CN112958947B - 一种提升50kg级细晶粒钢焊缝热强性的烧结焊剂 - Google Patents

一种提升50kg级细晶粒钢焊缝热强性的烧结焊剂 Download PDF

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Abstract

本发明创造提供了一种提升50kg级细晶粒钢焊缝热强性的烧结焊剂，包含如下重量百分比的组分：氧化物45‑60％、氟化物25‑35％、锰矿粉5‑7％、硅酸盐5‑7％、硅铁合金4‑6％、钼铁合金0.7‑1.0％、金属铬0.2‑0.5％，各组分的质量分数之和为100％。采用该种焊剂能够满足平焊，而且脱渣容易、焊缝成形美观、焊后所需加工余量很少或基本不用加工。该种焊剂可用于机械用结构碳钢的焊接，有很高的焊接质量，可以满足性能要求。

Description

一种提升50kg级细晶粒钢焊缝热强性的烧结焊剂
技术领域
本发明创造属于焊接材料领域，尤其是涉及一种提升50kg级细晶粒钢焊缝热强性的烧结焊剂。
背景技术
随着我国化工机械产业的高速发展，对热处理用低合金结构钢焊剂提出了更高的要求。因为化工机械用钢的焊接往往要求数量大、效率高，所以埋弧焊的焊接方法比较适用。因为机械用结构钢往往要在焊后进行退火处理来提高韧性，从而延长使用寿命；然而退火处理常常使焊缝的抗拉强度降低。这就对碳钢热处理用埋弧焊剂提出了很高要求，迫切的需要专用的焊接材料，从而满足高强度、高韧性、高效率的焊接要求。目前，国内市场还没有专门用于碳钢焊后热处理的埋弧焊剂，国外厂商的这类焊剂大多属于高端产品，价格昂贵，本发明可以填补国内这方面焊剂的空白，使碳钢热处理用埋弧焊剂变得质优、价廉。
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，提出一种提升50kg级细晶粒钢焊缝热强性的烧结焊剂。采用该种焊剂能够满足平焊，而且脱渣容易、焊缝成形美观、焊后所需加工余量很少或基本不用加工。该种焊剂可用于机械用结构碳钢的焊接，有很高的焊接质量，可以满足性能要求。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种提升50kg级细晶粒钢焊缝热强性的烧结焊剂，包含如下重量百分比的组分：氧化物45-60％、氟化物25-35％、锰矿粉5-7％、硅酸盐5-7％、硅铁合金4-6％、钼铁合金0.7-1.0％、金属铬0.2-0.5％，各组分的质量分数之和为100％。
优选的，所述氧化物的重量百分比为40-50％。
优选的，所述氟化物的重量百分比为30-35％。
优选的，所述锰矿粉的重量百分比为5-7％。
优选的，所述硅酸盐的重量百分比为5-7％。
优选的，所述硅铁合金的重量百分比为4-6％。
优选的，所述钼铁合金重量百分比为0.7-0.8％。
优选的，所述金属铬重量百分比为0.3-0.5％。
优选的，所述氧化物包括氧化镁和三氧化二铝，所述氧化镁的含量占烧结焊剂总重量的20-30％，所述三氧化二铝的含量占烧结焊剂总重量的25-30％。
优选的，所述氧化镁以镁砂的形式。
优选的，所述氟化物为氟化钙，所述氟化钙以萤石的形式。
优选的，所述硅酸盐以硅灰石的形式。
本发明还提供一种上述烧结焊剂的制备方法，包括如下步骤：
将原料按比例混合均匀，加入原料总质量约20％的高模Na：K为2:1的水玻璃并造粒、过筛，将焊剂制成10-60目颗粒状，晾干后，经过1小时300℃低温烘烤后，再经1小时800℃高温烘烤，即得烧结焊剂。
本发明的焊剂中组分的设计依据如下：
氧化镁作用是保证焊接电弧稳定，在焊接过程中增加透气性，且能在电弧周围形成一种还原的气氛，防止空气中的水蒸气、二氧化碳、氮气等有害气体进入熔敷金属，从而增加焊缝的抗锈性能。除此之外，氧化镁还具有一定的造渣效果，焊剂在焊接过中连同母材、焊丝发生一系列化学冶金反应，这两种物质在焊接过程中生成的熔渣能均匀地覆盖在焊缝金属表面，减缓焊缝金属的冷却速度，从而获得良好的焊缝成形。另外，适量的氧化镁还能起到脱去焊缝中硫、磷等有害杂质的作用。在本发明中，其含量占到20-30％。
本发明添加的氟化物主要是氟化钙。在焊接时，氟化钙在电弧区能排除氢气，防止氢气留存在焊缝中，以致产生气孔。另外，CaF2也有很好的脱硫能力，从而提高焊缝的抗拉强度和冲击韧性。在本发明中，氟化钙的含量在25-35％。
三氧化二铝是一种重要的玻璃体造渣材料，其特征在于取自铝矾土，通过调节三氧化二铝的含量和配比，可以增强焊缝的脱硫能力，减少裂纹的发生，使焊缝波纹更加细腻。同时，铝元素在焊缝中的冶金作用可以在冷却时使渣壳发生相对较大的体积变化，利于脱渣，且能有效降低焊剂成品的结晶水含量以及降低有害元素S、P的含量。在本发明中，其含量在25-30％。
硅铁合金能与锰元素联合，形成一种络合物，在焊接时对焊缝起到脱氧作用。同时硅元素能起到提高焊缝强度的作用，但不能太多，否则强度过高，会使焊缝熔敷金属低温冲击功下降。在本发明中，其含量占到4-6％。
锰矿粉在本发明中起到了非常重要的作用，是决定焊剂成品质量的关键。Mn在锰矿粉中多以MnO的形式存在。适量的锰能使渣的粘度下降，增加渣的流动性，在焊接时有稳定电弧的作用。锰矿中的MnO有一定的氧化性，降低焊缝中产生氢气孔的可能性。在本发明中，其含量占到5-7％。
硅灰石的主要成分是一种链状偏硅酸盐，主要成分为CaO和SiO2。CaO属于碱性化合物，跟生石灰和石灰石相比能够更好地调整焊剂渣系的酸碱度，增加焊缝金属冲击韧性，降低焊缝中的扩散氢含量。除此以外，硅灰石还能改善熔渣的粘度，从而获得流动性适当的熔渣。在焊剂制造过程中，硅灰石还能很好地改善焊剂的造粒性能。硅灰石不含结晶水，有助于焊缝成形良好。在本发明中，其含量占到5-7％。
金属铬的添加是本发明中的创新点之一。在焊剂中的铬可以很好地过渡到焊缝中，因为配合的H10Mn2焊丝大多不含铬或只含有极少量的铬，所以必须在焊剂中添加铬以显著提高焊缝的强度、硬度，另外铬元素在焊缝中还能起到降低晶间腐蚀和增加抗氧化性的作用，使焊缝具有良好的韧性。在后续的热处理中，能够保持焊缝在退火后的强度。在本发明中，金属铬的含量占到0.2-0.5％。
钼铁合金的添加是本发明的创新点之一。碳钢焊剂中很少添加Mo，因为碳钢所需焊缝强度一般不高。但因为本发明涉及的焊剂在配合H10Mn2焊丝使用后须经退火处理，而退火一般会使焊缝强度降低，热处理后可能不符合技术指标。本发明在查阅大量相关文献后，再结合平时的一些研发经验，认为在焊剂中添加Mo元素可以很好的改善焊缝的低温冲击韧性和抗拉强度。本发明Mo元素过渡到焊缝中是通过在焊剂中添加钼铁合金实现的，从而改善焊缝金属成分结构。本发明中，钼铁合金的含量在0.7-1.0％。
相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：
本发明的碳钢热处理用埋弧焊剂添加了Cr、Mo等微量合金元素，这些元素还可以很好地改善焊缝在热处理后的抗拉强度和低温冲击韧性。Cr元素的主要作用在于补充焊丝的成分，改善晶间结构，增强焊缝的晶间抗腐蚀能力，从而保证焊缝经退火处理后的强度。而微量的Mo元素可以很好的改善焊缝熔敷金属的低温冲击韧性，从而保证焊缝经热处理后可以达到相关技术指标，提高焊缝的综合力学性能。本发明中镁砂和铝矾土主要起的是造渣作用，使脱渣容易，提高焊接效率。萤石和硅灰石主要成分起的作用主要是增强焊缝的脱氧和脱硫能力，降低熔敷金属扩散氢，减小焊缝中气孔的出现。通过控制配方中锰矿粉的加入量可以很好地控制渣的流动性，且能在焊接时稳定电弧。本发明可以满足热处理用结构碳钢在大多数情况下的焊接，有良好的焊接性能和焊后热处理性，且能在热处理后保证较优异的力学性能，在化工机械行业应用较为广泛。
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。
实施例及对比例中使用的原料：
萤石的具体有效成分为CaF2，有效成分含量≥98％，粒度为40-50目；
镁砂的具体有效成分为MgO，有效成分含量≥98％，颗粒度细于100目；
硅灰石的具体有效成分为SiO2和CaO，要求SiO2含量≥47％，CaO含量≥50％，粒度为150-200目；
锰矿粉的具体有效成分为MnO，要求有效成分含量≥70％，颗粒度细于100目；
其他成分原料均为市售。
本发明中的所有原材料在投入焊剂生产前都须经过严格控制，需对每一种原料制定严格的化学成分及范围。部分原材料的颗粒度也需进行控制，这样才能很好地保证最终成品焊剂的颗粒度在10-60目之间。这种颗粒度的焊剂在实际焊接中性能较为优异，可以起到稳定电弧的作用，从而使焊缝成形优良。在生产过程中，先将药粉按配方中的比例混合，水玻璃量控制在药粉总重的20％左右，加入混合粉中。在搅拌过程中，采用最新的螺旋式焊剂生产设备，这样能使焊剂的颗粒度较为均匀。最后，还要采用筛选装置进一步控制焊剂的颗粒度，保证焊缝的综合性能。
为验证不同配方对焊剂性能的影响，进行以下各组试验：
实施例1：
(1)焊剂药粉中各种原材料重量百分比如下表：(％)
氟化钙 氧化镁 三氧化二铝 硅铁合金
30 24 25 6
硅灰石 锰矿粉 金属铬 钼铁合金
7 7 0.3 0.7
(2)粘合剂为高模钾钠水玻璃，模数为3.0-3.1、钾钠比为2:1。
(3)按照上述成分制成埋弧焊剂进行检测，根据国标GB/T 5293-2018、GB/T36037-2018标准规定，配合碳钢用埋弧焊丝H10Mn2，进行熔敷金属化学成分分析、熔敷金属力学性能测试。焊接规范：焊接电源为直流反接，焊接热输入为22-24KJ/cm、道间温度145-150℃。
①焊剂类型：烧结焊剂。
②焊剂S/P含量：
项目 S P
保证值 ≤0.035 ≤0.040
例值 0.020 0.033
③熔敷金属化学成分
Figure BDA0002938884630000081
④熔敷金属力学性能实测值(热处理态：620℃×8h)
力学项目 Rm(N/mm<sup>2</sup>) Rel(N/mm<sup>2</sup>) A(％) KV<sub>2</sub>(J)-40℃
标准值 490-600 ≥390 ≥18 ≥27
实测值 548 449 31.0 158、143、162
⑤纵向弯曲试验：面弯背弯均合格。
实施例2：
焊剂药粉中各种原材料重量百分比如下表：(％)
氟化钙 氧化镁 三氧化二铝 硅铁合金
35 20.7 25 5
硅灰石 锰矿粉 金属铬 钼铁合金
6 7 0.5 0.8
(2)粘合剂为高模钾钠水玻璃，模数为3.0-3.1、钾钠比为2:1。
(3)按照上述成分制成埋弧焊剂进行检测，根据国标GB/T 5293-2018、GB/T36037-2018标准规定，配合碳钢用埋弧焊丝H10Mn2，进行熔敷金属化学成分分析、熔敷金属力学性能测试。焊接规范：焊接电源为直流反接，焊接热输入为22-24KJ/cm、道间温度145-150℃。
①焊剂类型：烧结焊剂。
②焊剂S/P含量：
Figure BDA0002938884630000082
Figure BDA0002938884630000091
③熔敷金属化学成分
Figure BDA0002938884630000092
④熔敷金属力学性能实测值(热处理态：620℃×8h)
力学项目 Rm(N/mm<sup>2</sup>) Rel(N/mm<sup>2</sup>) A(％) KV<sub>2</sub>(J)-40℃
标准值 490-600 ≥390 ≥18 ≥27
实测值 559 455 29.0 116、123、134
⑤纵向弯曲试验：面弯背弯均合格。
实施例3：
(1)焊剂药粉中各种原材料重量百分比如下表：(％)
氟化钙 氧化镁 三氧化二铝 硅铁合金
35 25 25 4
硅灰石 锰矿粉 金属铬 钼铁合金
5 5 0.3 0.7
(2)粘合剂为高模钾钠水玻璃，模数为3.0-3.1、钾钠比为2:1。
(3)按照上述成分制成埋弧焊剂进行检测，根据国标GB/T 5293-2018、GB/T36037-2018标准规定，配合碳钢用埋弧焊丝H10Mn2，进行熔敷金属化学成分分析、熔敷金属力学性能测试。焊接规范：焊接电源为直流反接，焊接热输入为22-24KJ/cm、道间温度145-150℃。
①焊剂类型：烧结焊剂。
②焊剂S/P含量：
项目 S P
保证值 ≤0.035 ≤0.040
例值 0.026 0.035
③熔敷金属化学成分
Figure BDA0002938884630000101
④熔敷金属力学性能实测值(热处理态：620℃×8h)
力学项目 Rm(N/mm<sup>2</sup>) Rel(N/mm<sup>2</sup>) A(％) KV<sub>2</sub>(J)-40℃
标准值 490-600 ≥390 ≥18 ≥27
实测值 544 438 31.0 155、142、139
⑤纵向弯曲试验：面弯背弯均合格。
对比例1：减少氟化钙
(1)焊剂药粉中各种原材料重量百分比如下表：(％)
氟化钙 氧化镁 三氧化二铝 硅铁合金
20 30 30 6
硅灰石 锰矿粉 金属铬 钼铁合金
6 7 0.3 0.7
(2)熔敷金属化学成分
Figure BDA0002938884630000102
Figure BDA0002938884630000111
(3)熔敷金属力学性能实测值(热处理态：620℃×8h)
力学项目 Rm(N/mm<sup>2</sup>) Rel(N/mm<sup>2</sup>) A(％) KV<sub>2</sub>(J)-40℃
标准值 490-600 ≥390 ≥18 ≥27
实测值 489 388 21.0 67、54、46
氟化钙较少会影响抗拉强度和冲击韧性，不满足要求。
对比例2：减少三氧化二铝
(1)焊剂药粉中各种原材料重量百分比如下表：(％)
氟化钙 氧化镁 三氧化二铝 硅铁合金
35 30 13.7 6
硅灰石 锰矿粉 金属铬 钼铁合金
7 7 0.5 0.8
(2)熔敷金属化学成分
Figure BDA0002938884630000112
(3)熔敷金属力学性能实测值(热处理态：620℃×8h)
力学项目 Rm(N/mm<sup>2</sup>) Rel(N/mm<sup>2</sup>) A(％) KV<sub>2</sub>(J)-40℃
标准值 490-600 ≥390 ≥18 ≥27
实测值 492 384 19.3 78、65、82
焊接时焊缝粗糙，外形不美观，脱渣性不好，且综合力学性能不佳，应舍弃。
对比例3：减少锰矿粉
(1)焊剂药粉中各种原材料重量百分比如下表：(％)
氟化钙 氧化镁 三氧化二铝 硅铁合金
35 24.7 25 6
硅灰石 锰矿粉 金属铬 钼铁合金
7 1 0.5 0.8
(2)熔敷金属化学成分
Figure BDA0002938884630000121
(3)熔敷金属力学性能实测值(热处理态：620℃×8h)
力学项目 Rm(N/mm<sup>2</sup>) Rel(N/mm<sup>2</sup>) A(％) KV<sub>2</sub>(J)-40℃
标准值 490-600 ≥390 ≥18 ≥27
实测值 473 413 20.4 67、72、56
从力学性能实测值可以看出，锰矿粉量过少时，抗拉强度和屈服强度都有所下降，难以满足技术条件。
对比例4：增加锰矿粉
(1)焊剂药粉中各种原材料重量百分比如下表：(％)
氟化钙 氧化镁 三氧化二铝 硅铁合金
29.7 22 25 4
硅灰石 锰矿粉 金属铬 钼铁合金
5 13 0.5 0.8
(2)熔敷金属化学成分
Figure BDA0002938884630000122
Figure BDA0002938884630000131
(3)熔敷金属力学性能实测值(热处理态：620℃×8h)
力学项目 Rm(N/mm<sup>2</sup>) Rel(N/mm<sup>2</sup>) A(％) KV<sub>2</sub>(J)-40℃
标准值 490-600 ≥390 ≥18 ≥27
实测值 604 512 19.0 44、29、31
从力学性能实测值可以看出，锰含量过多时，虽然抗拉强度和屈服强度有所提高，超出要求，但冲击韧性降低较多，不满足要求。
对比例5：减少金属铬
(1)焊剂药粉中各种原材料重量百分比如下表：(％)
氟化钙 氧化镁 三氧化二铝 硅铁合金
35 23.2 25 4
硅灰石 锰矿粉 金属铬 钼铁合金
6 6 0 0.8
(2)熔敷金属化学成分
Figure BDA0002938884630000132
(3)熔敷金属力学性能实测值(热处理态：620℃×8h)
力学项目 Rm(N/mm<sup>2</sup>) Rel(N/mm<sup>2</sup>) A(％) KV<sub>2</sub>(J)-40℃
标准值 490-670 ≥390 ≥18 ≥27
实测值 482 335 19.2 52、45、33
从熔敷金属力学性能中可见，抗拉强度、屈服强度、冲击韧性都有所下降，难以满足力学性能要求。
对比例6：增加金属铬
(1)焊剂药粉中各种原材料重量百分比如下表：(％)
氟化钙 氧化镁 三氧化二铝 硅铁合金
30 25 25 4
硅灰石 锰矿粉 金属铬 钼铁合金
5 5 5 1
(2)熔敷金属化学成分
Figure BDA0002938884630000141
(3)熔敷金属力学性能实测值(热处理态：620℃×8h)
力学项目 Rm(N/mm<sup>2</sup>) Rel(N/mm<sup>2</sup>) A(％) KV<sub>2</sub>(J)-40℃
标准值 490-670 ≥390 ≥18 ≥27
实测值 482 377 20.7 54、46、56
从熔敷金属力学性能中可见，抗拉强度、屈服强度、冲击韧性都有所下降，难以满足力学性能要求。
对比例7：减少钼铁合金
(1)焊剂药粉中各种原材料重量百分比如下表：(％)
氟化钙 氧化镁 三氧化二铝 硅铁合金
30 27 26.5 5
硅灰石 锰矿粉 金属铬 钼铁
5 6 0.5 0
(2)熔敷金属化学成分
Figure BDA0002938884630000142
Figure BDA0002938884630000151
(3)熔敷金属力学性能实测值(热处理态：620℃×8h)
力学项目 Rm(N/mm<sup>2</sup>) Rel(N/mm<sup>2</sup>) A(％) KV<sub>2</sub>(J)-40℃
标准值 490-670 ≥390 ≥18 ≥27
实测值 477 420 20.6 63、84、62
从熔敷金属力学性能中可见，抗拉强度和低温冲击韧性都有所下降，不满足力学性能要求。
对比例8：增加钼铁合金
(1)焊剂药粉中各种原材料重量百分比如下表：(％)
氟化钙 氧化镁 三氧化二铝 硅铁合金
30 23.5 25 5
硅灰石 锰矿粉 金属铬 钼铁合金
5 6 0.5 5
(2)熔敷金属化学成分
Figure BDA0002938884630000152
3)熔敷金属力学性能实测值(热处理态：620℃×8h)
力学项目 Rm(N/mm<sup>2</sup>) Rel(N/mm<sup>2</sup>) A(％) KV<sub>2</sub>(J)-40℃
标准值 490-670 ≥390 ≥18 ≥27
实测值 521 316 20.7 37、56、49
从熔敷金属力学性能中可见，随低温冲击韧性有所上升，但屈服强度降低较多，综合力学性能不佳，难以满足要求。
结论：本发明的烧结焊剂专用于机械用结构碳钢焊后热处理使用，焊接性能优良，焊缝成形美观。其配合H10Mn2焊丝使用，经620×8h退火处理后，抗拉强度保证在490-670N/mm2，屈服强度≥390N/mm2，-40℃低温冲击功保证在27J以上，其综合力学性能优异，可以满足机械用结构碳钢的性能要求。
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 (8)

1.一种提升50kg级细晶粒钢焊缝热强性的烧结焊剂，其特征在于：包含如下重量百分比的组分：氧化物45-60%、氟化物25-35%、锰矿粉5-7%、硅酸盐5-7%、硅铁合金4-6%、钼铁合金0.7-1.0%、金属铬0.2-0.5%，各组分的质量分数之和为100％；
所述氧化物包括氧化镁和三氧化二铝；所述氧化镁的含量占烧结焊剂总重量的20-30%，所述三氧化二铝的含量占烧结焊剂总重量的25-30%；
所述氟化物为氟化钙；
所述硅酸盐以硅灰石的形式。
2.根据权利要求1所述的烧结焊剂，其特征在于：所述氧化物的重量百分比为45-50%。
3.根据权利要求1所述的烧结焊剂，其特征在于：所述氟化物的重量百分比为30-35%。
4.根据权利要求1所述的烧结焊剂，其特征在于：所述钼铁合金重量百分比为0.7-0.8%。
5.根据权利要求1所述的烧结焊剂，其特征在于：所述金属铬重量百分比为0.3-0.5%。
6.根据权利要求1所述的烧结焊剂，其特征在于：所述氧化镁以镁砂的形式。
7.根据权利要求1所述的烧结焊剂，其特征在于：所述氟化钙以萤石的形式。
8.权利要求1-7任一所述的烧结焊剂的制备方法，包括如下步骤：将原料按比例混合均匀，加入原料总质量20%的高模Na：K为2:1的水玻璃并造粒、过筛，将焊剂制成10-60目颗粒状，晾干后，经过1小时300℃低温烘烤后，再经1小时800℃高温烘烤，即得烧结焊剂。
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