CN112570927A - 一种用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条及其制备方法 - Google Patents

一种用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明创造提供了一种用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条及其制备方法，包括钢芯及包裹在钢芯外部的药皮两部分，所述药皮包含如下质量分数的组分：28％‑45％金属碳酸盐、15％‑25％金属氟化物、4％‑10％Si、4％‑8.5％SiO2、1.5％‑3.2％金属氧化物、3.7％‑8.2％Ni、1％‑4.5％Mn、1.5‑4.5％Cr、1％‑3％Mo、6％以下铁粉以及不可避免的杂质。本发明创造所述的电焊条的屈服强度≥1050MPa，且‑40℃低温冲击韧性满足21J以上；在低温状态下，具有良好的韧性和抗裂性以及焊接操作性。

Description

一种用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条及其制备方法
技术领域
本发明创造属于焊条材料领域，尤其是涉及一种用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条及其制备方法。
背景技术
近年来，国内外超高强耐磨钢的研究取得了长足进展，新型超高强耐磨钢的基体均为高位错密度的板条马氏体组织，板条间分布有薄膜状的残余奥氏体及一些未熔的碳化物，通过TMCP制造工艺及后期热处理方法提高钢基体的强度及韧性。超高强耐磨钢在高韧性、高耐磨性方面有突出的优势。在工程机械大型化、轻量化、高效能方面具有重要的应用前景。随着国家建设及“节能减排”经济目标的不断推进，钢结构建造物日益要求减轻整体结构重量，超高强耐磨钢的应用满足了这种要求。在港口、矿山、电力以及军事领域中，使用超高强耐磨钢极大地提高了设备的安全性及使用寿命，降低了生产制造成本。
目前，用于焊接超高强耐磨钢的材料只是采用了强度级别低的500MPa级焊接材料。容易造成焊接接头强度级别相差大、抗裂性低、耐磨性差等弊病。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种具有焊接飞溅小、焊接电弧稳定、操作性能良好且具有较高屈服强度的电焊条。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条，包括钢芯及包裹在钢芯外部的药皮两部分，所述药皮包含如下质量分数的组分：28％-45％金属碳酸盐、15％-25％金属氟化物、4％-10％Si、4％-8.5％SiO2、1.5％-3.2％金属氧化物、3.7％-8.2％Ni、1％-4.5％Mn、1.5-4.5％Cr、1％-3％Mo、6％以下铁粉以及不可避免的杂质。
进一步的，所述药皮的质量占电焊条总质量的25-37％。
进一步的，所述金属碳酸盐为碳酸钙、碳酸镁、碳酸钡的一种或几种的组合。
进一步的，所述金属氟化物为萤石、氟硅酸钠、氟硅酸钾、氟化钠的一种或几种的组合。
进一步的，所述SiO2选自石英、长石、硅灰石或水玻璃。
优选地，所述SiO2含量在4％-7.5％之间，
优选地，所述Si含量在5.5％-9％之间。
优选地，所述Mn含量控制在1％-4％之间。
优选地，所述Ni含量控制在4.5％-7.6％之间。
优选地，所述Cr含量控制在2％-4.3％之间。
进一步的，所述金属氧化物为TiO2、Al2O3、ZrO2的一种或几种的组合。
优选地，所述金属氧化物含量控制在1.5-2.6％，
进一步的，使用所述焊条后形成的焊缝金属中的扩散氢含量为3.5ml/100g以下。
进一步的，使用所述焊条后形成的焊缝金属中C含量不大于0.06％，优选在0.02-0.05％。
相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：
本发明创造所述的电焊条的屈服强度≥1050MPa，且-40℃低温冲击韧性满足21J以上；在低温状态下，具有良好的韧性和抗裂性以及焊接操作性。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明创造所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例来详细说明本发明创造。
本发明的具体实施方式的超低氢型电焊条包括所用的钢芯及包裹在钢芯外的药皮。所述药皮包含如下质量份数的组分：28％-45％金属碳酸盐、15％-25％金属氟化物、4％-10％Si、4％-8.5％SiO2、1.5％-3.2％金属氧化物、3.7％-8.2％Ni、1％-4.5％Mn、1.5-4.5％Cr、1％-3％Mo、6％以下铁粉以及不可避免的杂质。药皮质量相对于电焊条总质量设定为25％-37％。药皮中各个组分的作用为：
(1)碳酸盐：碳酸盐在电弧气氛中受热分解为CO2及金属氧化物。金属氧化物提高了熔渣碱度，净化焊缝金属，具备脱硫、脱磷等作用，同时提高了焊缝金属的抗裂性及韧性。分解出的CO2降低了焊缝金属中N及H的含量。若碳酸盐含量低于药皮总质量的28％，受热分解出的CO2含量不足，造成熔渣覆盖变差，焊缝金属中的氢、氮含量增加，导致焊缝金属抗裂性及韧性降低，并且焊缝金属扩散氢难以保证低于3.5ml/100g以下。若碳酸盐含量高于药皮总质量的45％，则受热分解出的CO2含量过大，造成焊接时飞溅量增大，同时，金属氧化物分解量过多，熔渣粘度过高，难以保证电焊条全位置焊接操作性能，因此，碳酸盐规定在28％-45％之间。本发明中所指碳酸盐包括碳酸钙、碳酸镁及碳酸钡的一种或几种的组合。
(2)金属氟化物：金属氟化物具有调整熔渣粘度，提高熔渣流动性及降低焊缝金属扩散氢的作用。在电弧热作用下，氟化物受热分解出的F与焊缝金属中的H反应，降低了焊缝金属中的H分压，保证了焊缝金属中的扩散氢含量低于3.5ml/100g以下。药皮中的氟化物含量低于药皮总质量的15％，熔渣的粘度过高，造成焊缝成形不良，并且脱氢能力减弱。药皮中的氟化物含量高于药皮总质量的25％，造成熔渣流动性增大，降低了电弧燃烧稳定性，影响电焊条全位置焊接操作性能。因此，氟化物规定在15％-25％之间。本发明中的金属氟化物包含了萤石、氟硅酸钠、氟硅酸钾、氟化钠的一种或几种的组合。
(3)SiO2：SiO2作为造渣剂及粘结剂，其含量相对于药皮总质量8％以上，容易造成焊接熔渣呈玻璃化状态，脱渣性变差。同时SiO2含量低于4％，则生产中无法起到粘结剂的作用，电焊条药皮强度下降。同时SiO2含量低于4％不能保证SiO2与氟化物反应达到脱氢的作用，使焊缝金属的扩散氢含量达不到3.5ml/100g以下。因此，从提高药皮粘结剂的作用，SiO2含量应在4％以上，而从改善焊缝成型脱渣性考虑SiO2应在8％以下。优选SiO2含量在4％-7.5％之间。药皮中SiO2包括了石英、长石、硅灰石、水玻璃等。
(4)金属氧化物：TiO2、Al2O3、ZrO2是作为造渣剂和稳弧剂加入的，过量的添加造成熔渣碱度下降，焊缝金属的抗裂性及韧性下降。因此，TiO2、Al2O3、ZrO2在本实施方案中优选在3.2％以下。特此说明，TiO2、Al2O3、ZrO2在本实施方案中，其总含量相对于药皮的总质量优选在2.6％以下，过量的添加，严重影响焊缝金属的低温韧性。并且，在电焊条药皮中无需全部添加，通过在药皮中使用一种或一种以上，即可满足电焊条焊接工艺的要求。
(5)Si：Si是主要的脱氧剂，可以保证焊缝金属的强度，降低焊缝金属含氧量。随着焊缝金属中含Si的增加，焊缝金属中含氧量减少，可明显提高焊缝的硬度、屈服强度和抗拉强度，即可保证Si与氧结合生成硅酸盐及其化合物起到脱氧的目的，同时又为形成AF提高形核剂。当药皮中Si高于10％，容易造成焊缝金属粘度增大，影响焊缝金属与被焊母材的冶金反映，并使焊接操作性能变差。同时韧性指标明显下降。当药皮中Si高于4％，脱氧不足，容易产生气孔。因此Si含量控制在4％-10％之间，进一步限定在5.5％-9％之间。
(6)Mn：强化焊缝金属强度的主要元素，同时也是脱氧剂。Mn可以降低奥氏体向铁素体的相变温度，抑制奥氏体在较高温度下向先共析铁素体及侧板条铁素体的相变，促进针状铁素体的形成，细化了焊缝的针状铁素体和粗晶区、细晶区的显微组织，在提高焊缝金属强度的同时，提高焊缝金属的韧性。药皮中Mn含量低于1％时，脱氧不足，容易产生气孔。若Mn含量超过4％，焊缝金属强度增大，裂纹敏感性增强。因此，Mn含量控制在1％-4％之间。
(7)Mo：添加钼后由于焊缝金属固溶硬化，提高了柱晶区、粗晶区、细晶区和不完全相变区的硬度，并减少了这些不同区域之间硬度的差别，作为固熔强化元素，在焊缝中添加Mo可以提高焊缝淬硬性，抑制了先共析铁素体的产生。但随着焊缝金属中含Mo量的提高，将产生析出强化或产生魏氏铁素体组织，使韧性下降。当药皮中Mo含量低于1％时，焊缝金属的淬硬倾向小，抗拉强度不能满足要求。Mo含量大于3％，是焊缝金属低温韧性变差。因此，药皮中Mo含量控制在1％-3％之间。
(8)Ni：焊缝金属中Ni的主要作用为促进奥氏体向针状铁素体转变。同时降低奥氏体向铁素体的相变温度，抑制共析铁素体的形成。随着焊缝金属中含Ni量的提高，焊缝金属的低温韧性趋于稳定。当药皮中的Ni含量低于3.7％时，得到的焊缝金属低温韧性较差。若药皮中Ni含量超过8.2％，焊缝金属强度增加，并容易使焊缝金属产生热裂纹。因此，Ni含量控制在3.7％-8.2％之间，进一步控制在4.5％-7.6％之间。
(9)Cr：Cr能提高高强钢焊缝金属组织的淬透性，提高焊缝金属的强度。Cr元素的提高抑制了针状铁素体的形核与长大，是焊缝金属组织中形成大量的贝氏体、马氏体等组织，使焊缝金属的韧性及延伸率下降。当药皮中Cr含量低于1.5％时，焊缝金属的强度较低，不能满足屈服强度≥1050MPa。当药皮中Cr含量大于4.5％时，造成焊缝金属强度过高，同时，药皮增大了焊缝金属形成冷裂纹的风险。因此，Cr含量控制在1.5％-4.5％之间，进一步控制在2％-4.3％之间。
(9)C：C在本发明的焊条在焊接形成焊缝金属后存在，在焊缝金属中的主要作用是提高金属的强度。降低含碳量可以抑制碳化物和马氏体的形成，提高焊缝金属的抗裂性及低温韧性，同时有利于促进形成韧性较高的低碳板条状马氏体，增加针状铁素体的比例，减少晶界铁素体的数量，C的含量一般应控制在0.06％以下。随着C量增加焊缝金属中的硬度、屈服强度、抗拉强度均提高。并造成飞溅量和焊接烟尘增大，特别是焊缝金属中同时存在大量其它如：Ni、Cr、Mo等合金元素是，易形成热裂纹。因此限定C含量不能大于0.06％，近一步限定在0.02-0.05％之间。焊缝金属中的C含量包括了焊芯及药皮中C含量总和。
本发明的超高强耐磨钢焊接超低氢焊条上述组成物的余量为Fe，Fe主要存在于钢芯及药皮中所包含的铁合金(如Si-Fe、Mn-Fe、Ti-Fe、Mo-Fe)和铁粉中的Fe组成。大量的Fe提供了所得焊缝金属的主要组成。此外，本发明中还包含了部分的碱金属及碱土金属氟化物如：Na、K、Al等的氟化物。
实施例1-5
一种用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条，包括钢芯及包裹在钢芯外部的药皮两部分，钢芯的化学成分示于表1。各个实施例中药皮各个组分的质量分数见表2。
表1 钢芯的化学成分(质量分数)％
C S P Mn Si Ni Cr Mo As
0.06 0.010 0.010 0.30-0.60 0.03 0.03 0.03 0.03 0.004
表2 药皮的组分(质量分数)％
编号 CaCO<sub>3</sub> Si SiO<sub>2</sub> TiO<sub>2</sub> Ni Mn Cr Mo 铁粉
实施例1 28.9 7.9 5.7 2.5 6.9 3.9 2.1 1.8 余量
实施例2 34.9 7.2 4.3 2.1 7.2 3.8 3.3 2.2 余量
实施例3 31 5.7 6.8 2.3 4.6 3.2 3.6 2.8 余量
实施例4 44 8.2 4.8 1.6 7.4 3.6 4.3 2.4 余量
实施例5 38 8.9 7.3 1.8 4.8 1.7 1.8 1.2 余量
将药皮包含的各制备粉料与粘结剂利用本行业专业混粉机均匀混合，时间40～60min，得到药皮混合料；得到药皮混合料后，将所述药皮混合料利用常规的焊条制造工艺裹覆于焊芯表面，经过先低温烘干再高温烘干后得到超低氢焊条。
将上述五个实施例制得的Ф4.0mm焊条焊接WGJ510C2钢，同时保证相同的焊接参数，对形成的焊缝金属化学成分进行检测，其测试结果如表3所示；该焊条的焊缝金属力学性能测试结果如表4所示。
表3 焊条焊缝金属化学成分(质量分数％)
Figure BDA0002815431680000081
表4 焊缝金属力学性能
Figure BDA0002815431680000091
从表4分析可知，实施例1-5的抗拉强度≥1150MPa，实施例1-5的屈服强度≥1050MPa，实施例1-5的-40℃低温冲击韧性大于21J。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条，其特征在于：包括钢芯及包裹在钢芯外部的药皮两部分，所述药皮包含如下质量分数的组分：28％-45％金属碳酸盐、15％-25％金属氟化物、4％-10％Si、4％-8.5％SiO2、1.5％-3.2％金属氧化物、3.7％-8.2％Ni、1％-4.5％Mn、1.5-4.5％Cr、1％-3％Mo、6％以下铁粉以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条，其特征在于：所述超低氢焊条的屈服强度≥1050MPa，且-40℃低温冲击韧性≥21J。
3.根据权利要求1所述的用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条，其特征在于：所述药皮的质量占电焊条总质量的25-37％。
4.根据权利要求1所述的用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条，其特征在于：所述金属碳酸盐为碳酸钙、碳酸镁、碳酸钡的一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条，其特征在于：所述金属氟化物为萤石、氟硅酸钠、氟硅酸钾、氟化钠的一种或几种的组合。
6.根据权利要求1所述的用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条，其特征在于：所述SiO2选自石英、长石、硅灰石或水玻璃；优选地，所述SiO2含量在4％-7.5％之间。
7.根据权利要求1所述的用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条，其特征在于：所述Si含量在5.5％-9％之间；优选地，所述Mn含量控制在1％-4％之间；优选地，所述Ni含量控制在4.5％-7.6％之间；优选地，所述Cr含量控制在2％-4.3％之间。
8.根据权利要求1所述的用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条，其特征在于：所述金属氧化物为TiO2、Al2O3、ZrO2的一种或几种的组合；优选地，所述金属氧化物含量控制在1.5-2.6％。
9.根据权利要求1所述的用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条，其特征在于：使用所述焊条后形成的焊缝金属中的扩散氢含量为3.5ml/100g以下；使用所述焊条后形成的焊缝金属中C含量不大于0.06％，优选在0.02-0.05％。
10.权利要求1-9任一所述的用于超高强耐磨钢焊接的超低氢焊条的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将药皮各组分混合均匀；加入粘结剂，搅拌混合均匀后，以油压式涂装机以12～15Mpa的压力将药粉均匀涂覆于焊芯上，制成焊条；将焊条分别经低、高温烘焙而成即得。
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