升温到980-1000°C保温1-2h，油冷700-720℃12-16h，然后空冷得到铸锭II；
（3）热锻开坯：将步骤（2）中得到的铸锭II放入加热炉中对铸锭II加热到1140℃，并保温1h，然后将铸锭II进行锻造，开锻温度为1130℃，终锻温度≥920℃，锻造完后在室温下进行冷却得到合金坯III；
（4）热轧：对步骤（3）中得到的合金坯进行多道次热轧，开轧温度1140°C，终轧温度≥930°C，将合金坯轧制成盘丝材；
（5）冷拉：对步骤（4）中得到的盘丝材进行多道次冷拉，拉细得到盘丝材；
（6）成品退火：对步骤（5）中得到的盘丝材进行最终退火，退火温度900±10°C，保温1-2h，油冷750±10℃保温16h，空冷，退完火后进行修磨、裁剪，即得成品焊丝。
5.根据权利要求4所述的一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝的制备工艺，其特征在于步骤（4）中所述盘丝材直径小于6mm。
6.根据权利要求4所述的一种低磷硫高强度耐高温Cr35Ni45镍铬合金焊丝的制备工艺，其特征在于步骤（5）中所述盘丝材直径为2~3mm。
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