CN108015447B - 连铸辊埋弧堆焊用析出硬化型不锈钢药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

连铸辊埋弧堆焊用析出硬化型不锈钢药芯焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连铸辊埋弧堆焊用析出硬化型不锈钢药芯焊丝及其制备方法。该药芯焊丝由药粉和外用碳钢钢带组成，所述药粉占焊丝总重量的35.0～38.0％，其中药粉各组分占药粉的重量百分比为：金属铬粉：29.0～31.0％，低碳铬铁：25.0～26.5％，金属镍粉：12.0～13.0％，金属铜粉：10.0～11.5％，电解金属锰：0.8～1.2％，铌铁：1.0～1.5％，金属钼粉：0.1～0.8％，钛铁：0.3～0.6％，稀土硅铁：2.0～2.5％，金属铝粉：0.3～0.6％，氟化钡：8.0～10.0％，其余为铁粉。采用本发明的药芯焊丝，堆焊层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐冷热疲劳性能及抗回火软化能力，能够显著提高连铸辊的使用寿命。

Description

连铸辊埋弧堆焊用析出硬化型不锈钢药芯焊丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种连铸辊堆焊用析出硬化型不锈钢药芯焊丝及其制备方法，属于材料加工工程的焊接领域。
背景技术
连铸辊的工况条件十分苛刻，需承受输送高温钢坯引起的循环载荷以及喷淋冷却引起的交变热循环，要求连铸辊具有良好的耐磨性、耐腐蚀性及耐冷热疲劳能力。随着连铸技术的发展和连铸钢材的升级，连铸坯的温度升高，对连铸辊的抗回火软化能力也提出了要求，高温连铸坯在连铸辊上输送，相当于对辊面进行高温回火，若辊面的抗高温回火能力不足，其硬度将显著下降，经过高温钢板的连续输送，辊面连续进行高温回火，硬度将不断降低，最终将导致连铸辊耐磨性不足而失效。而传统的连铸辊制造方式是在辊坯表面堆焊Cr13系马氏体不锈钢，如0Cr13Ni4MoN、1Cr13NiMo等，但连铸辊的服役工况日益苛刻，Cr13系马氏体不锈钢难以满足使用要求，服役中表面常出现磨损、腐蚀、疲劳裂纹等，导致连铸辊失效报废。因此，提高连铸辊的使用寿命已成为堆焊行业的研究重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连铸辊埋弧堆焊用析出硬化型不锈钢药芯焊丝，以提高连铸辊的使用寿命。该药芯焊丝适用于连铸辊服役的，冷热疲劳、腐蚀、磨损和高温回火综合作用的工况。
本发明的另一目的在于提供所述连铸辊埋弧堆焊用析出硬化型不锈钢药芯焊丝的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种连铸辊埋弧堆焊用析出硬化型不锈钢药芯焊丝，由药粉和外用碳钢钢带组成，其中，所述药粉占焊丝总重量的35.0～38.0％，且药粉各组分占药粉的重量百分比为：金属铬粉：29.0～31.0％，低碳铬铁：25.0～26.5％，金属镍粉：12.0～13.0％，金属铜粉：10.0～11.5％，电解金属锰：0.8～1.2％，铌铁：1.0～1.5％，金属钼粉：0.1～0.8％，钛铁：0.3～0.6％，稀土硅铁：2.0～2.5％，金属铝粉：0.3～0.6％，氟化钡：8.0～10.0％，其余为铁粉。
本发明通过调整焊丝外用钢带和药粉中各组分的比例，优化熔敷金属的化学成分，使其达到最佳性能，以满足连铸辊的使用要求。本发明涉及的连铸辊堆焊用析出硬化型马氏体不锈钢药芯焊丝，采用0Cr17Ni4Cu4Nb合金体系，其显微组织为马氏体基体上弥散分布粒状的富Cu金属间化合物强化相。当熔敷金属的含碳量过低(低于0.04％)时，马氏体基体的耐磨性不足，导致熔敷金属耐磨性下降，而当熔敷金属的含碳量过高(高于0.07％)时，堆焊层中将形成较多的富铬碳化物，富铬碳化物尺寸大，耐冷热疲劳性能差，不利于提高连铸辊的使用寿命。在本发明的药芯焊丝中，外用碳钢钢带、药粉中的低碳铬铁是向熔敷金属过渡碳元素的主要组分，其含碳量分别优选为0.03～0.06％和0.15～0.25％，从而将焊丝熔敷金属的含碳量控制在0.04～0.07％范围内。
如上所述的药芯焊丝，优选地，所述药芯焊丝的直径为3.2mm。
如上所述的药芯焊丝，其制备方法步骤如下：
(1)按照所述药粉组成配置好药芯粉末后，混合搅拌50～70分钟；
(2)将0.5mm×14mm碳钢不锈钢带轧成U形，向U形槽内加入搅拌后的药芯粉末，药芯粉末占本焊丝总重量35.0～38.0％；
(3)将U形槽合口后，进行φ3.96mm、φ3.68mm、φ3.42mm、φ3.17mm四道次连续拉拔减径处理，得到规格为φ3.2mm的焊丝；
(4)对焊丝表面进行机械清理，得到所述连铸辊埋弧堆焊用析出硬化型不锈钢药芯焊丝的最终产品。
本发明的有益效果为：
本发明提供的是一种用于连铸辊埋弧堆焊的0Cr17Ni4Cu4Nb析出硬化型马氏体不锈钢药芯焊丝。析出硬化型马氏体不锈钢的综合性能优良，熔敷金属的显微组织为马氏体基体上分布粒状富铜金属间化合物析出相，其耐腐蚀性接近奥氏体不锈钢，耐磨性能和耐冷热疲劳性能优于马氏体不锈钢。另外，析出硬化型马氏体不锈钢还具有良好的抗高温回火软化能力，特别适用于连铸辊的工况条件。
本发明涉及的连铸辊埋弧堆焊用析出硬化型马氏体不锈钢药芯焊丝，焊接工艺性能优良，堆焊层成形质量好，无裂纹、气孔、夹渣等冶金缺陷，其焊态硬度在HRC42～45范围内，580℃回火后堆焊层的硬度基本不变，即使经过830℃回火，堆焊层的硬度仍可达HRC36以上；而对马氏体不锈钢堆焊层而言，尽管其焊态硬度与析出硬化型马氏体不锈钢相当，但经过580℃回火后硬度将降至HRC40以下，而经过830℃回火后，堆焊层的硬度不足HRC30。可见，与马氏体不锈钢堆焊材料相比，析出硬化型马氏体不锈钢药芯焊丝具有更好的抗回火软化能力，特别适用于连铸辊的表面堆焊和修复。
具体实施方式
本发明的连铸辊埋弧堆焊用析出硬化型不锈钢药芯焊丝由外用钢带和其包裹的药粉组成，其中：
外用钢带是规格为0.5mm×14mm的碳钢带，其含碳量在0.03～0.06％范围内。
药粉组成为：金属铬粉：29.0～31.0％，低碳铬铁：25.0～26.5％，金属镍粉：12.0～13.0％，金属铜粉：10.0～11.5％，电解金属锰：0.8～1.2％，铌铁：1.0～1.5％，金属钼粉：0.1～0.8％，钛铁：0.3～0.6％，稀土硅铁：2.0～2.5％，金属铝粉：0.3～0.6％，氟化钡：8.0～10.0％，其余为铁粉。
金属铬粉：向堆焊熔敷金属提供铬元素，铬元素是析出硬化型不锈钢堆焊熔敷金属的主要元素，保证堆焊熔敷金属的耐磨性和耐腐蚀性。金属铬粉的重量百分含量为(占药粉的重量百分含量，以下同)29.0～31.0％。
低碳铬铁：向堆焊熔敷金属提供铬元素和碳元素，其含碳量为0.15～0.25％(碳元素主要保证堆焊熔敷金属的耐磨性)，含铬量为63.0～65.5％。低碳铬铁的重量百分含量为25.0～26.5％。
金属镍粉：向堆焊熔敷金属提供镍元素，提高熔敷金属的耐腐蚀性能，其重量百分含量为12.0～13.0％。
金属铜粉：铜元素是形成析出硬化相的主要元素。金属铜粉向堆焊熔敷金属过渡铜元素，其重量百分含量为10.0～11.5％。
电解金属锰：向堆焊熔敷金属中过渡锰元素，并起脱氧、脱硫作用，其重量百分含量为0.8～1.2％。
铌铁：含铌量为65.0～75.0％。铌铁向堆焊熔敷金属中过渡铌元素，提高熔敷金属的耐磨性，其重量百分含量为1.0～1.5％。
金属钼粉：向堆焊熔敷金属中过渡钼元素，提高熔敷金属的高温性能和抗热裂性能，其重量百分含量为0.1～0.8％。
钛铁：含钛量为30.0～35.0％。钛铁作为脱氧剂，脱氧产物参与造渣，但加入量过多会导致焊缝脱渣困难，其重量百分含量为0.3～0.6％。
稀土硅铁：其稀土含量为30.0～33.0％，硅含量为30.0～35.0％。稀土硅铁向堆焊熔敷金属过渡硅元素和稀土元素，稀土降低堆焊熔敷金属的裂纹敏感性，硅参与脱氧、脱硫和造渣，其重量百分含量为2.0～2.5％。
金属铝粉：脱氧剂，但加入量过多会恶化焊缝金属成形，其重量百分含量为0.3～0.6％。
氟化钡：去氢，降低焊缝金属气孔倾向，同时作为冶金脱磷反应的助熔剂，促进脱磷反应的进行，其重量百分含量为8.0～10.0％。
本发明的连铸辊埋弧堆焊用析出硬化型不锈钢药芯焊丝的制造采用以下步骤：
(1)按照所述药粉组成配置好药芯粉末后，混合搅拌50～70分钟；
(2)将厚度0.5mm，宽度14mm的碳钢不锈钢带轧成U形，向U形槽内加入搅拌后的药芯粉末，药芯粉末占本焊丝总重量35.0～38.0％；
(3)将U形槽合口后，进行φ3.96mm、φ3.68mm、φ3.42mm、φ3.17mm四道次连续拉拔减径处理，得到规格为φ3.2mm的焊丝；
(4)对焊丝表面进行机械清理，得到所述连铸辊埋弧堆焊用析出硬化型不锈钢药芯焊丝的最终产品。
实施例1
选用厚度0.5mm、宽度14mm、重量为1857g的碳钢钢带，将其轧成U型，将290g金属铬粉，250g低碳铬铁，120g金属镍粉，100g金属铜粉，8g电解金属锰，10g铌铁，1g金属钼粉，3g钛铁，20g稀土硅铁，3g金属铝粉，80g氟化钡，115g铁粉，共1000g药粉，混和搅拌50分钟后加入U型槽中，填充率为35％，合口后依次经过φ3.96mm、φ3.68mm、φ3.42mm、φ3.17mm四次拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
实施例2
选用厚度0.5mm、宽度14mm、重量为1631g的碳钢钢带，将其轧成U型，将310g金属铬粉，265g低碳铬铁，130g金属镍粉，115g金属铜粉，12g电解金属锰，15g铌铁，8g金属钼粉，6g钛铁，25g稀土硅铁，6g金属铝粉，100g氟化钡，8g铁粉，共1000g药粉，混和搅拌70分钟后均匀后加入U型槽中，填充率为38％，合口后依次经过φ3.96mm、φ3.68mm、φ3.42mm、φ3.17mm四次拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
实施例3
选用厚度0.5mm、宽度14mm、重量为1631g的碳钢钢带，将其轧成U型，将300g金属铬粉，260g低碳铬铁，130g金属镍粉，110g金属铜粉，12g电解金属锰，15g铌铁，7g金属钼粉，5g钛铁，24g稀土硅铁，5g金属铝粉，95g氟化钡，37g铁粉，共1000g药粉，混和搅拌55分钟后加入U型槽中，填充率为38％，合口后依次经过φ3.96mm、φ3.68mm、φ3.42mm、φ3.17mm四次拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
实施例4
选用厚度0.5mm、宽度14mm、重量为1857g的碳钢钢带，将其轧成U型，将295g金属铬粉，255g低碳铬铁，125g金属镍粉，105g金属铜粉，8g电解金属锰，11g铌铁，2g金属钼粉，4g钛铁，21g稀土硅铁，4g金属铝粉，82g氟化钡，88g铁粉，共1000g药粉，混和搅拌65分钟后加入U型槽中，填充率为35％，合口后依次经过φ3.96mm、φ3.68mm、φ3.42mm、φ3.17mm四次拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
实施例5
选用厚度0.5mm、宽度14mm、重量为1778g的碳钢钢带，将其轧成U型，将300g金属铬粉，260g低碳铬铁，125g金属镍粉，110g金属铜粉，10g电解金属锰，12g铌铁，5g金属钼粉，4g钛铁，22g稀土硅铁，5g金属铝粉，90g氟化钡，57g铁粉，共1000g药粉，混和搅拌60分钟后加入U型槽中，填充率为36％，合口后依次经过φ3.96mm、φ3.68mm、φ3.42mm、φ3.17mm四次拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
实施例6
选用厚度0.5mm、宽度14mm、重量为1703g的碳钢钢带，将其轧成U型，将305g金属铬粉，255g低碳铬铁，127g金属镍粉，105g金属铜粉，9g电解金属锰，13g铌铁，6g金属钼粉，5g钛铁，23g稀土硅铁，4g金属铝粉，92g氟化钡，56g铁粉，共1000g药粉，混和搅拌60分钟后加入U型槽中，填充率为37％，合口后依次经过φ3.96mm、φ3.68mm、φ3.42mm、φ3.17mm四次拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
对比例1
选用厚度0.5mm、宽度14mm、重量为1631g的碳钢钢带，将其轧成U型，将300g金属铬粉，260g低碳铬铁，130g金属镍粉，110g金属铜粉，12g电解金属锰，15g铌铁，7g金属钼粉，5g钛铁，24g稀土硅铁，5g金属铝粉，95g氟化钡，37g铁粉，共1000g药粉，混和搅拌55分钟后加入U型槽中，填充率为38％，合口后依次经过φ3.96mm、φ3.52mm、φ3.17mm三次拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
对比例2
选用厚度0.5mm、宽度14mm、重量为1702g的碳钢钢带，将其轧成U型，将305g金属铬粉，230g低碳铬铁，25g高碳铬铁，127g金属镍粉，105g金属铜粉，9g电解金属锰，13g铌铁，6g金属钼粉，5g钛铁，23g稀土硅铁，4g金属铝粉，92g氟化钡，56g铁粉，共1000g药粉，混和搅拌60分钟后加入U型槽中，填充率为37％，合口后依次经过φ3.96mm、φ3.68mm、φ3.42mm、φ3.17mm四次拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
对比例3
选用厚度0.5mm、宽度14mm、重量为1702g的碳钢钢带，将其轧成U型，将305g金属铬粉，255g低碳铬铁，127g金属镍粉，105g金属铜粉，9g电解金属锰，13g铌铁，6g金属钼粉，5g钛铁，15g稀土硅铁，4g金属铝粉，92g氟化钡，64g铁粉，共1000g药粉，混和搅拌65分钟后加入U型槽中，填充率为37％，合口后依次经过φ3.96mm、φ3.68mm、φ3.42mm、φ3.17mm四次拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
对比例4
选用厚度0.5mm、宽度14mm、重量为1778g的碳钢钢带，将其轧成U型，将300g金属铬粉，260g低碳铬铁，125g金属镍粉，110g金属铜粉，10g电解金属锰，22g铌铁，5g金属钼粉，4g钛铁，22g稀土硅铁，5g金属铝粉，90g氟化钡，47g铁粉，共1000g药粉，混和搅拌55分钟后加入U型槽中，填充率为36％，合口后依次经过φ3.96mm、φ3.68mm、φ3.42mm、φ3.17mm四次拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
对比例5
选用厚度0.5mm、宽度14mm、重量为1857g的碳钢钢带，将其轧成U型，将290g金属铬粉，250g低碳铬铁，120g金属镍粉，80g金属铜粉，8g电解金属锰，10g铌铁，1g金属钼粉，3g钛铁，20g稀土硅铁，3g金属铝粉，80g氟化钡，135g铁粉，共1000g药粉，混和搅拌65分钟后加入U型槽中，填充率为35％，合口后依次经过φ3.96mm、φ3.68mm、φ3.42mm、φ3.17mm四次拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
对比例6
选用厚度0.5mm、宽度14mm、重量为1631g的碳钢钢带，将其轧成U型，将300g金属铬粉，260g低碳铬铁，130g金属镍粉，110g金属铜粉，12g电解金属锰，15g铌铁，7g金属钼粉，5g钛铁，24g稀土硅铁，5g金属铝粉，95g氟化钡，37g铁粉，共1000g药粉，混和搅拌30分钟后加入U型槽中，填充率为38％，合口后依次经过φ3.96mm、φ3.68mm、φ3.42mm、φ3.17mm四次拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
各实施例及对比例性能的评价
对实施例和对比例涉及的连铸辊埋弧堆焊用析出硬化型不锈钢药芯焊丝的工艺性能、堆焊层含碳量、硬度及抗裂性进行评价。各实施例及对比例的效果对比如表1所示。对比例1所对应的药芯焊丝在制造过程中，采用了三道次拉拔减径，焊丝的送丝稳定性变差，导致堆焊层成形质量差，硬度值波动大，无法应用于连铸辊的表面堆焊；对于药粉中添加2.5％高碳铬铁代替低碳铬铁的对比例2，堆焊层熔敷金属的碳含量超过0.07％，尽管堆焊层的硬度有所增加，但由于堆焊层中析出了大量块状碳化物，反而降低了堆焊层的耐冷热疲劳性能；药粉中稀土硅铁的加入量低于2.0％的对比例3，堆焊层的裂纹倾向明显高于实施例和其他对比例；药粉中铌铁加入量超过1.5％的对比例4，铌的氧化产物NbO与渣中的FeO、MnO等结合，形成体心立方晶格的尖晶石型化合物MeO·Me2O3，导致堆焊层表面粘渣，恶化焊接工艺性能；药粉中金属铜粉含量低于10.0％的对比例5，堆焊层中Cu含量较低，导致金属间化合物相的析出量偏低，从而降低了堆焊层的硬度；对比例6所对应的药芯焊丝在制造过程中，药粉混合搅拌的时间不足50min，药粉均匀性变差，导致堆焊层硬度值波动大，无法应用于连铸辊的表面堆焊。可见，本发明的实施例1～6在焊丝的工艺性能、焊丝熔敷金属的硬度和抗裂性等方面优于对比例1～6。
表1各实施例及对比例的焊丝效果评价

Claims (5)

1.一种连铸辊埋弧堆焊用析出硬化型不锈钢药芯焊丝，由药粉和外用碳钢钢带组成，其特征在于，所述药粉占焊丝总重量的35.0～38.0％，其中药粉各组分占药粉的重量百分比为：金属铬粉：29.0～31.0％，低碳铬铁：25.0～26.5％，金属镍粉：12.0～13.0％，金属铜粉：10.0～11.5％，电解金属锰：0.8～1.2％，铌铁：1.0～1.5％，金属钼粉：0.1～0.8％，钛铁：0.3～0.6％，稀土硅铁：2.0～2.5％，金属铝粉：0.3～0.6％，氟化钡：8.0～10.0％，其余为铁粉；所述药芯焊丝熔敷金属的含碳量在0.04～0.07％范围内。
2.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝外用碳钢钢带的含碳量在0.03～0.06％范围内。
3.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝中低碳铬铁的含碳量在0.15～0.25％范围内。
4.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝的直径为3.2mm。
5.一种权利要求1所述药芯焊丝的制备方法，其特征在于，将药粉按权利要求1的配比配置后混合搅拌50～70分钟，将厚度0.5mm、宽度14mm的外用碳钢钢带制成U形，向U形槽内加入混合后的药粉，U形槽合口后，依次进行φ3.96mm、φ3.68mm、φ3.42mm、φ3.17mm四道次连续拉拔减径，得到规格为φ3.2mm的药芯焊丝。
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