CN109048119A - 一种650℃超超临界火电汽轮机铸钢件用实心焊丝 - Google Patents

一种650℃超超临界火电汽轮机铸钢件用实心焊丝 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种650℃超超临界火电汽轮机铸钢件用实心焊丝，属于焊接材料领域，解决了现有焊丝产生的熔敷金属难以满足超超临界火电汽轮机铸钢件的力学性能要求的问题。焊丝的芯线的成分按质量百分比包括：C：0.05％‑0.12％，Mn：0.3％‑0.9％，Si：≤0.50％，P：≤0.010％，S：≤0.01％，Cr：8.5％‑9.3％，Co：2.5％‑3.5％，W：2.5％‑3.5％，Ni：0.05％‑0.25％，Nb：0.02％‑0.08％，V：0.12％‑0.32％，B：0.002％‑0.008％，N：0.015％‑0.025％。本发明通过添加微量合金元素及部分元素含量的适度调整，获得与母材近似的物化性能，特别适合用于超超临界汽轮机铸件的补焊和结构焊，尤其是耐热钢MARBN的焊接。

Description

一种650℃超超临界火电汽轮机铸钢件用实心焊丝
技术领域
本发明涉及650℃超超临界火电汽轮机铸钢件焊接技术领域，尤其涉及一种650℃超超临界火电汽轮机铸钢件用实心焊丝。
背景技术
随着近年来国民经济的快速发展所带来的对电力的大量需求，相关部门和企业迫切需要提高电站建设和运行的效率、降低成本同时兼顾环境保护。在这种条件下发展超超临界火电机组已成为电站建设的主导方向。而新型马氏体耐热钢成为发展重点，尤其是9％Cr-3％W-3％Co系列耐热钢，其在620～650℃温度段具有优异的组织稳定性和持久强度，成为国内外研究的重点领域，代表成分有国内G115材质与国外MARBN材质，二者主要区别在于G115钢中含有质量百分数约1％的Cu，而MARBN钢中未加Cu。国内G115的研发侧重于在管道上的应用，而国外MARBN材质除在管道上应用外，也有多家公司将其用于汽轮机阀体等大型铸件的制造。而目前尚无MARBN材质的匹配焊材，相关铸件研制时仍采用CB2材料的匹配焊材开展试验，故其相匹配焊接材料的研发显得尤为重要。
大型铸件补焊时，为使焊缝与母材性能一致，同时发挥母材各元素设计的优点，所用焊材熔敷金属成分一般与母材成分相同。然而，由于9％Cr铁素体耐热钢的材料特点，在MARBN材质大型铸件的补焊的过程中，完全同材质焊材会产生热裂等多种技术问题。国内多家企业和科研机构针对G115材质的匹配焊材申请专利，但相应焊材成分和设计理念或可应用于管道的焊接，却难以应用于MARBN材质大型铸件的补焊。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种650℃超超临界火电汽轮机铸钢件用实心焊丝，用以解决现有焊丝产生的熔敷金属难以满足650℃超超临界火电汽轮机铸钢件的力学性能要求的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明技术方案中，一种650℃超超临界火电汽轮机铸钢件用实心焊丝，其特征在于，所述焊丝的芯线的成分按质量百分比包括：C：0.05％-0.12％，Mn：0.3％-0.9％，Si：≤0.50％，P：≤0.010％，S：≤0.01％，Cr：8.5％-9.3％，Co：2.5％-3.5％，W：2.5％-3.5％，Ni：0.05％-0.25％，Nb：0.02％-0.08％，V：0.12％-0.32％，B：0.002％-0.008％，N：0.015％-0.025％。
本发明技术方案中，所述焊丝的芯线还包括稀土，所述稀土占总质量的0.01％-0.05％。
本发明技术方案中，所述稀土为Ce、La、Y、Pr、Nd中的一种或多种。
本发明技术方案中，所述焊丝的芯线的成分按质量百分比为：C：0.10％，Mn：0.5％，Si：0.28％，P：0.008％，S：0.003％，Cr：8.9％，Co：3.2％，W：3.0％，Ni：0.14％，Nb：0.05％，V：0.22％，B：0.006％，N：0.024％，余量为Fe和杂质。
本发明技术方案中，所述焊丝的芯线成分按重量百分比为：C：0.12％，Mn：0.3％，Si：0.14％，P：0.002％，S：0.004％，Cr：8.5％，Co：2.5％，W：3.2％，Ni：0.25％，Nb：0.08％，V：0.24％，B：0.008％，N：0.015％，La：0.21％，Pr：0.26％，余量为Fe和杂质。
本发明技术方案中，所述焊丝的芯线成分按重量百分比为：C：0.11％，Mn：0.7％，Si：0.5％，P：0.01％，S：0.004％，Cr：8.5％，Co：2.9％，W：2.5％，Ni：0.08％，Nb：0.02％，V：0.27％，B：0.002％，N：0.02％，Ce：0.11％，La：0.18％，Y：0.05％，Nd：0.09％，余量为Fe和杂质。
本发明技术方案中，所述焊丝的芯线成分按重量百分比为：C：0.05％，Mn：0.4％，Si：0.05％，P：0.005％，S：0.01％，Cr：9.2％，Co：3.5％，W：2.9％，Ni：0.1％，Nb：0.03％，V：0.12％，B：0.004％，N：0.025％，Ce：0.01％，余量为Fe和杂质。
本发明技术方案中，所述焊丝用来对马氏体耐热钢MARBN制成的650℃超超临界火电汽轮机铸件进行补焊。
本发明技术方案中，所述焊丝的熔敷金属的成分按质量百分比包括：C：0.05％-0.12％，Mn：0.3％-0.9％，Si：≤0.50％，P：≤0.010％，S：≤0.01％，Cr：8.5％-9.3％，Co：2.5％-3.5％，W：2.5％-3.5％，Ni：0.05％-0.25％，Nb：0.02％-0.08％，V：0.12％-0.32％，B：0.002％-0.006％，N：0.015％-0.025％。
本发明技术方案中，所述焊丝的熔敷金属的成分按质量百分比为：C：0.08％，Mn：0.48％，Si：0.25％，P：0.004％，S：0.002％，Cr：8.87％，Co：3.18％，W：3.0％，Ni：0.13％，Nb：0.047％，V：0.22％，B：0.004％，N：0.021％，余量为Fe和杂质。
本发明技术方案的有益效果是：
1、本发明通过优化焊丝线芯的成分，使得焊丝工艺性优良，铁水流动性良好，焊缝成型美观，焊后焊道清洁，焊接开裂倾向低；
2、本发明的焊丝熔敷金属主要成分为9％Cr-3％W-3％Co，焊接工艺性能良好，在750℃×10h的热处理条件下抗拉强度Rm≥580MPa，常温KV2≥30J，且具有优良的长期高温蠕变强度；
3、本发明通过添加微量合金元素及部分元素含量的精确调整，获得与母材近似的焊道成分及组织，从而获得与母材近似的物化性能，焊丝特别适合用于超超临界汽轮机铸件的补焊，尤其是马氏体耐热钢MARBN的焊接，能适用于全位置焊接；
4、本发明焊丝熔敷金属成分与母材MARBN成分相比，重点对B元素进行调整：MARBN材质为提高持久性能，具有较高的B含量，一般为0.0110％-0.0130％；但过高的B含量会增加热裂倾向，并对冲击性能有害，这尤其不适用于大型铸件的焊补。本发明焊丝熔敷金属成分中B元素含量适当降低为0.0010％-0.0060％，达到综合考量持久性能与可焊接性的目的；
5、本发明焊丝熔敷金属成分与母材MARBN成分相比，重点对N元素进行调整：MARBN材质中因B元素含量较高，为避免BN有害相的析出，因而N元素含量相对较低，一般为0.0080％；本发明焊丝熔敷金属成分在降低B元素含量的同时，适当增加N元素含量，从而增加N与V、Nb形成细小弥散MX相的数量，提高强化作用；
6、本发明焊丝熔敷金属成分与母材MARBN成分相比，重点对Ni元素进行调整：因Ni元素降低9％铁素体耐热钢的持久性能，MARBN材质中一般不含Ni元素；本发明焊丝熔敷金属成分添加少量Ni元素，提高冲击性能，弥补冲击性能偏低的缺陷，保证大型铸件焊补过程的顺利实施；
7、本发明焊丝，还添加了稀土元素，少量稀土元素可以显著提高焊丝的性能，进而提高大型铸件整体的性能。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书中所特别指出的内容中来实现和获得。
具体实施方式
下面具体描述本发明的优选实施例，其中，本发明的实施例用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
马氏体耐热钢MARBN为近年来外国兴起的新型钢种，在620～650℃温度段具有优异的组织稳定性和持久强度，成为国内外研究的重点领域，相应的国内也发明了G115钢，但是G115钢就现有技术而言难以用于汽轮机铸件的生产，而MARBN钢则可以用来浇铸在汽轮机铸钢件，如Goodwin公司完成了8吨的MARBN材质阀壳试验件浇铸。然而，在进行650℃超超临界火电汽轮机铸钢件研制的过程中，并没有与MARBN钢相匹配的焊丝，依然使用CB2材料的匹配焊材，这制约了MARBN材质在汽轮机铸件上的实际应用。
本发明实施例提供了一种650℃超超临界火电汽轮机铸钢件用实心焊丝，其特征在于，焊丝的芯线的成分按质量百分比包括：C：0.05％-0.12％，Mn：0.3％-0.9％，Si：≤0.50％，P：≤0.010％，S：≤0.01％，Cr：8.5％-9.3％，Co：2.5％-3.5％，W：2.5％-3.5％，Ni：0.05％-0.25％，Nb：0.02％-0.08％，V：0.12％-0.32％，B：0.002％-0.008％，N：0.015％-0.025％。本发明技术领域中，马氏体耐热钢MARBN在620～650℃温度段具有优异的组织稳定性和持久强度，与之匹配的焊材需要和母材具有相同的高温持久强度、抗高温蠕变性能，针对以上问题，本发明实施例优化了焊丝芯线的成分配比，主要成分为9％Cr-3％W-3％Co，又添加微量合金元素，焊接工艺性能良好，在750℃×10h的热处理条件下熔敷金属抗拉强度Rm≥580MPa，常温KV2≥30J，特别适合用于超超临界汽轮机铸件的补焊和结构焊，尤其是马氏体耐热钢MARBN的焊接。
本发明焊接过程中不依靠其焊药进行合金调整，仅依靠芯线成分的控制，获得较好的物化性能同时具有较好的焊接性。通过大量理论推断、试验以及与母材MARBN钢相关试验互相验证，本发明对芯线中各化学元素的限定理由分别叙述如下：
C具有很强的强化作用，同时也会降低材料塑性和韧性，当C＞1.2％时，材料韧塑性较低，而过低的C对高温持久强度不利，故C含量应限制在0.05％-0.12％。
少量的Mn可减弱S、P的有害作用，Mn与S结合生成MnS。其熔点高于FeS，可减少热裂纹的形成倾向。但Mn含量高于1％时，组织中可能会出现第二相，对材料的冲击韧性有害，故其含量控制在0.55％-0.95％为宜。
本发明实施例的焊丝芯线中加入的Si是一种重要的脱氧剂，与Cr同时存在时还可以提高合金的高温抗氧化性能，故一般控制在0.5％以内。
P、S已形成低熔点共晶，回火时析出晶界，降低材料强度，故需严格控制其含量，分别为P≤0.010％，S≤0.010％。
Cr可以提高耐热钢的抗氧化性能和腐蚀性能；提高钢的高温持久强度和蠕变强度，固溶于基体起固溶强化作用，形成M23C6起强化作用，但Cr含量过高会降低持久强度，所以Cr含量控制在8.5％-9.3％为宜。
在试验过程中，偶然研究发现，在650℃条件下钢中加入3％左右的Co元素对钢的持久强度具有最有利的影响，因此其含量控制在2.5％-3.5％为宜。
W能显著提高耐热钢的持久强度和蠕变极限，与母材MARBN材质成分一致，W的最佳量控制在2.5％-3.5％。
Nb可以防止晶粒过度长大，起到细化晶粒作用，同时会与C、N形成MX相，起强化作用。Nb含量控制在0.02％-0.08％。
V是强烈的碳化物形成元素，钢中加入V可以形成细小弥散MX相，起到重要强化作用；但易形成晶界裂纹，V最佳控制在0.12％-0.32％。
B可以大幅提高持久性能，且有一定细化晶粒作用；但是在熔池金属凝固过程中与N易结合为BN，对材料性能不利且会削弱N的作用；含有较高含量的B元素时，会增大焊接开裂倾向，其含量控制在0.002％-0.006％。MARBN材质为提高持久性能，具有较高的B含量，一般为0.0110％-0.0130％。但过高的B含量会增加热裂倾向，并对冲击性能有害，这尤其不适用于大型铸件的焊补。本发明焊丝熔敷金属成分中B元素含量适当降低为0.0010％-0.0060％，达到综合考量持久性能与可焊接性的目的。
N是强烈的奥氏体形成元素，它对奥氏体的稳定性作用比Ni强20倍，同时N会与V、Nb形成细小弥散MX相，起到重要强化作用；MARBN材质中因B元素含量较高，为避免BN有害相的析出，因而N元素含量相对较低，过高的N会与B形成BN，会恶化材料性能，其含量控制在0.015％-0.025％，在B含量较低时可适当增加N含量。
Ni会降低9％铁素体耐热钢的持久性能，所以MARBN材质中一般不含Ni元素，同理现有的焊丝一般也不含有Ni，本发明实施例中添加少量Ni元素，提高冲击性能，弥补MARBN材质冲击性能偏低的缺陷，保证大型铸件焊补过程的顺利实施。
在实际制造本发明实施例的焊丝线芯时，稀土元素可以添加也可以不添加。如果添加稀土元素，少量稀土元素可以显著提高耐热钢性能，可以采用稀土为Ce、La、Y、Pr、Nd中的一种或多种。其中，Ce则能更好的净化熔池金属液、改善晶粒形态，La可以提高钢的热塑性，Y明显提高耐蚀性能，Pr可以提高抗氧化性和耐空气腐蚀强度，Nd可以提高高温抗蚀性和强度，可提高抗酸能力。稀土元素过多添加不会进一步明显的提高耐热钢性能，反而影响了其他元素对耐热钢性能的提高；而稀土元素过少添加效果不甚明显，稀土元素反而提高了生产成本。所以稀土元素的总含量控制在0.01％-0.05％，
其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明的焊丝可以通过以下方法制备：
S1.真空炉冶炼；
S2.轧钢成盘条；
S3.退火、拉拔工艺制成半成品；
S4.根据客户需求生产成品焊丝。
本发明实施例的焊丝可以用来对马氏体耐热钢MARBN制成的650℃超超临界火电汽轮机铸件进行补焊或结构焊。
本发明实施例焊接后，熔敷金属的成分按质量半分比包括：C：0.05％-0.12％，Mn：0.3％-0.9％，Si：≤0.50％，P：≤0.010％，S：≤0.01％，Cr：8.5％-9.3％，Co：2.5％-3.5％，W：2.5％-3.5％，Ni：0.05％-0.25％，Nb：0.02％-0.08％，V：0.12％-0.32％，B：0.002％-0.006％，N：0.015％-0.025％。
表1芯线化学成分(重量百分比)
使用本发明实施例的成分配比和制备方法，制备了多组焊丝，具体成分如表1所示。分别使用每组焊丝对相同的马氏体耐热钢MARBN进行焊接，并对熔敷金属的成分和力学性能进行测试，具体结果如表2和表3所示。
表2熔敷金属的力学性能
表3熔敷金属化学成分(重量百分比)
通过表2可以得出，使用本发明实施例的焊丝对相同的马氏体耐热钢MARBN进行焊接，得到的熔敷金属主要成分为9％Cr-3％W-3％Co，焊接工艺性能良好，在750℃×10h的热处理条件下抗拉强度Rm≥580MPa，常温KV2≥30J，特别适合用于超超临界汽轮机铸件的补焊和结构焊，尤其是马氏体耐热钢MARBN的焊接。
综上所述，本发明实施例提供了一种650℃超超临界火电汽轮机铸钢件用实心焊丝，本发明通过优化焊丝线芯的成分，使得焊丝工艺性优良，铁水流动性良好，焊缝成型美观，焊后焊道清洁，焊接开裂倾向低；本发明的焊丝特别适合用于超超临界汽轮机铸件的补焊和结构焊，尤其是马氏体耐热钢MARBN的焊接，能适用于全位置焊接；本发明的焊丝熔敷金属主要成分为9％Cr-3％W-3％Co，焊接工艺性能良好，在750℃×10h的热处理条件下抗拉强度Rm≥580MPa，常温KV2≥30J，且具有优良的长期高温蠕变强度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种650℃超超临界火电汽轮机铸钢件用实心焊丝，其特征在于，所述焊丝的芯线的成分按质量百分比包括：C：0.05％-0.12％，Mn：0.3％-0.9％，Si：≤0.50％，P：≤0.010％，S：≤0.01％，Cr：8.5％-9.3％，Co：2.5％-3.5％，W：2.5％-3.5％，Ni：0.05％-0.25％，Nb：0.02％-0.08％，V：0.12％-0.32％，B：0.002％-0.008％，N：0.015％-0.025％。
2.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，所述焊丝的芯线还包括稀土，所述稀土占总质量的0.01％-0.05％。
3.根据权利要求2所述的焊丝，其特征在于，所述稀土为Ce、La、Y、Pr、Nd中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，所述焊丝的芯线的成分按质量百分比为：C：0.10％，Mn：0.5％，Si：0.28％，P：0.008％，S：0.003％，Cr：8.9％，Co：3.2％，W：3.0％，Ni：0.14％，Nb：0.05％，V：0.22％，B：0.006％，N：0.024％，余量为Fe和杂质。
5.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，所述焊丝的芯线成分按重量百分比为：C：0.12％，Mn：0.3％，Si：0.14％，P：0.002％，S：0.004％，Cr：8.5％，Co：2.5％，W：3.2％，Ni：0.25％，Nb：0.08％，V：0.24％，B：0.008％，N：0.015％，La：0.21％，Pr：0.26％，余量为Fe和杂质。
6.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，所述焊丝的芯线成分按重量百分比为：C：0.11％，Mn：0.7％，Si：0.5％，P：0.01％，S：0.004％，Cr：8.5％，Co：2.9％，W：2.5％，Ni：0.08％，Nb：0.02％，V：0.27％，B：0.002％，N：0.02％，Ce：0.11％，La：0.18％，Y：0.05％，Nd：0.09％，余量为Fe和杂质。
7.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，所述焊丝的芯线成分按重量百分比为：C：0.05％，Mn：0.4％，Si：0.05％，P：0.005％，S：0.01％，Cr：9.2％，Co：3.5％，W：2.9％，Ni：0.1％，Nb：0.03％，V：0.12％，B：0.004％，N：0.025％，Ce：0.01％，余量为Fe和杂质。
8.根据权利要求1至7所述的焊丝，其特征在于，所述焊丝用来对马氏体耐热钢MARBN制成的650℃超超临界火电汽轮机铸件进行补焊。
9.根据权利要求8所述的焊丝，其特征在于，所述焊丝的熔敷金属的成分按质量百分比包括：C：0.05％-0.12％，Mn：0.3％-0.9％，Si：≤0.50％，P：≤0.010％，S：≤0.01％，Cr：8.5％-9.3％，Co：2.5％-3.5％，W：2.5％-3.5％，Ni：0.05％-0.25％，Nb：0.02％-0.08％，V：0.12％-0.32％，B：0.002％-0.006％，N：0.015％-0.025％。
10.根据权利要求9所述的焊丝，其特征在于，所述焊丝的熔敷金属的成分按质量百分比为：C：0.08％，Mn：0.48％，Si：0.25％，P：0.004％，S：0.002％，Cr：8.87％，Co：3.18％，W：3.0％，Ni：0.13％，Nb：0.047％，V：0.22％，B：0.004％，N：0.021％，余量为Fe和杂质。
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