CN112025048B - 一种9Cr-3W-3Co马氏体耐热钢的埋弧焊焊丝及焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种9Cr‑3W‑3Co马氏体耐热钢的埋弧焊焊丝及焊接工艺，以质量百分数计，该焊丝化学组分为：C：0.06～0.13％、Si：0.40％以下、Mn：1.0％以下、P：≤0.01％、S：≤0.01％、Ni：≤0.10％、Cr：8.50～9.50％、W：2.50～3.00％、Co：2.60‑3.20％、Nb：0.02～0.07％、V：0.15～0.25％、N：0.03～0.07％、B：0.003％以下、Cu：0.02％以下、Ti：0.01％以下、Al：0.03％以下，其余为Fe及不可避免杂质，所述焊丝用于埋弧焊焊接工艺。焊接工艺性良好，抗裂性好，焊缝韧性和接头高温持久强度优异，适用于G115、T/P93等9Cr‑3W‑3Co马氏体耐热钢的埋弧焊焊接。

Description

一种9Cr-3W-3Co马氏体耐热钢的埋弧焊焊丝及焊接工艺

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种9Cr-3W-3Co马氏体耐热钢的埋弧焊焊丝及焊接工艺。

背景技术

9Cr-3W-3Co系马氏体耐热钢是建设蒸汽温度625℃以上参数超超临界火电机组的关键材料，商用牌号有中国研制的G115钢和日本开发的T/P93钢，其蠕变强度较T/P92钢提高20％以上。G115钢与T/P93钢的主要区别在于前者添加了约1％的Cu。在制造高参数超超临界锅炉集箱、蒸汽管道等厚壁承压部件的过程中，需要采用埋弧自动焊。埋弧焊是一种熔渣保护电弧焊方法，具有焊接效率高、无飞溅、焊接过程稳定等优点。埋弧焊的焊接电流大，增大了焊接裂纹敏感性；此外，焊剂具有一定的氧化性，导致一些合金元素的烧损较严重，降低焊缝的力学性能，尤其是焊缝的冲击韧性较低。为此，需要根据埋弧焊的特性，开发专用焊丝。

目前，虽公开了一些G115钢焊接用焊丝成分，如专利公开号为CN106914712A的《G115耐热钢用氩弧焊实心焊丝》、专利公开号为CN108127291A的《一种650℃超超临界火电机组用耐热钢实心焊丝》、专利公开号为CN106425157A的《蒸汽温度超超临界火电机组用钢的TIG含焊丝及其制备方法》。这些专利文献公布的都是9Cr-3W-3Co马氏体钢氩弧焊用焊丝，并不适用于9Cr-3W-3Co马氏体钢的埋弧焊焊接。它们采取了含Cu元素的成分设计，在埋弧焊工艺条件下会增大焊缝热裂纹倾向。专利公开号为CN108838579A的《一种超超临界燃煤电站耐热钢用光亮焊焊丝》虽不含Cu元素，但是Mn元素的含量偏低，也不利于埋弧焊工艺条件下防止热裂纹。此外，上述焊丝均采取了高B元素含量的成分设计，也增大埋弧焊时的热裂纹倾向，降低焊缝的韧性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种9Cr-3W-3Co马氏体耐热钢的埋弧焊焊丝及焊接工艺。该埋弧焊焊丝在埋弧焊工艺下焊接G115、P93等9Cr-3W-3Co马氏体耐热钢时焊缝(熔敷金属)裂纹敏感性小，常规力学性能满足要求，尤其是有高的塑性和冲击韧性，并且有较高的高温蠕变强度。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种9Cr-3W-3Co系马氏体耐热钢用埋弧焊焊丝，以质量百分数计，化学组分为：C：0.06～0.13％、Si：0.40％以下、Mn：1.0％以下、P：≤0.01％、S：≤0.01％、Ni：≤0.10％、Cr：8.50～9.50％、W：2.50～3.00％、Co：2.60-3.20％、Nb：0.02～0.07％、V：0.15～0.25％、N：0.03～0.07％、B：0.003％以下、Cu：0.02％以下、Ti：0.01％以下、Al：0.03％以下，其余为Fe及不可避免杂质，所述焊丝用于埋弧焊焊接工艺。

进一步地，所述埋弧焊焊丝中C含量为：0.08～0.12％。

进一步地，所述埋弧焊焊丝中Si含量为：0.15～0.30％。

进一步地，所述埋弧焊焊丝中Mn含量为：0.70～1.0％。

进一步地，所述埋弧焊焊丝中W含量为：2.50～2.80％。

进一步地，所述埋弧焊焊丝中Nb含量为：0.03～0.06％。

进一步地，所述埋弧焊焊丝中N含量为：0.03～0.06％。

进一步地，所述埋弧焊焊丝中B含量为：0.001～0.003％。

进一步地，所述埋弧焊焊丝中Al含量为：0.015％以下。

提供一种上述9Cr-3W-3Co马氏体耐热钢用埋弧焊焊丝的埋弧焊焊接工艺，配合渣系为MgO-Al₂O₃-CaF₂-CaO-SiO₂的氟碱型焊剂使用，其焊接工艺参数为：

焊丝直径2.4mm，预热温度200-250℃，道间温度250-300℃，焊接电流350-400A，焊接电压28-36V，焊接速度35-60mm/min，焊后热处理工艺：760-770℃保温4-8h。

下面将说明根据本发明的钢的每种元素的作用及其范围的原因。除非特别说明，化学成分的％是指质量％。

C：0.06～0.13％

C在焊缝中形成碳化物，提高蠕变强度。C含量过低，碳化物含量减少，不利于蠕变强度。但C含量过高，增大焊缝的裂纹敏感性，因此本发明的C含量范围控制在0.06-0.13％。考虑焊接过程中的烧损，优选为0.08～0.12％。

Si：0.40％以下

Si是一种重要的脱氧剂，适当的Si含量有利于提高焊缝金属的韧性，并且可以改善焊缝成形和提高焊缝的抗氧化性能。然而加入太多增大焊缝热裂纹敏感性，并且导致蠕变脆化及韧性降低。本发明的Si含量控制在0.40％以下，优选为0.15～0.30％。

Mn：1.0％以下

Mn是奥氏体稳定化元素，有利于抑制δ-铁素体的形成，同时Mn有脱O去S作用，能提高焊缝的抗裂性能。为了保证脱氧和脱S效果，优选为0.70～1.0％。

S和P：≤0.01％

S和P是焊缝中不可避免的杂质元素，它们增大焊缝的裂纹倾向，并且降低焊缝的蠕变断裂延性。因此，本发明将S和P含量均控制在≤0.01％。

Ni：≤0.10％

Ni是奥氏体形成元素，虽有利于抑制δ-铁素体的形成，提高焊缝的冲击韧性。但是，提Ni显著降低Ac1点，导致焊缝在焊后热处理温度下重新形成奥氏体，反而降低冲击韧性，并且不利于高温蠕变强度。本发明Ni含量控制在≤0.10％。

Cr：8.50～9.50％

Cr是保证抗蒸汽氧化和热腐蚀最重要的元素。随着Cr含量的增加，焊缝的抗蒸汽腐蚀性能越好。但是，Cr为铁素体形成元素，其含量过高时，焊缝中将产生δ-铁素体，降低焊缝的冲击韧性和蠕变强度。因此，本发明的Cr含量控制在8.50-9.50％。

W：2.50～3.00％

W是最重要的强化元素，一方面在焊缝中通过固溶强化提高蠕变强度，另一方面可以形成沉淀相或者提高其它沉淀相的稳定性提升蠕变强度。但是其含量过高时，促进δ-铁素体形成，并且会增大时效脆化倾向，降低焊缝的冲击韧性。因此，本发明的W含量控制在2.50-3.0％，优选为2.50～2.80％。

Co：2.60～3.20％

Co的主要作用是抑制δ-铁素体的形成，提高焊缝的冲击韧性。此外，Co有利于提高高温蠕变强度。考虑到Co为贵金属元素，本发明的Co控制在2.60～3.20％。

Nb：0.02～0.07％

Nb是重要的沉淀强化元素，它与C、N等形成弥散分布的MX型析出物，其在高温下非常稳定，提高焊缝的高温蠕变强度。当其含量低于0.02％时，析出物量少，不能得到充足的强化效果。但是Nb含量过高时，降低焊缝的冲击韧性。为此，本发明将Nb含量控制在0.02％-0.07％，优选为0.03～0.06％。

V：0.15～0.25％

V是重要的沉淀强化元素，它与C、N形成弥散分布的MX型第二相析出物，尤其是形成强化效果显著的VN，明显提高焊缝的高温蠕变强度。但是V含量过高，促进δ-铁素体的形成。为此，本发明将V含量控制在0.15％-0.25％。

N：0.03～0.07％

N为强烈奥氏体形成元素，可以抑制δ-铁素体的形成。此外，其与Nb、V形成弥散分布的MX型析出物，明显提高焊缝的高温蠕变强度。为此，本发明将N含量控制在0.03％-0.07％，优选为0.03～0.06％。

B：0.003％以下

B是晶界强化元素，可以提高焊缝的高温蠕变强度，但是B在焊接过程中易烧损。此外，B含量过高增大焊缝的裂纹敏感性。为此，本发明将B含量控制在0.003％以内，优选为0.001～0.003％。

Cu：0.02％以下

Cu虽有抑制铁素体形成和一定的沉淀强化作用，但是考虑其熔点低，增大焊缝的热裂纹倾向。为此，本发明Cu含量控制在0.02％以下，甚至更低水平。

Ti：0.01％以下

Ti是一种极强的碳氮化物形成元素，影响Nb、V与C、N的结合，同时会形成一次TiN，不利于发挥沉淀强化作用。因此，本发明的Ti含量控制在0.01％以下。

Al：0.03％以下

Al在焊材中是作为脱氧剂加入的，焊缝中残留的Al含量过高，降低焊缝的持久塑性。此外，Al容易与N优先结合，使得焊缝中固溶的N近似为零，无法形成析出强化作用，降低焊缝的高温蠕变强度。为此，本发明的Al含量控制在0.03％以下，优选为0.015％以下。

本发明埋弧焊丝熔敷金属组织特征和力学性能如下：

(1)焊缝为回火马氏体组织，没有δ-铁素体；

(2)接头的常温抗拉强度R_m≥660MPa，R_p0.2≥520MPa；

(3)焊缝的20℃冲击功KV₂≥90J；

(4)在650℃/200h条件下的持久强度较P92焊缝提高约16％。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明提供的埋弧焊焊丝，通过Cu、B、Mn、C和N等元素含量的调整与优化，得到适用于9Cr-3W-3Co系马氏体耐热钢的埋弧焊焊丝；其中将焊丝Cu元素含量控制在很低水平，降低B的含量，防止焊缝出现热裂纹；适当提高焊丝Mn元素的含量，在提高焊缝抗裂性的同时，抑制δ-铁素体的形成；提高焊丝C和N的含量，补充氟碱型焊剂条件下焊丝合金元素烧损对焊缝力学性能的不利影响，保证焊缝的强韧性。

2.本发明埋弧焊焊丝配合渣系为MgO-Al₂O₃-CaF₂-CaO-SiO₂的氟碱型烧结焊剂使用，焊道成形良好，波纹细密，颜色呈类银白色，脱渣性好，抗裂性好，室温冲击韧性高。

附图说明

图1为本发明实施2焊丝配合渣系为MgO-Al₂O₃-CaF₂-CaO-SiO₂的氟碱型焊剂使用所焊焊道外观照片；

图2为本发明实施2焊丝的焊缝金属显微组织；

图3为对比例1焊丝的焊缝光镜照片；

图4为本发明实施2焊丝焊缝金属的持久强度曲线。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：

根据本发明焊丝的成分范围，对本发明焊丝做了多组实施例，并给出了对比例，实施例和对比例的具体化学组分及各组分的质量百分含量见表1。

表1实施例1-4和对比例1-2焊丝的化学成分(wt％)

编号	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例1	对比例2
							C	0.063	0.11	0.088	0.12	0.06	0.106
Si	0.28	0.23	0.2	0.26	0.17	0.2
							Mn	0.89	0.91	0.91	0.88	0.49	0.8
P	0.008	0.006	0.01	0.005	0.007	0.005
							S	0.004	0.008	0.001	0.004	0.003	0.005
Cr	9.1	9.06	9.15	9.09	8.71	8.91
							W	2.72	2.56	2.61	2.52	2.87	2.95
Co	2.81	3.0	2.92	2.88	2.73	2.85
							Ni	0.08	0.04	0.1	0.06	0.035	0.03
Cu	0.005	0.003	0.005	0.003	0.82	0.9
							V	0.21	0.21	0.2	0.21	0.23	0.22
Nb	0.035	0.037	0.036	0.038	0.042	0.071
							N	0.04	0.03	0.03	0.03	0.04	0.01
B	0.001	0.0015	0.002	0.002	0.001	0.008
							Al	0.009	0.007	0.006	0.008	0.009	-
Ti	0.003	0.004	0.003	0.005	0.003	-

通过埋弧焊堆焊方法制备熔敷金属，配合渣系为MgO-Al₂O₃-CaF₂-CaO-SiO₂的氟碱型焊剂使用，焊接工艺为：焊丝直径2.4mm，预热温度250℃，道间温度250-280℃，焊接电流350-400A，焊接电压28-32V，焊接速度35mm/min。焊后热处理工艺：770℃保温4h。

图1为本发明实施2焊丝配合渣系为MgO-Al₂O₃-CaF₂-CaO-SiO₂的氟碱型焊剂使用所焊焊道外观照片，图中显示，焊缝成形良好，波纹细密，脱渣性好。

图2为本发明实施2焊丝的焊缝金属显微组织，在埋弧焊工艺下本发明焊丝的焊缝没有出现裂纹等缺陷，组织为回火板条马氏体，无δ-铁素体。

图3为对比例1焊丝的焊缝光镜照片，图中显示在埋弧焊工艺下对比例1焊丝的焊缝金属出现热裂纹。

实施例1-4和对比例1-2焊丝制备熔敷金属的室温拉伸性能见表2。可以看出，实施例1-4焊丝的室温拉伸强度满足要求，塑性指标优良。需要说明的是，尽管实施例1-4焊丝的Cu元素含量很低，但是通过其他元素含量的优化调整，其强度指标接近甚至超过了含Cu的对比例1焊丝。

表2实施例1-4和对比例1-2焊丝制备熔敷金属室温拉伸性能

注：对比例1和2焊丝由于Cu元素含量高，相变点降低，焊后热处理条件为760℃×4h。

实施例1-4和对比例1-2焊丝制备熔敷金属的室温冲击性能见表3。可以看出，实施例的室温冲击功超过90J，明显高于对比例。

表3实施例1-4和对比例1-2焊丝制备熔敷金属的室温冲击性能

对实施例2焊丝焊缝金属进行650℃蠕变持久强度测试，结果列于表4。图4为本发明实施2焊丝焊缝金属的持久强度曲线，图中显示，本发明焊丝的焊缝在650℃/200h条件下的持久强度较P92焊缝金属提高约16％，并且随着蠕变时间的延长，本发明焊丝的焊缝持久强度优势有增大的趋势。

表4实施例2焊丝的焊缝在650℃下的高温持久性能测试结果

本发明焊丝将Cu元素含量控制在很低水平，并降低B的含量，防止焊缝出现热裂纹；适当提高Mn元素的含量，在提高焊缝抗裂性的同时，抑制δ-铁素体的形成；适当提高焊丝C和N的含量，补充埋弧焊工艺条件下合金元素烧损对焊缝力学性能的不利影响，保证了焊缝的韧性和高温持久强度。

Claims (11)

1.一种9Cr-3W-3Co系马氏体耐热钢用埋弧焊焊丝，其特征在于，以质量百分数计，化学组分为：C：0.06～0.13％、Si：0.40％以下、Mn：1.0％以下、P：≤0.01％、S：≤0.01％、Ni：≤0.10％、Cr：8.50～9.50％、W：2.50～3.00％、Co：2.81-2.88％或2.92-3.2％、Nb：0.02～0.07％、V：0.15～0.25％、N：0.03～0.07％、B：0.003％以下、Cu：0.02％以下、Ti：0.01％以下、Al：0.03％以下，其余为Fe及不可避免杂质，所述焊丝用于埋弧焊焊接工艺。

2.根据权利要求1所述的埋弧焊焊丝，其特征在于，C含量为：0.08～0.12％。

3.根据权利要求1所述的埋弧焊焊丝，其特征在于，Si含量为：0.15～0.30％。

4.根据权利要求1所述的埋弧焊焊丝，其特征在于，Mn含量为：0.70～1.0％。

5.根据权利要求1所述的埋弧焊焊丝，其特征在于，W含量为：2.50～2.80％。

6.根据权利要求1所述的埋弧焊焊丝，其特征在于，Nb含量为：0.03～0.06％。

7.根据权利要求1所述的埋弧焊焊丝，其特征在于，N含量为：0.03～0.06％。

8.根据权利要求1所述的埋弧焊焊丝，其特征在于，B含量为：0.001～0.003％。

9.根据权利要求1所述的埋弧焊焊丝，其特征在于，Al含量为：0.015％以下。

10.一种9Cr-3W-3Co马氏体耐热钢用埋弧焊焊丝在埋弧焊焊接工艺中的应用，其特征在于，所述9Cr-3W-3Co系马氏体耐热钢用埋弧焊焊丝，以质量百分数计，化学组分为：C：0.06～0.13％、Si：0.40％以下、Mn：1.0％以下、P：≤0.01％、S：≤0.01％、Ni：≤0.10％、Cr：8.50～9.50％、W：2.50～3.00％、Co：2.60-3.20％、Nb：0.02～0.07％、V：0.15～0.25％、N：0.03～0.07％、B：0.003％以下、Cu：0.02％以下、Ti：0.01％以下、Al：0.03％以下，其余为Fe及不可避免杂质。

11.一种权利要求1-9任一项所述的9Cr-3W-3Co马氏体耐热钢用埋弧焊焊丝的埋弧焊焊接工艺，其特征在于，配合渣系为MgO-Al₂O₃-CaF₂-CaO-SiO₂的氟碱型焊剂使用，工艺参数为：

焊丝直径2.4mm，预热温度200-250℃，道间温度250-300℃，焊接电流350-400A，焊接电压28-36V，焊接速度35-60mm/min，焊后热处理工艺：760-770℃保温4-8h。

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