CN110977241A - 一种高锰钢焊接及修复用低裂纹敏感性焊条 - Google Patents

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Abstract

本发明属于焊接材料领域，特别涉及一种高锰钢焊接及修复用低裂纹敏感性焊条，本发明中的该焊条是根据低碳高锰原理研制而成的一种奥氏体焊条，堆焊熔敷金属的含碳量≤0.1％，因而从根本上解决了焊缝的脆化裂纹问题，由于焊缝金属含碳量很低，熔合线母材一侧的部分碳在高温下亦可扩散到焊缝中，从而减轻需焊工件临近焊缝区的脆化问题，此外，焊缝金属的屈服强度与抗拉强度之比很低，延伸率高，焊缝的塑性及可承受塑性变形之能力亦较高，因此焊接中引起热裂缝的应力也相对减小，继而解决了高锰钢辙叉焊接及修补的问题。

Description

一种高锰钢焊接及修复用低裂纹敏感性焊条
技术领域
本发明属于焊接材料领域，特别涉及一种高锰钢焊接及修复用低裂纹敏感性焊条。
背景技术
随着我国经济的高速发展，在轨道交通、矿石开采、国防等多个领域均得到大力发展。
在轨道交通方面，铁路作为最重要的交通工具，可谓是国家运输体系的脊梁。目前我国铁路运输密度已达到2868万吨每公里，可谓世界之最。但是，无论从铁路的自身发展，还是从保持国民经济持续快速的需求看，都迫切要求进一步加快铁路建设。在铁路建设和维护方面，还一直存在一些焊接方面的难题。
我国铁路所用的多组道岔中80％是Mn13钢铸造的高锰钢辙叉，不仅在制造过程中存在铸造缺陷的问题，而且在列车荷载的强大冲击下辙叉磨损十分严重，常需要进行焊补修复。在国防、矿山、工程机械等领域大量采用Mn13钢制造受冲击磨损的零件，同样也存在类似的问题。因此，开展有关焊接Mn13钢的新型焊接材料及焊条的研究，不仅是铁路部门急需，也是其它工业部门的急需。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种高锰钢焊接及修复用低裂纹敏感性焊条。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种高锰钢焊接及修复用低裂纹敏感性焊条，包括：焊芯及裹覆于焊芯表面的药皮，其特征在于，所述药皮按重量百分比计包括：金红石 12％～20％、大理石3％～18％、萤石0.5％～3％、钛白粉1％～5％、钛酸钾 1％～4％、碳酸钠0.5％～1.5％、低碳锰铁10％～18％、钛铁0％～5％、CMC 0.1％～1％、云母0.1％～5％、钾长石0％～8％、电解锰30％～50％、四氧化三铁0％～5％、冰晶石0％～1.4％。
Mn13钢的可焊性极差，国内虽曾采用过价格昂贵的镍基焊条，低碳 Cr-Ni系不锈钢焊条，Cr-Mn系抗气蚀堆焊焊条(D276)以及高锰钢堆焊焊条(D256、D266)，但其性能均不能很好的达到使用要求，有时在焊接、焊补过程中出现裂纹，有时在使用过程中出现裂纹以及还会出现脱落及耐磨性差等问题。因此Mn13钢的焊接、焊补是长期以来国内外未能得到很好解决的问题。
本发明中的高锰钢焊接及修复用低裂纹敏感性焊条具有以下技术特点：
(1)本发明中的焊条为低碳高锰系堆焊焊条
母材Mn13钢的含碳量一般为0.9％～1.4％，根据以往的冶金铸造理论认为，其含碳量低于0.8％时，再经过相应的水韧处理后无法得到单相奥氏体组织。也就意味着无法得到优良的抗冲击磨损性能。在焊接技术领域一直以此作为研制Mn13高锰钢焊条的理论依据，因此，国内外Mn13钢焊条的含碳量均为0.9％～1.3％。此焊条打破常规思路，设计为低碳高锰系堆焊焊条。在焊接条件下，能降低焊缝中碳的含量，在配方中通过提高Mn的含量，同时加入少量其它合金元素，使焊缝中形成单相奥氏体组织，从而解决了长期以来Mn13钢的高碳问题。
(2)本发明中的焊条堆焊金属与Mn13钢的性能相似
低碳高锰堆焊金属的加工硬化性能与Mn13钢相近，因而具有与 Mn13钢相似的抗冲击磨损性能。该焊条的堆焊金属的硬化机理可从两方面来解释:在受冲击、变形状况下，冲击面上产生位错马氏体转变；在长时间受热条件下，则产生新相析出，因而堆焊金属具有一定的热强性。该焊条的堆焊金属的机械性能列于图1。由图1可见，它的屈服强度低，延伸率高，韧性好，能承受较高的变形。
(3)本发明中的焊条能够大幅提升Mn13钢的可焊性
国内外所有用于Mn13钢焊接的焊条，其可焊性均很差，主要问题是焊缝及热影响区出现热裂纹(晶间液化裂纹)；焊缝及热影响区因碳化物析出而脆化。由于用于Mn13钢焊接的焊条含碳量过高，出现热裂纹无法避免，而脆化则可通过再次水韧处理解决。
本发明的有益效果是：
本发明中的该焊条是根据低碳高锰原理研制而成的一种奥氏体焊条，堆焊熔敷金属的含碳量≤0.1％，因而从根本上解决了焊缝的脆化裂纹问题，由于焊缝金属含碳量很低，熔合线母材一侧的部分碳在高温下亦可扩散到焊缝中，从而减轻需焊工件临近焊缝区的脆化问题，此外，焊缝金属的屈服强度与抗拉强度之比很低，延伸率高，焊缝的塑性及可承受塑性变形之能力亦较高，因此焊接中引起热裂缝的应力也相对减小，继而解决了高锰钢辙叉焊接及修补的问题。
附图说明
图1是焊条堆焊熔敷金属与Mn13钢机械性能对比。
图2是各实施例中原料配比表。
图3是Mn13钢及各实施例中熔敷金属化学成分含量表。
图4是Mn13钢及各实施例中熔敷金属布氏硬度值表。
图5是各实施例焊接工艺评价表。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
取金红石215g；大理石50g；萤石15g；钛白粉30g；钛酸钾 15g；碳酸钠8g；低碳锰铁160g；钛铁50g；CMC 5g；云母40g；钾长石80g；电解锰550g；四氧化三铁1g；冰晶石8g，将各个原材料粉末搅拌均匀，之后加入245g钾钠水玻璃后湿搅拌均匀后，感觉已具备足够的粘着力后，当油压机压力达到150Mpa时，压涂于H08A焊芯上，焊条经 24小时自然晾干，之后焊条低温先后经过50℃、100℃、150℃进行烘烤，每个温度点需烘烤1.5～2.0h，再经过高温350℃烘烤1.5～2.0h后而成。之后在Mn13母材上进行堆焊，层数为10层，然后测定其熔敷金属化学成分含量、布氏硬度值及评定焊接工艺见图3、图4及图5。
实施例2
取金红石170g；大理石220g；萤石8g；钛白粉40g；钛酸钾 20g；碳酸钠10g；低碳锰铁150g；钛铁0g；CMC 5g；云母50g；钾长石0g；电解锰500g；四氧化三铁30g；冰晶石0g，将各个原材料粉末搅拌均匀，之后加入240g钾钠水玻璃后湿搅拌均匀后，感觉已具备足够的粘着力后，当油压机压力达到150Mpa时，压涂于H08A焊芯上，焊条经 24小时自然晾干，之后焊条低温先后经过50℃、100℃、150℃进行烘烤，每个温度点需烘烤1.5～2.0h，再经过高温350℃烘烤1.5～2.0h后而成。之后在Mn13母材上进行堆焊，层数为10层，然后测定其熔敷金属化学成分含量、布氏硬度值及评定焊接工艺见图3、图4及图5。
实施例3
取金红石160g；大理石180g；萤石10g；钛白粉30g；钛酸钾 30g；碳酸钠10g；低碳锰铁180g；钛铁30g；CMC 8g；云母40g；钾长石40g；电解锰450g；四氧化三铁0g；冰晶石0g，将各个原材料粉末搅拌均匀，之后加入235g钾钠水玻璃后湿搅拌均匀后，感觉已具备足够的粘着力后，当油压机压力达到150Mpa时，压涂于H08A焊芯上，焊条经24小时自然晾干，之后焊条低温先后经过50℃、100℃、150℃进行烘烤，每个温度点需烘烤1.5～2.0h，再经过高温350℃烘烤1.5～2.0h后而成。之后在Mn13母材上进行堆焊，层数为10层，然后测定其熔敷金属化学成分含量、布氏硬度值及评定焊接工艺见图3、图4及图5。
从图3、图4及图5中可看出实施例3为最佳实施例，其中，
C：实施例3中焊条熔敷金属碳的含量仅为0.086％，相较于母材 0.9％～1.4％的含量低很多。因而从根本上解决了焊缝的脆化裂纹问题。由于焊缝金属含碳量很低，熔合线母材一侧的部分碳在高温下亦可扩散到焊缝中，从而减轻热影响区的脆化问题。
S：硫在焊缝中作为有害元素，在焊接过程中容易引起热裂纹，过量的硫对耐蚀性和韧性均有不利的影响。需较严格控制其含量，其含量应在≤0.030％的范围内。但在合理范围的硫含量则有助于提升熔渣的流动性。
Mn：锰为奥氏体形成元素，该焊条通过加入大量的锰和锰合金，使之成为单相奥氏体焊条。Mn元素且影响着熔敷金属的强度和韧性。锰在过冷奥氏体转变过程中，不仅能降低脆性转变温度，又具有良好的脱硫作用，能与硫形成高熔点硫化物MnS，从而改善硫化物的形态和分布，在提高低温韧性的同时，还能有效地降低单相奥氏体不锈钢焊缝的热裂纹敏感性。如果在熔敷金属中锰含量低于0.5％，则熔敷金属的韧性及抗热裂纹性能降低。
P：磷在焊缝中同样为有害元素，在焊接过程中同样容易引起热裂纹，因此其含量应控制在≤0.040％。
Si：硅是一种强铁素体形成元素，随着硅量的增加，会提高δ铁素体含量，但高铁素体含量又不利于低温冲击韧性，应该控制其含量，其含量应在≤0.60％的范围内。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高锰钢焊接及修复用低裂纹敏感性焊条，包括：焊芯及裹覆于焊芯表面的药皮，其特征在于，所述药皮按重量百分比计包括：金红石12％～20％、大理石3％～18％、萤石0.5％～3％、钛白粉1％～5％、钛酸钾1％～4％、碳酸钠0.5％～1.5％、低碳锰铁10％～18％、钛铁0％～5％、CMC 0.1％～1％、云母0.1％～5％、钾长石0％～8％、电解锰30％～50％、四氧化三铁0％～5％、冰晶石0％～1.4％。
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