CN107717257B - 超超临界耐热钢配套药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超超临界耐热钢配套药芯焊丝及其制备方法，该药芯焊丝包括外皮和药芯，所述药芯包括以下组分：石墨粉0.2～3重量份、金属铬40～60重量份、金红石20～35重量份、钼铁3～9重量份、电解锰2～8重量份、镍粉1～7重量份、锆英砂1～8重量份、钒铁0.2～3重量份、铌铁0.2～3重量份、钨粉2～9重量份、氮化物0.2～3重量份和铁粉2.8‑5.8重量份。与现有的相比，本发明药芯焊丝的焊接工艺性能和理化性能良好，工艺上达到焊接工艺性能良好、电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观且能够进行全位置焊接等目的，性能上达到具有良好力学性能的目的。

Description

超超临界耐热钢配套药芯焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及属于焊接材料制备的技术领域，更具体地讲，涉及一种超超临界耐热钢配套药芯焊丝及其制备方法。

背景技术

美国、德国、前苏联都是研发超超临界发电技术较早的国家，于上世纪50年代末开始发展超超临界火力发电技术。超超临界火力发电技术具有显著的节能和改善环境效果。这项技术在国内起步较晚，而相应的超超临界耐热材料的研究同样处于初级阶段。随着工作温度和工作压力等参数的提高，要求超超临界汽轮机中的重要部件的材料具有更好的热强性能、抗高温腐蚀性能、抗氧化性能、焊接性能和冷热加工性能等，因此材料的制造技术成为制约超超临界机组发展的关键。对于承受一定的载荷而又经常经历急剧温度变化的高温结构材料，首先必须具有高的抗氧化性能和一定的热强性能，同时还须具有良好的抗热疲劳性能以抵抗温度变化引起的热疲劳，高的组织稳定性以保证在高温环境中结构尺寸稳定。热电厂中的主要部件如蒸汽管线、过热器、汽包、水冷壁、锅炉等均采用耐热钢制造。

提高现代热电厂的热效率首先就是要提高蒸汽的温度和压力。为满足这一实际需要，多年来，相关行业一直致力于新型耐热钢的研究和开发，特别是铬的含量为9～12wt％的马氏体耐热钢的发展。该系列耐热钢由于具有很高的强韧性、抗蠕变性能，以及良好的抗高温氧化和抗腐蚀性能而得到关注，并成为热电厂中主要设备用材的主选或更新换代材料。

X11CrMoWVNb9-1-1、G-X12CrMoWVNbN10-1-1或E911/P911耐热钢是目前制造超超临界汽轮机普遍应用的高温铸钢,主要用于超超临界汽轮机高压内缸、主汽阀、转子等部件，工作温度为593℃、工作压力为25MPa，该类部件要求材料具有较好的热强性能、抗高温腐蚀和氧化性能。所以对该材料的研究和开发对于发展超超临界发电机组具有十分重要的意义。

耐热钢通常是加入合金元素，即通过合金化来提高钢的高温强度。常用的合金元素有铬、铝、钒、钨、镍、铌、硼、硅、稀土等，通过加入合金元素并进行适当的热处理工艺，可以起到固溶强化、晶界强化及沉淀强化的作用。高合金含量的固溶强化对提高耐热钢的强度具有一定的效果，但高铬耐热钢一般采用细小弥散的第二相粒子强化来提高其强度。因为细小弥散的第二相粒子在提高材料强度的同时，可起到钉扎位错、阻碍位错运动，从而起到进一步提高耐热钢强度的作用。

上述耐热钢材的焊接性能也是影响其适用性的关键因素，针对此类材料开发的超超临界焊条经过多年的发展，已经有了广泛的应用。而随着自动化程度不断提高，越来越多的用户需要此类自动或半自动焊接材料代替手工焊焊条，所以此类焊丝的开发也迫在眉睫。

CN106624450A(一种超超临界耐热钢药芯焊丝及其制备方法)公开了一种超超临界耐热钢药芯焊丝，该焊丝包括外皮和药芯，外皮为低碳钢钢薄带，以质量百分比计，药芯包括以下组分：石墨粉3～5％、金属铬35～50％、金红石20～40％、钼铁3～8％、锰铁粉3～8％、镍粉1～8％、长石2～8％、钒铁1～5％、铌铁1～5％、氟化物0.2～2％以及余量的铁粉和不可避免的杂质。其虽可以应用于某些超超临界耐热钢焊接，但当其用于焊接超超临界汽轮机X11CrMoWVNb9-1-1、G-X12CrMoWVNbN10-1-1或E911/P911等耐热钢时，存在以下缺陷：E911/P911等耐热钢比P91耐热钢高温下具有更高的高温蠕变强度，若使用该药芯焊丝进行匹配，容易出现断裂。

发明内容

本发明特别适用于药芯焊丝适用于超(超)临界汽轮机X11CrMoWVNb9-1-1、G-X12CrMoWVNbN10-1-1或E911/P911等耐热钢的配套使用。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种适用于超超临界汽轮机X11CrMoWVNb9-1-1、G-X12CrMoWVNbN10-1-1或E911/P911等耐热钢配套使用的超超超临界耐热钢药芯焊丝及其制备方法。

技术方案是：一种超超临界耐热钢配套药芯焊丝，该药芯焊丝包括外皮和药芯，所述药芯包括以下组分：

石墨粉0.2～3重量份、金属铬40～60重量份、金红石20～35重量份、钼铁3～9重量份、电解锰2～8重量份、镍粉1～7重量份、锆英砂1～8重量份、钒铁0.2～3重量份、铌铁0.2～3重量份、钨粉2～9重量份、氮化物0.2～3重量份和铁粉2.8-5.8重量份。

作为优选，所述石墨粉1-1.5重量份、金属铬45-55重量份、金红石20-35重量份、钼铁3-5重量份、电解锰3-5重量份、镍粉3-4重量份、锆英砂3-4重量份、钒铁1-1.5重量份、铌铁1-1.5重量份、氮化物0.2-1重量份、钨粉6-8重量份和铁粉2.8-5.8重量份。

作为优选，所述氮化物为氮化铬铁、氮化镁和氮化铝中的一种或多种。

作为优选，所述外皮为低碳钢钢薄带，所述低碳钢钢薄带包含以下成分：C 0.02～0.045wt％、Mn 0.15～0.35wt％、Si≤0.035wt％、S≤0.015wt％、P≤0.017wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

作为优选，所述C 0.02～0.035％、Mn 0.20～0.25％、Si≤0.015％、S≤0.006％、P≤0.011％，余量为铁及不可避免的杂质。

作为优选，所述药芯焊丝的直径为φ1.2～2.4mm。

作为优选，所述药芯焊丝用于焊接，焊接熔敷金属包含以下成分：C 0.08～0.13％、Mn 0.40～1.00％、Si≤0.50％、S≤0.01％、P≤0.015％、Cr 8.50～10.50％、Mo0.80～1.20％、Ni 0.40～0.80％、V 0.15～0.25％、Nb 0.03～0.07％、N 0.03～0.07％、W0.85～1.20％、Al≤0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。

作为优选，所述药芯焊丝用于焊接，焊接焊接熔敷金属的扩散氢含量小于5mL/100g且力学性能为：抗拉强度≥620Mpa、屈服强度≥530Mpa、延伸率≥17％、20℃冲击功达到45J。

技术方案是：一种上述的超临界耐热钢配套药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：

①将药芯各组分混合均匀后待用；

②将外皮置于焊丝成型机内、陆续将待用的药芯混合料注入横向弯制成“U”型的外皮凹槽内，进而卷制成丝、经细拉至Φ1.2mm即得超超临界耐热钢配套药芯焊丝。

技术方案是：一种焊接方法，该方法上述的超临界耐热钢配套药芯焊丝，该焊丝与X11CrMoWVNb9-1-1、G-X12CrMoWVNbN10-1-1或E911/P911配套使用。

发明原理及有益效果：

本发明中，各成分作用如下：

石墨粉：在超超临界焊材中，加入适当的石墨可以扩大和稳定奥氏体，提高焊缝的高温强度。石墨粉含量在一定的范围内，熔敷金属具有较好的韧性和强度。碳含量过低容易引起高温强度不足，碳含量过高容易出现结晶裂纹。

金属铬：铬是耐热钢中极重要的合金元素。当钢中含铬量足够时，能在钢的表面形成致密的氧化膜。这层氧化膜能在一定程度上阻止氧、硫、氮等腐蚀性气体向钢中扩散，也能阻止金属离子向外扩散。耐热钢的抗高温腐蚀性能与含Cr量有一定的关系，当含Cr量为本发明的含量时，钢的高温抗氧化能力明显提高。本发明通过直接在药芯中加入金属铬来提高熔敷金属的铬含量，从而提高其力学性能。

金红石：在加入量为本发明的含量时，能够很好的起到造渣、稳定电弧的作用。如果加入过多，会引起熔渣较粘，渣流动性不好；如果加入过少，不能起到造渣及稳定电弧的作用，影响焊材的工艺性能。

钼铁：作为焊缝金属中钼的主要来源。钼是提高热强性的最重要合金元素之一，耐热钢中一般都含有Mo。Mo溶于铁素体，能显著提高铁素体的再结晶温度，从而提高蠕变强度，Mo同时能以细小的碳化物的形式产生弥散强化作用，钼是焊缝金属中重要的强化元素，在本发明药芯焊丝的药芯中含量过低会导致焊缝金属强度不足，含量过高会导致强度过高、韧性恶化。限定药芯中钼铁含量在本发明的含量内。

电解锰：作为焊缝金属中锰的主要来源。在焊缝中增加锰一方面加强脱氧，一方面增加了针状铁素体的数量，同时相应减少了先共析铁素体和层状组分的数量，细化了焊缝的针状铁素体和粗晶区的显微组织，提高了焊缝的冲击韧性。

镍粉：作为焊缝金属中镍的主要来源。镍是焊缝熔敷金属中重要的合金元素，对提高强度有一定的贡献，但作用有限。

锆英砂：加入本发明含量的锆英砂可以有效地细化熔滴颗粒，减小飞溅及改善焊缝的成型。

钒铁：为焊缝金属中钒的主要来源。钒主要是通过适当的热处理，生成细小的均匀分布的碳化物颗粒，使钢得以强化。在Cr-Mo-V钢中，由于V的碳化物十分稳定，将碳固定而促使Cr、Mo等合金元素更多地溶入固溶体，这样，间接地起到了促进固溶强化的作用。

铌铁：加入0.2～3％左右的铌铁，可以提高高温强度，细化晶粒，阻止高温下晶粒长大。

钨粉：加入本发明含量的钨粉，提高焊缝金属在高温环境下的抗氧化性能、抗蠕变性能和耐蚀性。

氮化物：氮化物中的氮是奥氏体形成元素，在镍基合金中能都替代短缺的镍。当焊缝金属中的氮含量处于过饱和状态，将会损伤焊缝金属的性能。氮化物的加入量控制在本发明的含量为佳。根据本发明，氮化物可以为氮化铬铁、氮化镁和氮化铝中的一种或多种。

铁粉：药芯中加入铁粉可提高焊接效率并提供少量的氧用于稳弧，为了保证高的熔敷效率、主要来源于还原铁粉或雾化铁粉。

本发明中，控制钢带的碳含量，有利于钢带在生产过程中的拉拔性；严格控制钢带中的杂质元素S、P的含量，提高冲击韧性，降低熔敷金属的回火脆性，进一步提高焊丝性能。

本发明是通过各药芯组分的有机组配并与低碳钢钢薄带外皮配合从而实现本发明的发明目的和技术效果。

本发明药芯焊丝的焊接工艺性能和理化性能良好，工艺上达到焊接工艺性能良好、电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观且能够进行全位置焊接等目的，性能上达到具有良好力学性能的目的。

使用本发明的超超临界耐热钢配套药芯焊丝进行焊接时，以质量百分比计，所得焊接熔敷金属包含以下成分：C 0.08～0.13％、Mn 0.40～1.00％、Si≤0.50％、S≤0.01％、P≤0.015％、Cr 8.50～10.50％、Mo 0.80～1.20％、Ni 0.40～0.80％、V 0.15～0.25％、Nb0.03～0.07％、N 0.03～0.07％、W 0.85～1.20％、Al≤0.04％以及余量的Fe和不可避免的杂质。并且，该焊接熔敷金属的扩散氢含量小于5mL/100g且力学性能为：抗拉强度≥620MPa、屈服强度≥530MPa、延伸率≥16％、20℃冲击功达到45J。完全符合相当于焊条国家标准GB/T 5118E6215-G的要求，甚至很多参数远高于该标准。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

根据本发明，外皮的低碳钢钢薄带可以为宽度12～16mm且厚度为0.4～0.9mm的低碳钢钢薄带，并且预定规格的药芯焊丝直径为φ1.2～2.4mm。

实施例1：

采用14mm×0.8mm(宽×厚)的钢带作为焊丝的外皮，其化学成分包括C0.035wt％、Mn 0.25wt％、Si 0.015wt％、S 0.006wt％、P 0.011wt％，余量为铁及不可避免的杂质。

药芯重量占整个焊丝重量的25wt％，药芯中各组分含量为：石墨粉：1kg，金属铬：45kg，金红石：20kg，钼铁：5kg，电解锰：5kg，镍粉：4kg，锆英砂：4kg，钒铁：1kg，铌铁：1kg，氮化物：0.2kg，钨粉：8kg，铁粉5.8kg。

将药芯各组分混合均匀后待用，将外皮置于焊丝成型机内、陆续将待用的药芯混合料注入横向弯制成“U”型的外皮凹槽内，进而卷制成丝、经细拉至Φ1.2mm即得超超临界耐热钢配套药芯焊丝。

实施例2：

采用14mm×0.8mm(宽×厚)的钢带作为焊丝的外皮，其化学成分为C 0.025wt％、Mn 0.20wt％、Si 0.012wt％、S 0.004wt％、P 0.008wt％，余量为铁和不可避免的杂质。

药芯重量占整个焊丝重量的25wt％，药芯中各组分含量为：石墨粉：1.5kg，金属铬：50kg，金红石：20kg，钼铁：4kg，电解锰：4kg，镍粉：3kg，锆英砂：3.5kg，钒铁：1.5kg，铌铁：1.5kg，氮化物：1kg，钨粉：6kg，铁粉4kg。

将药芯各组分混合均匀后待用，将外皮置于焊丝成型机内、陆续将待用的药芯混合料注入横向弯制成“U”型的外皮凹槽内，进而卷制成丝、经细拉至Φ1.5mm即得超超临界耐热钢配套药芯焊丝。

实施例3：

采用14mm×0.8mm(宽×厚)的钢带作为焊丝的外皮，其化学成分包括C0.035wt％、Mn 0.25wt％、Si 0.015wt％、S 0.006wt％、P 0.011wt％，余量为铁和不可避免的杂质。

药芯重量占整个焊丝重量的25wt％，药芯中各组分含量为：石墨粉：1kg，金属铬：55kg，金红石：20kg，钼铁：3kg，电解锰：3kg，镍粉：4kg，锆英砂：3kg，钒铁：1kg，铌铁：1kg，氮化物：0.2kg，钨粉：6kg，铁粉2.8kg。

将药芯各组分混合均匀后待用，将外皮置于焊丝成型机内、陆续将待用的药芯混合料注入横向弯制成“U”型的外皮凹槽内，进而卷制成丝、经细拉至Φ2.0mm即得超(超)临界耐热钢配套药芯焊丝。

将实施例1至实施例3的超超临界耐热钢配套药芯焊丝用于试板(试板为超超临界汽轮机X11CrMoWVNb9-1-1、G-X12CrMoWVNbN10-1-1或E911/P911)的焊接，焊接参数为I＝240～260A、U＝28～30V、气体流量为20L/min、保护气体为：气体纯度为99.98％以上的CO2。

其中，所得焊接熔敷金属的化学成分如表1所示，所得焊接熔敷金属的力学性能和扩散氢含量如表2所示。

表1焊接熔敷金属的化学成分(wt％)

表2焊接熔敷金属的力学性能及扩散氢含量

综上所述，本发明的超超临界耐热钢配套药芯焊丝可配套用于超超临界汽轮机X11CrMoWVNb9-1-1、G-X12CrMoWVNbN10-1-1或E911/P911等耐热钢。该药芯焊丝的焊接工艺性能和理化性能良好，工艺上达到焊接工艺性能良好、电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观且能够进行全位置焊接等目的，性能上达到具有良好力学性能的目的。

Claims (12)

1.一种超超临界耐热钢配套药芯焊丝，该药芯焊丝包括外皮和药芯，所述药芯包括以下组分：

石墨粉0.2～3重量份、金属铬40～60重量份、金红石20～35重量份、钼铁3～9重量份、电解锰2～8重量份、镍粉1～7重量份、锆英砂1～8重量份、钒铁0.2～3重量份、铌铁0.2～3重量份、钨粉2～9重量份、氮化物0.2～3重量份和铁粉2.8-5.8重量份；超超临界耐热钢为X11CrMoWVNb9-1-1、G-X12CrMoWVNbN10-1-1或E911/P911。

2.根据权利要求1所述的超超临界耐热钢配套药芯焊丝，其特征在于：所述石墨粉1-1.5重量份、金属铬45-55重量份、金红石20-35重量份、钼铁3-5重量份、电解锰3-5重量份、镍粉3-4重量份、锆英砂3-4重量份、钒铁1-1.5重量份、铌铁1-1.5重量份、氮化物0.2-1重量份、钨粉6-8重量份和铁粉2.8-5.8重量份。

3.根据权利要求1或2任一所述的超超临界耐热钢配套药芯焊丝，其特征在于：所述氮化物为氮化铬铁、氮化镁和氮化铝中的一种或多种。

4.根据权利要求1或2任一所述的超超临界耐热钢配套药芯焊丝，其特征在于：所述外皮为低碳钢钢薄带，所述低碳钢钢薄带包含以下成分：C0.02～0.045wt％、Mn 0.15～0.35wt％、Si≤0.035wt％、S≤0.015wt％、P≤0.017wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

5.根据权利要求3所述的超超临界耐热钢配套药芯焊丝，其特征在于：所述外皮为低碳钢钢薄带，所述低碳钢钢薄带包含以下成分：C 0.02～0.045wt％、Mn 0.15～0.35wt％、Si≤0.035wt％、S≤0.015wt％、P≤0.017wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

6.根据权利要求4所述的超超临界耐热钢配套药芯焊丝，其特征在于：所述C 0.02～0.035％、Mn 0.20～0.25％、Si≤0.015％、S≤0.006％、P≤0.011％，余量为铁及不可避免的杂质。

7.根据权利要求5所述的超超临界耐热钢配套药芯焊丝，其特征在于：所述C 0.02～0.035％、Mn 0.20～0.25％、Si≤0.015％、S≤0.006％、P≤0.011％，余量为铁及不可避免的杂质。

8.根据权利要求1或2任一所述的超超临界耐热钢配套药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝的直径为φ1.2～2.4mm。

9.根据权利要求1或2任一所述的超超临界耐热钢配套药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝用于焊接，焊接熔敷金属包含以下成分：C 0.08～0.13％、Mn 0.40～1.00％、Si≤0.50％、S≤0.01％、P≤0.015％、Cr 8.50～10.50％、Mo0.80～1.20％、Ni 0.40～0.80％、V0.15～0.25％、Nb 0.03～0.07％、N 0.03～0.07％、W 0.85～1.20％、Al≤0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。

10.根据权利要求1或2任一所述的超超临界耐热钢配套药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝用于焊接，焊接焊接熔敷金属的扩散氢含量小于5mL/100g且力学性能为：抗拉强度≥620Mpa、屈服强度≥530Mpa、延伸率≥17％、20℃冲击功达到45J。

11.一种权利要求1-10任一所述的超超临界耐热钢配套药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：

①将药芯各组分混合均匀后待用；

②将外皮置于焊丝成型机内、陆续将待用的药芯混合料注入横向弯制成“U”型的外皮凹槽内，进而卷制成丝、经细拉至Φ1.2mm即得超超临界耐热钢配套药芯焊丝。

12.一种焊接方法，该方法采用权利要求1-10任一所述的超超临界耐热钢配套药芯焊丝，该焊丝与X11CrMoWVNb9-1-1、G-X12CrMoWVNbN10-1-1或E911/P911配套使用。