CN113245748A

CN113245748A - 临氢钢用14Cr1MoR配套高韧性电焊条

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Publication number: CN113245748A
Application number: CN202110755096.2A
Authority: CN
Inventors: 康丹丹
Original assignee: Sichuan Xiye New Material Co ltd
Current assignee: Sichuan Xiye New Material Co ltd
Priority date: 2021-07-05
Filing date: 2021-07-05
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2041-07-05
Also published as: CN113245748B

Abstract

本发明涉及焊接材料技术领域，公开了临氢钢用14Cr1MoR配套高韧性电焊条，包括焊芯和药皮，焊芯采用H08E钢，药皮的各组分按重量百分比计，包括碳酸盐35.0~39.0%、氟化物23.5~26.0%、金红石5.0~8.0%、二氧化硅4.0~8.0%、锰铁3.0~5.0%、硅铁6.2~7.2%、钛铁2.0~3.0%、金属铬3.0~5.0%、钼铁2.0~4.0%、稀土1.0~2.0%，还原铁粉5.0~10.0%，CMC 0.6~1.0%，粘结剂1.0~2.0%。本申请的焊条，经690℃×20h热处理后，常温及高温（380℃、450℃、510℃）力学性能良好，‑20℃冲击吸收能≥100J，熔敷金属As、Sn、Sb含量均小于0.005%，X系数小于15ppm，满足临氢钢用14Cr1MoR的焊接需求。

Description

临氢钢用14Cr1MoR配套高韧性电焊条

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体地说，涉及临氢钢用14Cr1MoR配套高韧性电焊条。

背景技术

随着我国石油、化工行业的高速发展，承压设备也向着大型化、轻量化、高参数、长寿命的方向发展，承压设备所需焊材的性能及稳定性对承压设备的制造质量尤其关键，决定承压设备的最终性能。

1.25Cr~0.5Mo钢属于铁素体~珠光体组织热强钢，高温下具有较高的热强性和抗氧化性，但在375~575℃温度范围内长期工作，会出现回火脆化及韧性降低等问题。近年来，各大钢厂通过控制杂质元素P、As、Sn、Sb的含量，国产钢材性能得到了大幅提升，可以替代进口满足高温下良好的热强性及抗氧化、抗氢、硫腐蚀性能。14Cr1MoR是石油化工装置中常用的钢种之一，在高温下具有较好的热强度及抗氧化性，应用在焦炭塔主体材料中，可经受冷热疲劳，轴向和纵向温差引起的局部塑性变形，其市场占比远高于15CrMoR。

配套临氢钢用14Cr1MoR，满足高温下足够的强度、良好的塑韧性、优良的焊接操作性及抗回火脆化等综合性能的焊材成了制约钢材应用的最大瓶颈。因此，急需研究开发出一种配套临氢钢用14Cr1MoR焊接的高韧性电焊条。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供临氢钢用14Cr1MoR配套高韧性电焊条，经690℃×20h热处理后，常温及高温（380℃、450℃、510℃）力学性能良好，-20℃冲击吸收能≥100J，熔敷金属As、Sn、Sb含量均小于0.005%，X系数小于15ppm，满足临氢钢用14Cr1MoR的焊接需求。

具体内容如下：

本发明提供了临氢钢用14Cr1MoR配套高韧性电焊条，包括焊芯和药皮，焊芯采用H08E钢，药皮的各组分按重量百分比计，包括碳酸盐35.0~39.0 %、氟化物23.5~26.0 %、金红石5.0~8.0 %、二氧化硅4.0~8.0 %、锰铁3.0~5.0 %、硅铁6.2~7.2 %、钛铁2.0~3.0 %、金属铬3.0~5.0 %、钼铁2.0~4.0 %、稀土1.0~2.0 %，还原铁粉5.0~10.0 %，CMC 0.6~1.0 %，粘结剂1.0~2.0 %。

<本发明对药皮组分中的杂质元素进行严格限定>

采用高碱度的药皮体系，大理石、萤石等在焊接过程中对熔池进行充分的渣气联合保护，保证熔敷金属极低的扩散氢含量，从而保证焊缝金属的低温冲击韧性；适量加入金红石及石英，改善熔渣熔点及表面张力，优化熔滴过渡形式，从而保证焊条的全位置操作性能；合理控制Mn、Si、Ti等合金配比，保证焊接过程脱氧脱硫更加充分，减少焊缝杂质含量，提高焊缝纯净度。

<本发明采用以下途径降低热强钢焊接过程中的回火脆性>

热强钢焊接过程中回火脆性的产生主要受两方面的影响，其一为合金元素，其二为杂质元素。

Mo在高温长期时效作用下容易形成稳定的碳化物，对回火脆性的影响受扩散速度的控制；Cr在长时间的时效中也会形成碳化物，但合金元素是铬钼钢重要的组成部分，所以在应用中主要通过控制杂质元素的含量来改善性能。

杂质元素会富集在原奥氏体晶界，使晶界脆化，结合力降低。发生回火脆化的焊缝在受到冲击时，裂纹会沿着结合力薄弱的晶界扩展，造成沿晶断裂。本申请通过严格控制杂质元素的含量用以避免发生回火脆性。已证实，P对回火脆性的影响最大，Sn次之，Sb和As影响一般。因此，通过H08E钢用以控制Sn、Sb和As的含量；通过原材料的控制和渣系的控制，用于脱磷反应，脱磷反应分为两步：首先是将磷氧化成P₂O₅；然后再与熔渣中的碱性氧化物反应生成稳定的复合化合物，进入熔渣得到脱磷的目的。

<本发明提供的焊条药皮中各成分的主要作用如下>

（碳酸盐35.0~39.0 %）

碳酸盐（CaCO₃，BaCO₃等）在电弧中分解释放出CO₂从而隔离液态金属与大气接触并保护金属过渡，同时降低电弧气氛中氢气和氮气的分压。金属碳酸盐还具有产生碱性熔渣的作用，并具有较好的去除熔渣中硫磷的能力。药皮中碳酸盐的含量小于35.0 %，产生的气体量不足，不能形成良好的保护，增加焊接金属中氢和氮的含量，导致韧性和抗裂性降低。相反，当药皮中的碳酸盐的含量超过39.0 %时，电弧变得不稳定，导致飞溅量增加。因此，药皮的碳酸盐含量控制在35.0~39.0 %范围内。本发明中，碳酸盐的加入形式采用大理石实现。大理石相较于工业CaCO₃而言，其抗吸潮性更好，透气性更好，利于焊条的制备。

（氟化物23.5~26.0 %）

氟化物能够降低熔渣熔点，改善焊接金属的流动性，优化焊缝成形。氟化物分解的氟与熔融金属和熔渣中的氢反应会降低熔融金属中氢气的分压，从而降低氢含量。药皮中的CaF₂含量小于23.5%时，熔融炉渣的粘度不足，焊缝成形变差。相反，当药皮中的CaF₂含量超过26.0%时，电弧稳定性变差。因此，药皮的氟化物含量控制在23.5~26.0 %的范围内。本发明中，氟化物的加入形式为氟化钙。

（金红石5.0~8.0 %）

金红石可以稳定电弧，改善熔滴过渡方式，改善熔渣覆盖性，使焊缝成形美观。当TiO₂的含量超过8.0 %时，焊缝金属易出现粗的板条状贝氏体组织，大大降低了焊接金属的韧性。当TiO₂的含量低于5.0 %，起不到稳定电弧、改善焊缝成形的作用。因此，药皮的TiO₂含量控制在5.0~8.0 %的范围内。

（二氧化硅4.0~8.0 %）

SiO₂作为造渣材料或粘合剂添加到药皮中可以稳定电弧，改善熔渣的物理特性，与其他造渣成分共同作用调整熔渣形态。如果SiO₂含量大于8.0 %，则熔渣呈玻璃状，导致脱渣性降低。相反，如果SiO₂含量小于4.0 %，则难以获得作为造渣材料或粘结的效果，并且实际生产中的涂层质量下降，这导致生产率差。因此，药皮的SiO₂含量控制在4.0~8.0 %的范围内。

（硅铁6.2~7.2 %）

（钛铁2.0~3.0 %）

（锰铁3.0~5.0 %）

元素Si（硅铁）是用作脱氧剂的元素，并且具有确保焊接金属的强度并减少焊缝的氧含量。与锰铁、钛铁共同作用，提高焊缝强度及低温韧性。分别控制Si含量为6.2~7.2 %，低碳锰铁含量为3.0~5.0 %，钛铁含量为2.0~3.0%。

（金属铬3.0~5.0 %）

（钼铁2.0~4.0 %）

金属铬及钼铁主要为过渡合金元素，与母材成分匹配，保证焊缝高温性能，分别控制其含量为金属铬3.0~5.0 %，钼铁2.0~4.0 %。

（稀土1.0~2.0 %）

稀土元素的添加主要为净化晶界，改善力学性能，加入量低于1.0%（与加入量为1.0%时相比），性能改善小；加入量高于2.0%（与加入量为2.0%时相比），韧性改善不明显，且价格昂贵，不宜多加。因此，药皮的稀土元素含量控制在1.0~2.0%的范围内。

（还原铁粉5.0~10.0 %）

通过加入还原铁粉，用以形成FeO-CaO-SiO₂-CaF₂渣系，用以达到脱磷的目的。

（CMC 0.6~1.0 %）

CMC的主要成分为C、H、O，主要作用在于稳弧、造气、粘结，不会吸潮。同时由于本申请中有添加硅微粉，其作用可以增加涂料滑性，因而不需要额外增加涂料滑性，因而不需要添加纯碱。纯碱的作用主要在于增加涂料的滑性，改善圧涂性能，若含量大于1%，极易使药皮吸潮，增加焊接飞溅。

CMC用于增加药皮的润滑性，改善圧涂性能，同时也有一定的稳弧作用。若加入量小于0.6 %，改善作用不明显；若加入量大于1.0 %，焊条容易吸潮。因此，药皮的CMC控制其含量为0.6~1.0 %。

（粘结剂1.0~2.0 %）

本发明中，粘接剂的加入形式为海藻酸钠，用于保证生产过程的顺畅性，改善圧涂性能。

<本发明达到的有益效果>

（1）本发明的焊条在焊接的过程中，焊接工艺表现优良，电弧稳定，脱渣容易，飞溅小，焊缝成形美观，全位置操作性良好，熔敷金属合金元素控制合理，各项力学性能良好。

（2）本发明的焊条经690℃×20h热处理后，常温及高温（380℃、450℃、510℃）力学性能良好，-20℃冲击吸收能≥100J，熔敷金属As、Sn、Sb含量均小于0.005%，X系数小于15ppm，满足热强钢14Cr1MoR的焊接需求。

（3）本申请的渣系为FeO-CaO-SiO₂-CaF₂，通过焊条中各成份合理匹配对改善焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好作用。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

第一，本发明提供了临氢钢用热强钢14Cr1MoR配套高韧性电焊条，包括焊芯和药皮，焊芯采用H08E钢，药皮的各组分按重量百分比计，包括碳酸盐35.0~39.0 %、氟化物23.5~26.0 %、金红石5.0~8.0 %、二氧化硅4.0~8.0 %、锰铁3.0~5.0 %、硅铁6.2~7.2 %、钛铁2.0~3.0 %、金属铬3.0~5.0 %、钼铁2.0~4.0 %、稀土1.0~2.0 %，还原铁粉5.0~10.0 %，CMC 0.6~1.0 %，粘结剂1.0~2.0 %。

进一步地，药皮的各组分按重量百分比计，碳酸盐36.5 %，氟化物25.0 %，金红石7%，硅微粉5.0 %，锰铁4.0 %，硅铁6.5 %，钛铁2 %，金属铬3.2 %，钼铁2.3 %，稀土1.0 %，还原铁粉5.5 %，CMC0.8 %，粘结剂1.2 %。

进一步地，药皮的各组分按重量百分比计，碳酸盐35.0 %，氟化物23.5 %，金红石6.0 %，硅微粉6.0 %，锰铁3.5 %，硅铁6.8 %，钛铁2.2 %，金属铬4.5 %，钼铁2.5 %，稀土1.2%，还原铁粉6.0 %，CMC 1.0 %，粘结剂1.8 %。

进一步地，药皮的各组分按重量百分比计，碳酸盐36.5 %，氟化物24.5 %，金红石5.0 %，硅微粉4 %，锰铁4.5 %，硅铁6.4 %，钛铁2.4 %，金属铬3.5 %，钼铁2.8 %，稀土1.3%，还原铁粉7.2 %，CMC 0.6 %，粘结剂1.3 %。

进一步地，药皮的各组分按重量百分比计，碳酸盐36.8 %，氟化物25.4 %，金红石5.1 %，硅微粉4.2 %，锰铁3.3 %，硅铁5.6 %，钛铁2.6 %，金属铬3.8 %，钼铁3.0 %，稀土1.5%，还原铁粉6.9 %，CMC 0.7 %，粘结剂1.1 %。

进一步地，药皮的各组分按重量百分比计，碳酸盐38.0 %，氟化物24.0 %，金红石6.5 %，硅微粉7.5 %，锰铁3.0 %，硅铁6.2 %，钛铁2.0 %，金属铬3.0 %，钼铁2.0 %，稀土1.1%，还原铁粉5.0 %，CMC 0.7 %，粘结剂1.0 %。

进一步地，药皮的各组分按重量百分比计，碳酸盐35.0 %，氟化物23.6 %，金红石7.5 %，硅微粉4.2 %，锰铁4.6 %，硅铁6.3 %，钛铁2.5 %，金属铬3.3 %，钼铁3.7 %，稀土1.9%，还原铁粉5.1 %，CMC 0.6 %，粘结剂1.7 %。

进一步地，H08E钢的化学成分按重量百分比计，包括：

C:0.10 %；Mn:0.56~0.70 %；Si:≤0.03 %；S:≤0.010 %；P:≤0.010 %；Cr:≤0.10%；Ni:≤0.30 %；Al:≤0.03 %；Cu:≤0.20 %；As:≤0.005 %；Sn:≤0.005 %；Sb:≤0.005%，余量为Fe。

进一步地，焊芯与药皮的质量比为3:7。

第二，本发明提供了临氢钢用热强钢14Cr1MoR配套高韧性电焊条的制备方法，包括以下步骤，

S1 将药皮粉料混合均匀；

S2 加入占粉料组分质量含量21~23wt.%的水玻璃，进行湿拌，其中，水玻璃的钾钠比例为1:1，波美浓度为41~43Be；

S3在油压式焊条机上，将S2得到的混合物负载在所述焊芯上，制得焊条。

第三，本发明提供了临氢钢用热强钢14Cr1MoR配套高韧性电焊条的焊接方法，包括如下步骤：

试板焊前预热至200~250℃，焊前焊条进行380℃不低于1h的烘干，150℃保温随取随用，焊接过程中采用多层多道焊，控制每层厚度为3~5mm，控制层间温度为240~260℃。

<实施例>

实施例1-6

临氢钢用热强钢14Cr1MoR配套高韧性电焊条，包括焊芯以及包覆于焊芯表面的药皮，药皮的各组分见表1。

焊芯的化学组分见表2。

其制备方法为，将药皮各成分混合均匀后，加入占药皮重量21~23 wt.%的20℃条件下的钾钠比例为1:1的水玻璃（波美密度为41~43Be）搅拌均匀，送入油压机将其包裹于焊芯表面，经80℃低温烘焙和380℃高温烘焙后形成本发明的焊条。

在实施例1-6中，药皮和焊芯的质量比为3:7。

其焊接方法为，试板焊前预热至200~250℃，焊前焊条进行380℃不低于1h的烘干，150℃保温随取随用，焊接过程中采用多层多道焊，控制每层厚度为3~5mm，控制层间温度为240~260℃。

<对比例>

对比例1-2

焊芯的化学组分见表2。

其制备方法以及焊接方法同实施例1-6。

<试验例>

以14Cr1MoR钢作为母材，采用直流反接对母材进行焊接，分别用实施例1-6和对比例1-2的焊条进行焊接，焊后整块试板进行690℃×20h热处理，金属拉伸及冲击试验的取样分别参照标准GB2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》、GB2650-2008《焊接接头冲击试验方法》，高温拉伸试验参照标准GB228.2-2015《金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法》进行，焊接后，测试焊接接头的屈服强度、抗拉强度、延伸率、-20℃冲击吸收能，其结果如表3所示。

由表3可知，经热处理后，实施例1-6的焊接接头的屈服强度在500MPa~540MPa内，抗拉强度在580MPa~650MPa内，该焊接接头具有优异的力学性能，适用于临氢钢用热强钢14Cr1MoR焊接的需要。并且，在本发明的实施例1-6中，焊接接头的延伸率在26%~30%。对比例1-2因合金含量不足导致热处理后强度偏低，延伸率及冲击吸收能量均低于实施例1-6。

测试焊接后熔敷金属的组分及含量，其结果如表4所示。

择优选取实施例4，其分别经过680℃×3h和690℃×20h热处理后进行了高温拉伸试验，试验结果如表5所示。

综上所述，本发明的焊条焊接工艺性良好，熔敷金属中杂质元素P、As、Sn、Sb等含量极低，X系数小于15ppm，经高温热处理后常温及高温下均具有较高的热强性和抗氧化性，抗回火脆性优良，完全满足临氢钢用热强钢14Cr1MoR的焊接要求。

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.临氢钢用14Cr1MoR配套高韧性电焊条，其特征在于，包括焊芯和药皮，焊芯采用H08E钢，药皮的各组分按重量百分比计，包括碳酸盐35.0~39.0 %、氟化物23.5~26.0 %、金红石5.0~8.0 %、二氧化硅4.0~8.0 %、锰铁3.0~5.0 %、硅铁6.2~7.2 %、钛铁2.0~3.0 %、金属铬3.0~5.0 %、钼铁2.0~4.0 %、稀土1.0~2.0 %，还原铁粉5.0~10.0 %，CMC 0.6~1.0 %，粘结剂1.0~2.0 %。

2.根据权利要求1所述的临氢钢用14Cr1MoR配套高韧性电焊条，其特征在于，药皮的各组分按重量百分比计，碳酸盐36.5 %，氟化物25.0 %，金红石7.0 %，硅微粉5.0 %，锰铁4.0%，硅铁6.5 %，钛铁2.0 %，金属铬3.2 %，钼铁2.3 %，稀土1.0 %，还原铁粉5.5 %，CMC0.8 %，粘结剂1.2 %。

3.根据权利要求1所述的临氢钢用14Cr1MoR配套高韧性电焊条，其特征在于，药皮的各组分按重量百分比计，碳酸盐35.0 %，氟化物23.5 %，金红石6.0 %，硅微粉6.0 %，锰铁3.5%，硅铁6.8 %，钛铁2.2 %，金属铬4.5 %，钼铁2.5 %，稀土1.2 %，还原铁粉6.0 %，CMC 1.0%，粘结剂1.8 %。

4.根据权利要求1所述的临氢钢用14Cr1MoR配套高韧性电焊条，其特征在于，药皮的各组分按重量百分比计，碳酸盐36.5 %，氟化物24.5 %，金红石5.0 %，硅微粉4.0 %，锰铁4.5%，硅铁6.4 %，钛铁2.4 %，金属铬3.5 %，钼铁2.8 %，稀土1.3 %，还原铁粉7.2 %，CMC 0.6%，粘结剂1.3 %。

5.根据权利要求1所述的临氢钢用14Cr1MoR配套高韧性电焊条，其特征在于，药皮的各组分按重量百分比计，碳酸盐36.8 %，氟化物25.4 %，金红石5.1 %，硅微粉4.2 %，锰铁3.3%，硅铁5.6 %，钛铁2.6 %，金属铬3.8 %，钼铁3.0 %，稀土1.5 %，还原铁粉6.9 %，CMC 0.7%，粘结剂1.1 %。

6.根据权利要求1所述的临氢钢用14Cr1MoR配套高韧性电焊条，其特征在于，药皮的各组分按重量百分比计，碳酸盐38.0 %，氟化物24.0 %，金红石6.5 %，硅微粉7.5 %，锰铁3.0%，硅铁6.2 %，钛铁2.0 %，金属铬3.0 %，钼铁2.0 %，稀土1.1 %，还原铁粉5.0 %，CMC 0.7%，粘结剂1.0 %。

7.根据权利要求1所述的临氢钢用14Cr1MoR配套高韧性电焊条，其特征在于，药皮的各组分按重量百分比计，碳酸盐35.0 %，氟化物23.6 %，金红石7.5 %，硅微粉4.2 %，锰铁4.6%，硅铁6.3 %，钛铁2.5 %，金属铬3.3 %，钼铁3.7 %，稀土1.9 %，还原铁粉5.1 %，CMC 0.6%，粘结剂1.7 %。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的临氢钢用14Cr1MoR配套高韧性电焊条，其特征在于，H08E钢的化学成分按重量百分比计，包括：

C:0.10 %；Mn:0.56~0.70 %；Si:≤0.03 %；S:≤0.010 %；P:≤0.010 %；Cr:≤0.10 %；Ni:≤0.30 %；Al:≤0.03 %；Cu:≤0.20 %；As:≤0.005 %；Sn:≤0.005 %；Sb:≤0.005%，余量为Fe。