CN108838580A

CN108838580A - 耐高温焊丝及其制备方法

Info

Publication number: CN108838580A
Application number: CN201810917506.7A
Authority: CN
Inventors: 石双音; 张军; 邓航海; 马俊青
Original assignee: Tianjin Wodon Wear Resistant Material Co ltd
Current assignee: Hebei Wharton New Materials Co Ltd; Tianjin Wodon Wear Resistant Material Co ltd
Priority date: 2018-08-13
Filing date: 2018-08-13
Publication date: 2018-11-20
Anticipated expiration: 2038-08-13
Also published as: CN108838580B

Abstract

本发明涉及一种耐高温焊丝，属于焊丝技术领域，解决了现有技术中焊丝的硬度、抗裂性、耐高温性不够理想的技术问题，耐高温焊丝包括C、Mn、Si、Mo、Cr、Nb、Zr、Al、Fe、S、P、Ni、脱氧剂，经过成粉、加乙醇球磨、均匀混合、保温精炼、锻造、热轧、拉拔、退火、酸洗、水洗、烘干得到耐高温焊丝。本发明的耐高温焊丝，其具有较高的硬度和耐高温性，而且还具有较高的抗裂性的优点，同时通过在耐高温焊丝中加入脱氧剂、在冷拉拔的过程中加入退火处理，进一步提高了耐高温焊丝的硬度、耐高温性和抗裂性。

Description

耐高温焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及焊丝技术领域，更具体的说，它涉及一种耐高温焊丝及其制备方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，各种新技术、新工艺不断涌现，在实践中，人们对材料的性能也不断提出新的或更高的要求。焊丝作为填充金属的金属丝焊接材料，在机械设备中占有不可或缺的地位。

火力发电站锅炉的四管“水冷壁、过热器、再热器、省煤器”等高温受热面，通常在高温腐蚀等恶劣工况下长期工作，四管在工作过程中受到的高温氧化与腐蚀是造成管道失效泄漏的主要原因，因此对焊丝提出了更高的要求，不仅要求实现管道的良好的连接，同时还有具有更好的硬度和耐高温性。但现有的焊丝由于存在工艺和选材的缺陷，导致硬度、抗裂性、耐高温性不够理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐高温焊丝，其具有较高的硬度和耐高温性，同时还具有较高的抗裂性的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

耐高温焊丝，按重量百分数计，所述耐高温焊丝包括C：3.50-6.50％、Mn：0.50-3.50％、Si：0.50-3.50％、Mo：0.50-3.50％、Cr：20.00-35.00％、Nb：0.20-0.50％、Zr：0.25-0.60％、Al：0.90-1.50％、Fe：0.10-0.30％、S：≤0.05％、P：≤0.05％、脱氧剂：1.50-2.50％，余量为Ni。

通过采用上述技术方案，在耐高温焊丝中加入Nb、Zr、Al后，通过Nb、Zr、Al三者之间相互协同的作用，使耐高温焊丝形成核心细化晶粒，抑制较大结晶裂纹倾向，提高耐高温焊丝的致密性，并在表面形成致密的氧化膜，对耐高温焊丝进行保护，从而提高了耐高温焊丝的硬度和耐高温性，同时通过在耐高温焊丝中加入Cr后，控制焊缝凝固偏析和晶间低熔点液态膜，从而提高了高温焊丝的抗裂性，使耐高温焊丝具有较高的硬度和耐高温性，同时还具有较高的抗裂性的优点。

较优选地，所述耐高温焊丝包括C：5.64％、Mn：1.48％、Si：1.23％、Mo：1.82％、Cr：27.46％、Nb：0.43％、Zr：0.36％、Al：1.23％、Fe：0.15％、S：≤0.03％、P≤0.03％、脱氧剂：1.95％，余量为Ni。

通过采用上述技术方案，对耐高温焊丝中的各成分含量进行优化，提高了耐高温焊丝的硬度、耐高温性和抗裂性。

较优选地，所述脱氧剂为Al-Ca-Ti复合脱氧剂。

通过采用上述技术方案，在耐高温焊丝进行制备时，由于水分的挥发或混入部分空气，其中的氧气优先和Al-Ca-Ti复合脱氧剂中的Ca进行反应，从而避免了耐高温焊丝中各金属发生氧化，提高了耐高温焊丝中各金属之间的连接强度，同时Al-Ca-Ti复合脱氧剂中的Al、Ti也提高了脱氧剂和耐高温焊丝中各金属之间的连接强度，从而提高了耐高温焊丝的硬度和耐高温性。

较优选地，所述Al-Ca-Ti复合脱氧剂中Al的重量百分数为15.00-25.00％，所述Al-Ca-Ti复合脱氧剂中Ca的重量百分数为50.00-65.00％，余量为Ti。

通过采用上述技术方案，对Al-Ca-Ti复合脱氧剂中Al的含量、Al-Ca-Ti复合脱氧剂中Ca的含量进行优化，使Al-Ca-Ti复合脱氧剂即可以起到防止氧化的作用，也可以起到和耐高温焊丝中各金属之间良好的连接作用，避免因Al-Ca-Ti复合脱氧剂中Ca含量过高而降低耐高温焊丝的硬度和耐高温性。

较优选地，所述耐高温焊丝的直径为4-16mm。

通过采用上述技术方案，对耐高温焊丝的直径进行优化，防止耐高温焊丝的直径过小时，而增加耐高温焊丝的加工难度和焊接难度，同时防止耐高温焊丝的直径过大时，而增加耐高温焊丝的生产成本和焊接难度，降低耐高温焊丝的实用性。

本发明的目的二在于提供一种制备上述所述的耐高温焊丝的方法，通过加入脱氧剂，以及在冷拉拔的过程中加入退火处理，不仅避免了耐高温焊丝中各金属发生氧化，同时消除应力、优化耐高温焊丝组织结构，进一步提高了耐高温焊丝的耐高温性和抗裂性。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

制备上述所述的耐高温焊丝的方法，包括如下步骤：

(1)将含有C、Mn、Si、Mo、Cr、Nb、Zr、Al、Fe、Ni的原料以及脱氧剂分别制成粉末；

(2)按规定的重量百分数的要求称取步骤(1)中的粉末进行配料并加入各原料总重量的30-40％的乙醇，乙醇的质量分数为40-50％，之后进行球磨并混合均匀，得到料浆；

(3)将步骤(2)中的料浆放入烘干室内恒温干燥至残余乙醇的质量百分数小于等于0.3％，得到混合料；

(4)将步骤(3)中的混合料放入真空感应炉中，在1500-1550℃的温度，0.1-1.0Pa的真空度下，保温精炼2-3h，之后在1400-1450℃的温度下，浇注成坯料；

(5)将步骤(4)中的坯料放入加热炉内，在1200-1250℃的温度下，静置锻造30-60min，之后转入加热炉中，在1100-1150℃的温度下，热轧成棒材；

(6)将步骤(5)中的棒材放入拉丝设备内，进行多次冷拉拔，至将棒材拉拔为所需尺寸的粗焊丝，在拉拔过程中，对棒材进行中间退火处理，退火温度为1100-1150℃，退火时间为15-30min；

(7)将步骤(6)中的粗焊丝经过酸洗、水洗、烘干，得到耐高温焊丝。

通过采用上述技术方案，经过成粉、加乙醇球磨、均匀混合、保温精炼、锻造、热轧、拉拔、退火、酸洗、水洗、烘干得到耐高温焊丝，其中将耐高温焊丝中各金属成粉并加乙醇球磨，增加了各金属之间的接触面积，在精炼过程中使各金属之间发生原子交换，而且脱氧剂避免了耐高温焊丝中各金属发生氧化，进而提高了耐高温焊丝中各金属之间的连接强度，同时在冷拉拔的过程中加入退火处理，消除应力、优化耐高温焊丝组织结构，进一步提高了耐高温焊丝的硬度、耐高温性和抗裂性。

较优选地，所述粉末和乙醇在球磨机中正反转交替球磨3-4h，球磨速度为800r/min。

通过采用上述技术方案，使粉末在球磨机中进行充分球磨，加入乙醇，使粉末球磨的更细，同时后续将乙醇进行挥发时，避免了乙醇影响耐高温焊丝的硬度、耐高温性和抗裂性。

较优选地，所述混合料的平均粒径为小于6-12μm。

通过采用上述技术方案，对混合料的平均粒径进行优化，不仅使混合料混合的更均匀，而且使耐高温焊丝中各金属之间连接的更牢固、更致密，提高耐高温焊丝硬度和耐高温性。

较优选地，所述酸洗首先采用总质量分数为40-45％的HCl、HNO₃、H₂SO₄混合水溶液清洗，之后用质量分数为25-30％的HNO₃水溶液清洗。

通过采用上述技术方案，HCl、HNO₃、H₂SO₄混合水溶液对粗棒材的表面进行初步清洗，之后采用HNO₃水溶液对粗棒材表面进行清洗，从而使粗棒材表面形成光亮层，增加耐高温焊丝的实用性，之后进行水洗、烘干，避免耐高温焊丝发生腐蚀，从而提高了耐高温焊丝的硬度。

较优选地，所述HCl、HNO₃、H₂SO₄的摩尔配比为1:2:1。

通过采用上述技术方案，不仅使HCl、HNO₃、H₂SO₄混合水溶液达到对粗棒材表面的清洗效果，而且避免了HCl、HNO₃、H₂SO₄混合水溶液的酸性过高而对粗棒材造成腐蚀。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

第一、本发明的耐高温焊丝，其具有较高的硬度和耐高温性，同时还具有较高的抗裂性的优点。

第二、通过Nb、Zr、Al三者之间相互协同的作用，使耐高温焊丝形成核心细化晶粒，抑制较大结晶裂纹倾向，提高耐高温焊丝的致密性，并在表面形成致密的氧化膜，对耐高温焊丝进行保护，从而提高了耐高温焊丝的硬度和耐高温性。

第三、通过在耐高温焊丝中加入Cr后，控制焊缝凝固偏析和晶间低熔点液态膜，提高了高温焊丝的抗裂性。

第四、在制备耐高温焊丝时，通过加入脱氧剂，避免了耐高温焊丝中各金属发生氧化，提高了超级耐磨板中各金属之间的连接强度，同时在冷拉拔的过程中加入退火处理，消除应力、优化耐高温焊丝组织结构，进一步提高耐高温焊丝的硬度、耐高温性和抗裂性。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。应该理解的是，本发明实施例所述制备方法仅仅是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明制备方法的简单改进都属于本发明要求保护的范围。

实施例1，耐高温焊丝，包括如下步骤：

(1)将含有C、Mn、Si、Mo、Cr、Nb、Zr、Al、Fe、Ni的原料以及Al-Ca-Ti复合脱氧剂分别制成粉末，其中Al-Ca-Ti复合脱氧剂中Al的重量百分数为15.00％，所述Al-Ca-Ti复合脱氧剂中Ca的重量百分数为50.00％，余量为Ti；

(2)按照如下重量百分比称取各原料并进行配料：C：6.50％、Mn：3.50％、Si：0.50％、Mo：3.50％、Cr：20.00％、Nb：0.20％、Zr：0.60％、Al：0.90％、Fe：0.30％、S≤0.05％、P≤0.05％、Al-Ca-Ti复合脱氧剂：1.50％，余量为Ni，之后加入30Kg的乙醇，乙醇的质量分数为50％，之后在球磨机中正反转交替球磨4h，球磨速度为800r/min，球磨并混合均匀，得到料浆；

(3)将步骤(2)中的料浆放入烘干室内恒温干燥至残余乙醇的质量百分数小于等于0.3％，得到混合料，混合料的平均粒径为小于6μm；

(4)将步骤(3)中的混合料放入真空感应炉中，在1500℃的温度，0.1Pa的真空度下，保温精炼3h，之后在1400℃的温度下，浇注成坯料；

(5)将步骤(4)中的坯料放入加热炉内，在1200℃的温度下，静置锻造60min，之后转入加热炉中，在1100℃的温度下，热轧成棒材；

(6)将步骤(5)中的棒材放入拉丝设备内，进行多次冷拉拔，至将棒材拉拔为直径为4mm的粗焊丝，在拉拔过程中，对棒材进行中间退火处理，退火温度为1100℃，退火时间为30min；

(7)将步骤(6)中的粗焊丝经过总质量分数为40％的HCl、HNO₃、H₂SO₄混合水溶液进行清洗，其中HCl、HNO₃、H₂SO₄的摩尔配比为1:2:1，之后转入质量分数为25％的HNO₃水溶液中进行清洗，最后经过水洗、烘干，得到耐高温焊丝。

实施例2，耐高温焊丝，包括如下步骤：

(1)将含有C、Mn、Si、Mo、Cr、Nb、Zr、Al、Fe、Ni的原料以及Al-Ca-Ti复合脱氧剂分别制成粉末，其中Al-Ca-Ti复合脱氧剂中Al的重量百分数为21.7％，所述Al-Ca-Ti复合脱氧剂中Ca的重量百分数为56.6％，余量为Ti；

(2)按照如下重量百分比称取各原料并进行配料：C：5.64％、Mn：1.48％、Si：1.23％、Mo：1.82％、Cr：27.46％、Nb：0.43％、Zr：0.36％、Al：1.23％、Fe：0.15％、S≤0.03％、P≤0.03％、Al-Ca-Ti复合脱氧剂：1.95％，余量为Ni，之后加入35Kg的乙醇，乙醇的质量分数为45％，之后在球磨机中正反转交替球磨3.5h，球磨速度为800r/min，球磨并混合均匀，得到料浆；

(3)将步骤(2)中的料浆放入烘干室内恒温干燥至残余乙醇的质量百分数小于等于0.2％，得到混合料，混合料的平均粒径为小于9μm；

(4)将步骤(3)中的混合料放入真空感应炉中，在1530℃的温度，0.6Pa的真空度下，保温精炼2.5h，之后在1430℃的温度下，浇注成坯料；

(5)将步骤(4)中的坯料放入加热炉内，在1230℃的温度下，静置锻造45min，之后转入加热炉中，在1120℃的温度下，热轧成棒材；

(6)将步骤(5)中的棒材放入拉丝设备内，进行多次冷拉拔，至将棒材拉拔为直径为10mm的粗焊丝，在拉拔过程中，对棒材进行中间退火处理，退火温度为1120℃，退火时间为20min；

(7)将步骤(6)中的粗焊丝经过总质量分数为43％的HCl、HNO₃、H₂SO₄混合水溶液进行清洗，其中HCl、HNO₃、H₂SO₄的摩尔配比为1:2:1，之后转入质量分数为27％的HNO₃水溶液中进行清洗，最后经过水洗、烘干，得到耐高温焊丝。

实施例3，耐高温焊丝，包括如下步骤：

(1)将含有C、Mn、Si、Mo、Cr、Nb、Zr、Al、Fe、Ni的原料以及Al-Ca-Ti复合脱氧剂分别制成粉末，其中Al-Ca-Ti复合脱氧剂中Al的重量百分数为25.00％，所述Al-Ca-Ti复合脱氧剂中Ca的重量百分数为65.00％，余量为Ti；

(2)按照如下重量百分比称取各原料并进行配料：C：3.50％、Mn：0.50％、Si：3.50％、Mo：0.50％、Cr：35.00％、Nb：0.50％、Zr：0.25％、Al：1.50％、Fe：0.10％、S≤0.05％、P≤0.05％、Al-Ca-Ti复合脱氧剂：2.50％，余量为Ni，之后加入40Kg的乙醇，乙醇的质量分数为40％，之后在球磨机中正反转交替球磨3h，球磨速度为800r/min，球磨并混合均匀，得到料浆；

(3)将步骤(2)中的料浆放入烘干室内恒温干燥至残余乙醇的质量百分数小于等于0.3％，得到混合料，混合料的平均粒径为小于12μm；

(4)将步骤(3)中的混合料放入真空感应炉中，在1550℃的温度，1.0Pa的真空度下，保温精炼2h，之后在1450℃的温度下，浇注成坯料；

(5)将步骤(4)中的坯料放入加热炉内，在1250℃的温度下，静置锻造30min，之后转入加热炉中，在1150℃的温度下，热轧成棒材；

(6)将步骤(5)中的棒材放入拉丝设备内，进行多次冷拉拔，至将棒材拉拔为直径为16mm的粗焊丝，在拉拔过程中，对棒材进行中间退火处理，退火温度为1150℃，退火时间为15min；

(7)将步骤(6)中的粗焊丝经过总质量分数为45％的HCl、HNO₃、H₂SO₄混合水溶液进行清洗，其中HCl、HNO₃、H₂SO₄的摩尔配比为1:2:1，之后转入质量分数为30％的HNO₃水溶液中进行清洗，最后经过水洗、烘干，得到耐高温焊丝。

对比例1，耐高温焊丝，本对比例与实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Nb、Zr、Al。

对比例2，耐高温焊丝，本对比例与实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Nb。

对比例3，耐高温焊丝，本对比例与实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Zr。

对比例4，耐高温焊丝，本对比例与实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Al。

对比例5，耐高温焊丝，本对比例与实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Nb、Zr。

对比例6，耐高温焊丝，本对比例与实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Nb、Al。

对比例7，耐高温焊丝，本对比例与实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Zr、Al。

对比例8，耐高温焊丝，本对比例与实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Cr。

对比例9，耐高温焊丝，本对比例与实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加脱氧剂。

耐高温焊丝的评价

对实施例1-3和对比例1-9制得的耐高温焊丝，分别进行焊接接头性能研究，其中焊接试板为长300mm、宽200mm、厚20mm的Q235钢板，且Q235钢板堆焊三层，堆焊层厚度为5mm，之后进行络氏硬度、常温和高温力学性能、裂纹率的检测，检测结果如表1所示。

(1)络氏硬度的检测：用HR-150A络氏硬度计测定耐高温焊丝熔敷层表面的硬度。

(2)抗拉伸强度的检测：在25℃或950℃下，进行拉伸应力检测。

(3)抗裂性的检测：进行50次焊接接头试验，观察每次试验在焊接过程中是否产生裂纹，并计算裂纹率：

裂纹率％＝产生裂纹次数/50×100

表1检测结果

从表1中可以看出，本发明制备得到的耐高温焊丝，其具有较高的硬度、室温和高温抗压强度，同时还具有较低的裂纹率，即具有较高的抗裂性。

通过对比实施例2和对比例1-7，对比例1和实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Nb、Zr、Al；对比例2和实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Nb；对比例3和实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Zr；对比例4和实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Al；对比例5和实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Nb、Zr；对比例6和实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Nb、Al；对比例7和实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Zr、Al，由此可以看出，在耐高温焊丝中加入Nb、Zr、Al后，可以明显提高耐高温焊丝的硬度、室温和高温抗压强度，这主要是由于Nb、Zr、Al三者之间相互协同的作用，使耐高温焊丝形成核心细化晶粒，抑制较大结晶裂纹倾向，提高耐高温焊丝的致密性，并在表面形成致密的氧化膜，对耐高温焊丝进行保护，从而提高了耐高温焊丝的硬度、室温和高温抗压强度，即提高了耐高温焊丝的硬度和耐高温性。

通过对比实施例2和对比例8，对比例8和实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加Cr，由此可以看出，在耐高温焊丝中加入Cr后，控制焊缝凝固偏析和晶间低熔点液态膜，从而提高了高温焊丝的抗裂性。再通过对比实施例2和对比例9，对比例9和实施例2的区别之处在于制备的耐高温焊丝中没有添加脱氧剂，由此可以看出，在耐高温焊丝中加入脱氧剂，可以提高耐高温焊丝的硬度、室温和高温的抗拉强度，同时降低耐高温焊丝的裂纹率，这主要是由于加入的脱氧剂，在耐高温焊丝的制备过程中，避免了耐高温焊丝中各金属发生氧化，进而提高了耐高温焊丝中各金属之间的连接强度，从而提高了耐高温焊丝硬度、耐高温性和抗裂性。

Claims

1.耐高温焊丝，其特征在于：按重量百分数计，所述耐高温焊丝包括C：3.50-6.50%、Mn：0.50-3.50%、Si：0.50-3.50%、Mo：0.50-3.50%、Cr：20.00-35.00%、Nb：0.20-0.50%、Zr：0.25-0.60%、Al：0.90-1.50%、Fe：0.10-0.30%、S：≤0.05%、P：≤0.05%、脱氧剂：1.50-2.50%，余量为Ni。

2.根据权利要求1所述的耐高温焊丝，其特征在于：所述耐高温焊丝包括C：5.64%、Mn：1.48%、Si：1.23%、Mo：1.82%、Cr：27.46%、Nb：0.43%、Zr：0.36%、Al：1.23%、Fe：0.15%、S：≤0.03%、P≤0.03%、脱氧剂：1.95%，余量为Ni。

3.根据权利要求1所述的耐高温焊丝，其特征在于：所述脱氧剂为Al-Ca-Ti复合脱氧剂。

4.根据权利要求3所述的耐高温焊丝，其特征在于：所述Al-Ca-Ti复合脱氧剂中Al的重量百分数为15.00-25.00%，所述Al-Ca-Ti复合脱氧剂中Ca的重量百分数为50.00-65.00%，余量为Ti。

5.根据权利要求1所述的耐高温焊丝，其特征在于：所述耐高温焊丝的直径为4-16mm。

6.制备如权利要求1-5中任意一项所述的耐高温焊丝的方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）将含有C、Mn、Si、Mo、Cr、Nb、Zr、Al、Fe、Ni的原料以及脱氧剂分别制成粉末；

（2）按规定的重量百分数的要求称取步骤（1）中的粉末进行配料并加入各原料总重量的30-40%的乙醇，乙醇的质量分数为40-50%，之后进行球磨并混合均匀，得到料浆；

（3）将步骤（2）中的料浆放入烘干室内恒温干燥至残余乙醇的质量百分数小于等于0.3%，得到混合料；

（4）将步骤（3）中的混合料放入真空感应炉中，在1500-1550℃的温度，0.1-1.0Pa的真空度下，保温精炼2-3h，之后在1400-1450℃的温度下，浇注成坯料；

（5）将步骤（4）中的坯料放入加热炉内，在1200-1250℃的温度下，静置锻造30-60min，之后转入加热炉中，在1100-1150℃的温度下，热轧成棒材；

（6）将步骤（5）中的棒材放入拉丝设备内，进行多次冷拉拔，至将棒材拉拔为所需尺寸的粗焊丝，在拉拔过程中，对棒材进行中间退火处理，退火温度为1100-1150℃，退火时间为15-30min；

（7）将步骤（6）中的粗焊丝经过酸洗、水洗、烘干，得到耐高温焊丝。

7.根据权利要求6所述的制备耐高温焊丝的方法，其特征在于：所述粉末和乙醇在球磨机中正反转交替球磨3-4h，球磨速度为800r/min。

8.根据权利要求6所述的制备耐高温焊丝的方法，其特征在于：所述混合料的平均粒径为小于6-12μm。

9.根据权利要求6所述的制备耐高温焊丝的方法，其特征在于：所述酸洗首先采用总质量分数为40-45%的HCl、HNO₃、H₂SO₄混合水溶液清洗，之后用质量分数为25-30%的HNO₃水溶液清洗。

10.根据权利要求9所述的制备耐高温焊丝的方法，其特征在于：所述HCl、HNO₃、H₂SO₄的摩尔配比为1:2:1。