CN111037152A - 3Ni-1.6Cr-0.5Mo核电设备用钢配套用焊条及其制备方法 - Google Patents

3Ni-1.6Cr-0.5Mo核电设备用钢配套用焊条及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了3Ni‑1.6Cr‑0.5Mo核电设备用钢配套用焊条，包括高碱性焊条药皮和焊条用低合金钢焊芯，药皮由固体组分和液体组分混合而成，固体组分的组成元素及其重量百分比包括：CaC03：44％～48％、CaF2：20％～25％、Ti02：6％～8％、Na2CO3：0～1％、CaSi03：4％～6％、MgO：1％～3％、TiFe：4％～10％、SiFe：1％～3％以及含有Ni和Cr的金属粉：4％～10％，金属粉中Ni：3％～6％、Cr：2％～4％；液体组分为钾钠水玻璃，占矿物原料干粉组分质量20％～23％，焊芯的组成元素及其重量百分比包括：C：0.09％～0.12％、Si：0.1％～0.23％、Mn：1.5％～2.0％、P≤0.02％、S≤0.02％、Cr：1.0％～1.8％、Ni：2.6％～3.5％、Mo：0.3％～0.7％、Cu≤0.020％、Co≤0.020％、余量为Fe。该焊条焊接适应性良好，熔敷金属强度高、韧性好，低温塑性良好，满足现阶段研制SA508Gr.4N钢及其改进型钢焊接需求。

Description

3Ni-1.6Cr-0.5Mo核电设备用钢配套用焊条及其制备方法
技术领域
本发明涉及到焊接材料领域，尤其涉及到新一代核电设备用3Ni-1.6Cr-0.5Mo钢配套用高强度焊条。
背景技术
目前，核电技术已经发展到二代、三代和三代+。随着核电技术的发展使反应堆内环境愈加严苛,例如第四代堆型中的超临界水冷堆压力容器内设计压力27.5MPa、主腔室设计温度 350℃、出口腔室设计温度550℃、设计寿命60年,从而对材料的要求愈加苛刻。当前各国核反应堆压力容器通用钢为620MPa级的SA508-3钢，但是其淬透性、强度、韧性并不能满足新一代核电站的要求,如超临界水冷堆压力容器若用SA508-3制造则壁厚将达440mm,法兰处壁厚更是厚达700mm,这远远超出了SA508-3钢的制造极限。现在各个国家正在大力进行新型核电设备用SA508Gr.4N钢及其改进型钢的研究。
新型核电设备用SA508Gr.4N钢及其改进型钢强度级别为725MPa，SA508Gr.4N钢是具有高淬透性、高强韧性匹配、组织和性能均匀稳定，可良好的满足新一代核电设备的制造。我们国家也正在开展大力研究，2006年钢铁研究总院自筹经费开始SA508Gr.4N钢的实验室探索性研究工作，取得了一些实验室研究成果，并于2008年12月31日申报了SA508Gr.4N钢优化改进型钢(R17Cr1Ni3Mo)的中国发明专利申请，2010年7月21日正式获得专利权(ZL2008 1 0246775.1)。2010年中国一重进行了用于核废料罐锻件的小规模(50吨级)SA508Gr.4N钢锻件试制，积累一些工业试制经验和数据。“十二五”期间(2012年1月-2016年1月)在国防科工局支持下，钢铁研究总院牵头联合中国一重等单位开展了80吨级近似SA508Gr.4N的材料 SA508Gr.4N钢锻件的初步研制工作。初步完成了成分优化、热变形优化、热处理优化、组织性能均匀性等基础研究。
但是由于SA508Gr.4N钢的先进性及科学前沿性，现在国内外能满足核容器焊接、且高强度、高韧性,良好低温塑性(RTNDT≤-60℃)的焊接材料也不容易获得。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种核电设备用3Ni-1.6Cr-0.5Mo钢配套用高强度焊条。该焊条焊接适应性良好，可适用于厚板、深窄坡口焊接，该焊条熔敷金属化学成分进行了合理匹配，焊条熔敷金属强度高、韧性好，低温塑性良好，满足现阶段研制SA508Gr.4N 钢及其改进型钢的焊接需求。
本发明所采用的技术方案是3Ni-1.6Cr-0.5Mo核电设备用钢配套用焊条，包括高碱性焊条药皮和焊条用低合金钢焊芯，所述的高碱性焊条药皮由固体组分和液体组分混合而成，其中固体组分的组成元素及其重量百分比包括：CaC03:44％～48％、CaF2:20％～25％、Ti02:6％～8％、 Na2CO3:0～1％、CaSi03:4％～6％、MgO:1％～3％、TiFe:4％～10％、SiFe:1％～3％以及含有Ni和 Cr的金属粉：4％～10％，其中金属粉中Ni:3％～6％、Cr:2％～4％；液体组分为钾钠水玻璃，占矿物原料干粉组分质量20％～23％，所述的焊条用低合金钢焊芯的组成元素及其重量百分比包括：C:0.09％～0.12％、Si:0.1％～0.23％、Mn:1.5％～2.0％、P≤0.02％、S≤0.02％、Cr:1.0％～ 1.8％、Ni:2.6％～3.5％、Mo:0.3％～0.7％、Cu≤0.020％、Co≤0.020％、余量为Fe。
所述的焊条用低合金钢焊芯的组成元素及其质量百分比包括：B≤0.0005、Nb≤0.010、 As≤0.005、Sn≤0.005。
所述的焊条药皮限定矿物原材料纯度≥95％，粒度要求100％过40目；硅铁(Si-Fe)限定为Si含量为40.0～47.0％，Ni和Cr的金属粉限定为Ni、Cr含量≥99％。
一种3Ni-1.6Cr-0.5Mo核电设备用钢配套用焊条的制备方法，将固体组分各原料过筛后，然后按重量比例混合均匀后制成固体组份，按照固体组份重量的20～23％加入水玻璃，再搅拌均匀后，在成套焊条生产设备上将药皮涂压在焊芯上，将涂压出焊条在低温80-100℃烘焙 2-3小时、高温350-420℃烘焙1.5-2小时。
本发明的有益效果是：本发明基于新型核电设备SA508Gr.4N钢及其改进型钢焊接要求进行研发设计，可满足新型核电设备SA508Gr.4N钢焊接要求，适用于大型核电站和核潜艇的反应堆压力容器和蒸发器的制造。该焊条焊接适应性良好，具有良好的工艺性、焊条表面光滑，成品率高、偏心稳定。可适用于厚板、深窄坡口焊接，该焊条熔敷金属化学成分进行了合理匹配，本发明焊条熔渣碱度高，可获得低S、P等杂质、超低氢熔敷金属，在经过高温、长时热处理后仍能保持较高的强度和韧性。本发明的焊条药皮均匀，焊接过程中无成块脱落现象，焊接过程中，飞溅少，焊缝成型美观，焊渣容易清除。
本发明焊条针对核电工业应用，对于新一代核电技术发展具有重要意义，并且本项目满足“SA-508Gr.4N锻件及其配套焊接工艺研究”核一级低合金钢焊条的焊接需求；熔敷金属热处理态下具有优良的综合力学性能：强度在725MPa以上，-30℃低温冲击120J以上，RTNDT (℃)≤-60℃，且具有良好的抗裂纹性能。
具体实施方式
现结合下面三个实施例对本发明做进一步的说明，本发明中涉及的焊条药皮采用CaC03-CaF2-Ti02的低氢高碱性渣系，其中CaC03采用高纯度大理石，P、S均小于0.01％，Ti02 采用为钛白粉，其中Ti02质量分数≥99％，保证了焊条药皮纯净；焊条药皮中采用CaSi03代替 Si02，CaSi03中的Si02可以辅助调整药皮熔融态的粘度，获得良好的焊道成型，而同时加入的Ca0保证了药皮的碱度；适当MgO的加入，使药皮高温熔点合理；本药皮中加入TiFe、SiFe，联合焊芯中金属Mn，在焊条焊接过程中形成Ti-Si-Mn联合脱氧，其中Ni和Cr的金属粉加入，用于补足焊芯中Ni，Cr的损耗，使其含量满足焊缝熔敷金属的要求。
本发明中涉及的低合金钢焊芯设计依据：碳：碳是强化结构钢最有效的元素，也是最经济的元素，然而碳对韧性、塑性、焊接性等有不利的影响。碳含量高会提高辐照脆化敏感性本发明选取碳：0.09％～0.12％。
硅：硅是强化元素，也是炼钢时的残存元素。试验结果表明硅高，降低了焊缝的冲击韧性硅含量范围选取为：0.1％～0.23％。
铬：铬能提高钢的抗氧化性能，增加耐蚀性，但铬含量过高增加焊缝的再热裂纹敏感性，试验结果表明中较低铬含量时钢的综合性能优良。选取铬的范围为：Cr1.0％～1.8％。
镍：镍能提高钢的淬透性和可淬性，镍能明显改变钢的低温韧性，但高镍比低镍辐照脆化大，选取镍的范围为：Ni 2.6％～3.5％。钼：钼具有明昆的固溶强化的作用，提高钢的热强性，同时也是回火时析出碳化物的重要组成元素。试验研究结果表明随着钼含量的提高，在强度变化不大的前提下，钢的冲击韧性明显提高。故本发明钢选取钼的范围为：0.3％～0.7％
硫、磷：硫、磷存在钢中是有害的元素。硫、磷含量越高，辐照脆化效应越大。硫在钢中易形成MnS和FeS，降低了钢的冲击韧性，影响钢的焊接性能。本发明中硫、磷的含量均限制在≤0.02％。
实例一，本实施例的一种高碱度低氢型的药皮，所述药皮中固体组份和液体组份混合而成，所述液体组份的加入重量为固体组份重量的20％；所述固体组份按照重量份计，包括以下组份：CaC03 45份 CaF2 20份 Ti02 7份 Na2CO3 1份 CaSi03 6份 MgO 3份 TiFe6份 SiFe 2份 金属Ni粉6份 金属Cr粉4份；采用的低合金钢焊芯，化学分析法测得化学成分重百分数：C 0.12％、Si 0.20％、Mn 1.8％、P0.008％、S0.003％、Cr1.6％、Ni 3.0％、 Mo0.5％、Cu 0.01％、Co0.002％、B≤0.0005％、Nb≤0.01％、As 0.004％、Sn 0.003％余量为Fe。所采用液体组分为20℃下46Be的钾纳1:1水玻璃。
将上述药皮原材料混合均匀后，用40目的筛子过筛到100％40目以下，干粉搅拌均匀，加入固体组分20％的水玻璃再搅拌均匀后，在成套焊条生产设备上将药皮涂压在焊芯上，将涂压出焊条在低温80-100℃烘焙2-3小时、高温350-420℃烘焙1.5-2小时。
本实例中生产出的焊条表面光滑，成品率高，无偏心。采用焊条进行焊接：焊接电弧稳定，飞溅少，焊纹细密，焊道与坡口两侧润湿良好，渣壳可自动脱落。焊条熔敷金属化学成分检测：C 0.06％、Si 0.27％、Mn 0.7％、P0.008％、S0.006％、Cr1.8％、Ni 3.8％、Mo0.5％、 Cu 0.01％、Co 0.003％、B≤0.0005％、Nb＜0.01％、As 0.004％、Sn 0.003％余量为Fe。
所得焊条熔敷金属经过保温温度580℃，保温时间20h的焊后热处理，检测力学性能得见表1、表2。
表1：实例一焊条熔敷金属力学性能。
Figure BDA0002339719550000041
表2：实例一焊条熔敷金属力学性能。
Figure BDA0002339719550000042
实施例二；
本实施例的一种高碱度低氢型的药皮，所述药皮中固体组份和液体组份混合而成，所述液体组份的加入重量为固体组份重量的22％；所述固体组份按照重量份计，包括以下组份： CaC03 47份 CaF2 23份 Ti02 7份 Na2CO3 1份 CaSi03 4份 MgO 3份 TiFe 7份SiFe 2份 金属Ni粉5份 金属Cr粉4份；采用的低合金钢焊芯，化学分析法测得化学成分重量百分数：C 0.13％、Si 0.19％、Mn 1.6％、P0.006％、S0.003％、Cr1.75％、Ni 3.2％、Mo0.5％、、 Cu 0.01％、Co 0.001％、B≤0.0005％、Nb≤0.01％、As 0.003％、Sn 0.003％余量为Fe。所采用液体组分为20℃下46Be的钾纳1:1水玻璃
将上述药皮原材料混合均匀后，用40目的筛子过筛到100％40目以下，干粉搅拌均匀，加入固体组分22％的水玻璃再搅拌均匀后，在成套焊条生产设备上将药皮涂压在焊芯上，将涂压出焊条在低温80-100℃烘焙2-3小时、高温350-420℃烘焙1.5-2小时。
本实例中生产出的焊条表面光滑，成品率高，无偏心。采用焊条进行焊接：焊接电弧稳定，飞溅少，焊纹细密，焊道与坡口两侧润湿良好，渣壳可自动脱落。焊条熔敷金属化学成分检测：C 0.062％、Si 0.23％、Mn 0.5％、P0.007％、S0.005％、Cr1.7％、Ni 3.5％、Mo0.4％、 Cu 0.01％、Co 0.002％、B＜0.0005％、Nb＜0.01％、As 0.004％、Sn 0.003％余量为Fe。
所得焊条熔敷金属经过保温温度600℃，保温时间20h的焊后热处理，检测力学性能得见表3、表4；
表3：实例二焊条熔敷金属力学性能。
Figure BDA0002339719550000051
表4：实例二焊条熔敷金属力学性能。
Figure BDA0002339719550000052
实施例三；
本实施例的一种高碱度低氢型的药皮，所述药皮中固体组份和液体组份混合而成，所述液体组份的加入重量为固体组份重量的23％；所述固体组份按照重量份计，包括以下组份： CaC03 48份 CaF2 24份 Ti02 8份 Na2CO3 1份 CaSi03 5份 MgO 2份 TiFe 10份SiFe 1份 金属Ni粉4份 金属Cr粉3份；采用的低合金钢焊芯，化学分析法测得化学成分重量百分数：C 0.13％、Si 0.19％、Mn 1.6％、P0.006％、S0.003％、Cr1.75％、Ni 3.2％、Mo0.5％、、 Cu 0.01％、Co 0.001％、B≤0.0005％、Nb≤0.01％、As 0.003％、Sn 0.003％余量为Fe。所采用液体组分为20℃下46Be的钾纳1:1水玻璃。
将上述药皮原材料混合均匀后，用40目的筛子过筛到100％40目以下，干粉搅拌均匀，加入固体组分23％的水玻璃再搅拌均匀后，在成套焊条生产设备上将药皮涂压在焊芯上，将涂压出焊条在低温80-100℃烘焙2-3小时、高温350-420℃烘焙1.5-2小时。
本实例中生产出的焊条表面光滑，成品率高，无偏心。采用焊条进行焊接：焊接电弧稳定，飞溅少，焊纹细密，焊道与坡口两侧润湿良好，渣壳可自动脱落。焊条熔敷金属化学成分检测：C 0.065％、Si 0.22％、Mn 0.6％、P0.007％、S0.005％、Cr1.9％、Ni 3.4％、Mo0.5％、Cu 0.01％、Co 0.002％、B＜0.0005％、Nb＜0.01％、As 0.004％、Sn 0.003％余量为Fe。
所得焊条熔敷金属经过保温温度600℃，保温时间20h的焊后热处理，检测力学性能得见表5、表6；
表5：实例三焊条熔敷金属力学性能。
Figure BDA0002339719550000061
表6：实例三焊条熔敷金属力学性能。
Figure BDA0002339719550000062

Claims (4)

1.3Ni-1.6Cr-0.5Mo核电设备用钢配套用焊条，其特征在于：包括高碱性焊条药皮和焊条用低合金钢焊芯，所述的高碱性焊条药皮由固体组分和液体组分混合而成，其中固体组分的组成元素及其重量百分比包括：CaC03:44％～48％、CaF2:20％～25％、Ti02:6％～8％、Na2CO3：0～1％、CaSi03:4％～6％、MgO:1％～3％、TiFe:4％～10％、SiFe:1％～3％以及含有Ni和Cr的金属粉：4％～10％，其中金属粉中Ni:3％～6％、Cr:2％～4％；液体组分为钾钠水玻璃，占矿物原料干粉组分质量20％～23％，所述的焊条用低合金钢焊芯的组成元素及其质量百分比包括：C:0.09％～0.12％、Si:0.1％～0.23％、Mn:1.5％～2.0％、P≤0.02％、S≤0.02％、Cr:1.0％～1.8％、Ni:2.6％～3.5％、Mo:0.3％～0.7％、Cu≤0.020％、Co≤0.020％、余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的3Ni-1.6Cr-0.5Mo核电设备用钢配套用焊条，其特征在于：所述的焊条用低合金钢焊芯的组成元素及其质量百分比包括：B≤0.0005、Nb≤0.010、As≤0.005、Sn≤0.005。
3.根据权利要求1所述的3Ni-1.6Cr-0.5Mo核电设备用钢配套用焊条，其特征在于：所述的焊条药皮限定矿物原材料纯度≥95％，粒度要求100％过40目；硅铁(Si-Fe)限定为Si含量为40.0～47.0％，Ni和Cr的金属粉限定为Ni、Cr含量≥99％。
4.一种3Ni-1.6Cr-0.5Mo核电设备用钢配套用焊条的制备方法，其特征在于：将固体组分各原料过筛后，然后按重量比例混合均匀后制成固体组份，按照固体组份重量的20～23％加入水玻璃，再搅拌均匀后，在成套焊条生产设备上将药皮涂压在焊芯上，将涂压出焊条在低温80-100℃烘焙2-3小时、高温350-420℃烘焙1.5-2小时。
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