CN113613828A - 高Cr铁素体系耐热钢用涂药焊条 - Google Patents

高Cr铁素体系耐热钢用涂药焊条 Download PDF

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Abstract

提供一种高Cr铁素体系耐热钢用涂药焊条，其既能够在焊接部确保所需韧性，又能够得到高温强度优异的焊接金属。高Cr铁素体系耐热钢用涂药焊条，是具有钢制焊芯、和包覆该焊芯的药皮的涂药焊条，其中，以涂药焊条总质量计，分别在规定范围含有C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、V、Co、B、Nb、W、N和Fe，并且含有造渣剂，W的含量和Co的含量合计为2.8质量％以上。

Description

高Cr铁素体系耐热钢用涂药焊条
技术领域
本发明涉及适合高Cr铁素体系耐热钢焊接的涂药焊条。
背景技术
手工电弧焊，是以在焊芯上设有被称为药皮的焊剂和保护材等的涂药焊条(也简称为“焊条”或“手工焊棒”等)作为电极，在其与母材之间使电弧发生，以电弧热使焊条和母材熔融，由此接合对象物的焊接方法。手工电弧焊是不需要保护气体的最简单的焊接方法，即使在风大的户外等地方也能够进行焊接，被广泛应用于各种制造工厂、建筑、船舶、车辆等。
由手工电弧焊等制造的结构物之中，例如，发电用锅炉和涡轮机以及各种耐热耐压钢管，由于在高温高压的条件下使用，所以特别要求高温强度和耐裂纹性优异。高Cr铁素体系耐热钢应对这样的要求而得到开发，其所使用的涂药焊条也在各施工方法中被提出。例如，在专利文献1中公开有一种涂药焊条，其能够得到蠕变断裂特性和韧性优异的焊接金属。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018－122329号公报
但是，上述这样的锅炉等的结构物的蒸气温度和蒸气压，从热效率提高的观点出发而越来越高，特别是对于焊接金属的高温强度要求进一步提高。
发明内容
本发明鉴于上述状况而提出，其目的在于，提供一种高Cr铁素体系耐热钢用涂药焊条，其既能够在焊接部确保所需韧性，又能够得到高温强度优异的焊接金属。
本发明的一个方式的高Cr铁素体系耐热钢用涂药焊条，是具有钢制焊芯、和包覆该焊芯的药皮的涂药焊条，其中，
以涂药焊条总质量计，含有
C：0.04质量％以上且0.12质量％以下、
Si：0.8质量％以上且2.0质量％以下、
Mn：0.3质量％以上且1.0质量％以下、
Ni：0.01质量％以上且1.00质量％以下、
Cr：6.0质量％以上且7.6质量％以下、
Mo：0.02质量％以上且0.20质量％以下、
V：0.1质量％以上且0.3质量％以下、
Co：1.8质量％以上且4.0质量％以下、
B：0.04质量％以上且0.12质量％以下、
Nb：0.05质量％以上且0.35质量％以下、
W：1.0质量％以上且2.5质量％以下、
N：0.01质量％以上且0.03质量％以下、
Fe：50质量％以上80质量％以下、和
造渣剂，
所述W的含量和所述Co的含量合计为2.8质量％以上。
上述高Cr铁素体系耐热钢用涂药焊条，优选以涂药焊条总质量计，满足如下任意一个：
P：0.05质量％以下、
S：0.008质量％以下、
Cu：0.10质量％以下、
Ti：0.5质量％以下、
Al：0.10质量％以下。
另外，上述高Cr铁素体系耐热钢用涂药焊条，优选所述药皮的包覆率为20％以上且45％以下。
此外，上述高Cr铁素体系耐热钢用涂药焊条，优选所述造渣剂，以涂药焊条总质量计，为15质量％以上且35质量％以下。
根据本发明，能够提供一种高Cr铁素体系耐热钢用涂药焊条，其既能够在焊接部确保所需要韧性，又能够得到高温强度优异的焊接金属。
具体实施方式
以下，对用于实施本发明的方式详细说明。还有，本发明不受以下说明的实施方式限定，在不脱离本发明宗旨的范围内，能够任意变更实施。
本发明者们为了解决上述课题而锐意研究，其结果发现，若使具有强度提高效果的W的含量增加，则作为脆性组织的δ铁素体容易生成，其使焊接金属的韧性降低，因此与W的含量一起，恰当地调整具有抑制δ铁素体生成这一效果的Co的含量，而且恰当地调整它们的合计含量，再通过平衡控制对焊接金属的高温强度施加影响的元素即Ni、Cr、V和B的含量，由此能够一边确保所要求的韧性，一边得到高温强度优异的焊接金属。
〔涂药焊条的组成〕
以下，对于本实施方式的涂药焊条，其成分添加理由和组成限定理由进行详细说明。还有，下述的成分，可以添加于钢制焊芯和药皮的一方之中，或也可以添加到双方之中。另外，以下的涂药焊条中的各合金成分量(％)，作为在涂药焊条总质量中的含量而以质量％表示。
＜C：0.04质量％以上且0.12质量％以下＞
C是形成碳化物，有助于改善焊接金属的蠕变断裂特性的元素。
C含量低于0.04质量％时，不能充分取得上述效果。因此，相对于涂药焊条总质量，C含量为0.04质量％以上，优选为0.07质量％以上。
另一方面，若C含量高于0.12质量％，则碳化物过于粗大化，焊接金属的韧性降低。因此，相对于涂药焊条总质量，C含量为0.12质量％以下，优选为0.11质量％以下。
还有，从药皮添加C时，能够在其他金属原料中使之含有而进行添加。
＜Si：0.8质量％以上且2.0质量％以下＞
Si作为脱氧剂发挥功能，是具有使焊接金属的强度和韧性提高这一效果的元素。
Si含量低于0.8质量％时，不能充分取得上述效果。另外，Si是有助于焊接时的操作性提高的元素，Si量低于0.8质量％时焊接操作性劣化在焊接金属中产生欠陥。因此，相对于涂药焊条总质量，Si含量为0.8质量％以上，优选为1.2质量％以上。
另一方面，若Si含量高于2.0质量％，则焊接金属发生过剩的强度上升，导致韧性的劣化。因此，相对于涂药焊条总质量，Si含量为2.0质量％以下，优选为1.6质量％以下。
还有，在本实施方式中，所谓Si，表示金属或合金的Si换算值和SiO2的Si换算值的总量。另外，从药皮添加Si时，能够由Fe－Si等添加。
＜Mn：0.3质量％以上且1.0质量％以下＞
Mn作为脱氧剂发挥功能，是具有使焊接金属的强度和韧性提高这一效果的元素。
Mn含量低于0.3质量％时，焊接时容易生成δ铁素体，生成的δ铁素体即使焊接后实施热处理也不会消失，因此焊接时生成的δ铁素体有可能对焊接金属的蠕变断裂特性和韧性带来不利影响。因此，相对于涂药焊条总质量，Mn含量为0.3质量％以上，优选为0.4质量％以上。
另一方面，Mn是奥氏体生成元素，因此，若Mn含量高于1.0质量％，则在热处理中生成逆变奥氏体，韧性劣化。因此，相对于涂药焊条总质量，Mn含量为1.0质量％以下，优选为0.8质量％以下。
还有，从药皮添加Mn时，能够由Fe－Mn等添加。
＜Ni：0.01质量％以上且1.00质量％以下＞
Ni是奥氏体生成元素，是具有抑制对韧性造成不利影响的铁素体生成这一效果的元素。另外，Ni也是促进基体中的合金元素扩散的元素。
Ni含量低于0.01质量％时，不能充分取得上述效果。因此，相对于涂药焊条总质量，Ni含量为0.01质量％以上，优选为0.30质量％以上。
另一方面，若Ni含量高于1.00质量％，助长B的扩散，将Cr、Fe和Mo等的金属元素表述为M时，由M23C6表示的碳化物粒子(以下，也简称为“M23C6粒子”)的奥斯特瓦尔德熟化容易进行，焊接金属的蠕变断裂特性劣化。因此，相对于涂药焊条总质量，Ni含量为1.00质量％以下，优选为0.90质量％以下。
还有，从药皮添加Ni时，能够由Fe－Ni等方式进行添加。
＜Cr：6.0质量％以上且7.6质量％以下＞
Cr是作为本实施方式的涂药焊条的焊接对象的高Cr铁素体系耐热钢所含有的主要合金元素。另外，Cr形成M23C6粒子，改善焊接金属的蠕变断裂特性，在用于确保焊接金属的抗氧化性和耐腐蚀性等方面至关重要。
Cr含量低于6.0质量％时，不能充分确保上述焊接金属的特性。因此，相对于涂药焊条总质量，Cr含量为6.0质量％以上，优选为6.5质量％以上。
另一方面，若Cr含量高于7.6质量％，则焊接时容易生成δ铁素体，生成的δ铁素体即使在焊接后实施热处理也不会消失，因此焊接时生成的δ铁素体有可能对焊接金属的蠕变断裂特性和韧性的改善带来不利影响。因此，相对于涂药焊条总质量，Cr含量为7.6质量％以下，优选为7.1质量％以下。
还有，从药皮添加Cr时，能够由Fe－Cr等方式进行添加。
＜Mo：0.02质量％以上且0.20质量％以下＞
Mo是通过固溶强化来改善焊接金属的蠕变断裂特性的元素。
Mo含量低于0.02质量％时，不能充分取得上述效果。因此，相对于涂药焊条总质量，Mo含量为0.02质量％以上，优选为0.06质量％以上。
另一方面，若Mo高于0.20质量％，则焊接时容易生成δ铁素体，生成的δ铁素体即使在焊接后实施热处理也不会消失，因此焊接时生成的δ铁素体有可能对焊接金属的蠕变断裂特性和韧性的改善带来不利影响。因此，相对于涂药焊条总质量，Mo含量为0.20质量％以下，优选为0.18质量％以下。
还有，在从药皮添加Mo时，能够通过Fe－Mo等进行添加。
＜V：0.1质量％以上且0.3质量％以下＞
V是形成MX型碳氮化物([M：Nb，V]，[X：C，N])改善焊接金属的蠕变断裂特性的元素。另外，通过作为MX型碳氮化物固定N，从而具有减少作为BN生成的B量的效果，通过使融入M23C6粒子的B量增加，抑制M23C6粒子的奥斯特瓦尔德熟化。
V含量低于0.1质量％时，不能充分取得上述效果。因此，相对于涂药焊条总质量，V含量为0.1质量％以上，优选为0.12质量％以上。
另一方面，V含量超过0.3质量％时，焊接时δ铁素体生成，并且，导致高温的MX型碳氮化物的奥斯特瓦尔德熟化，其结果是，焊接金属的蠕变断裂特性和韧性劣化。因此，相对于涂药焊条总质量，V含量为0.3质量％以下，优选为0.28质量％以下。
还有，从药皮添加V时，能够在其他金属原料中使之含有而进行添加。
＜Co：1.8质量％以上且4.0质量％以下＞
Co是抑制焊接时生成δ铁素体，改善焊接金属的蠕变断裂特性和韧性的元素。在本实施方式中，将提高焊接金属强度但促进δ铁素体生成的W含量的上限设为2.5质量％，通过调整具有抑制δ铁素体生成这一效果的Co的含量，从而能够一边确保所需韧性，一边提高焊接金属的高温强度。
Co含量低于1.8质量％时，不能充分取得上述效果。因此，相对于涂药焊条总质量，Co含量为1.8质量％以上，优选为2.0质量％以上，更优选为2.2质量％以上。
另一方面，若Co高于4.0质量％，则招致焊接金属的强度的过大上升，使韧性劣化。因此，相对于涂药焊条总质量，Co含量为4.0质量％以下，优选为3.9质量％以下，更优选为3.8质量％以下。
还有，从药皮添加Co时，能够由Fe－Co等方式进行添加。
＜B：0.04质量％以上且0.12质量％以下＞
B是通过融入M23C6粒子，抑制M23C6粒子的奥斯特瓦尔德熟化，具有改善焊接金属的蠕变断裂特性这一效果的元素。
B含量低于0.04质量％时，不能充分取得上述效果。因此，相对于涂药焊条总质量，B为0.04质量％以上，优选为0.05质量％以上。
另一方面，若B含量高于0.12质量％，则焊接金属的强度过大上升，不能确保所需韧性。因此，相对于涂药焊条总质量，B含量为0.12质量％以下，优选为0.11质量％以下。
还有，从药皮添加B时，能够在其他金属原料中使之含有而进行添加。
＜Nb：0.05质量％以上且0.35质量％以下＞
Nb是形成MX型氮化物，具有改善焊接金属的蠕变断裂特性这一效果的元素。
Nb含量低于0.05质量％时，不能充分取得上述效果。因此，相对于涂药焊条总质量，Nb含量为0.05质量％以上，优选为0.07质量％以上。
另一方面，若Nb含量高于0.35质量％，则招致焊接金属强度的过大上升，使韧性劣化。因此，相对于涂药焊条总质量，Nb含量为0.35质量％以下，优选为0.30质量％以下。
还有，从药皮添加Nb时，能够在其他金属原料中使之含而进行添加。
＜W：1.0质量％以上且2.5质量％以下＞
W与Mo同样，作为固溶强化元素而具有改善焊接金属的蠕变断裂特性的效果，并且在高温下作为laves相在晶界析出，阻碍B在晶界中的扩散，是可期待抑制M23C6粒子的奥斯特瓦尔德熟化这一作用的元素。
W含量低于1.0质量％时，不能充分取得上述效果。因此，相对于涂药焊条总质量，W含量为1.0质量％以上，优选为1.2质量％以上，更优选为1.5质量％以上。
另一方面，若在涂药焊条中过剩地含有W，则焊接时容易生成δ铁素体，生成的δ铁素体即使焊接后实施热处理也不会消失，因此焊接时生成的δ铁素体有可能对于焊接金属的蠕变断裂特性和韧性的改善造成不利影响。
但是，在本实施方式中，如上述，通过使W含量的上限为2.5质量％，并同时调整具有抑制δ铁素体生成这一效果的Co的含量，则能够一边确保所需韧性，一边提高焊接金属的强度。因此，相对于涂药焊条总质量，W含量为2.5质量％以下，优选为2.3质量％以下，更优选为2.1质量％以下。
还有，从药皮添加W时，能够由Fe－W等方式进行添加。
＜[W]+[Co]：2.8质量％以上＞
如上述，W是具有提高焊接金属强度这一效果的元素，但也是促进δ铁素体生成而使焊接金属的韧性降低的元素。另一方面，因为Co具有抑制δ铁素体生成的效果，所以，即使为了提高焊接金属的强度而使W含量增加时，通过调整Co的含量，也能够防止焊接金属的韧性的降低。
设相对于涂药焊条总质量的W含量为[W]，Co的含量为[Co]时，如果W和Co的各含量调整至上述范围，并且[W]+[Co](W含量和Co含量的合计)为2.8质量％以上，则既能够确保韧性，又能够得到高温强度优异的焊接金属。
还有，[W]+[Co]优选为3.0质量％以上，更优选为3.6质量％以上，特别优选为高于4.2质量％。
＜N：0.01质量％以上且0.03质量％以下＞
N与Nb同样，是形成MX型碳氮化物，具有改善焊接金属的蠕变断裂特性这一效果的元素。
N含量低于0.01质量％时，不能充分取得上述效果。因此，相对于涂药焊条总质量，N含量为0.01质量％以上，优选为0.012质量％以上。
另一方面，若N含量高于0.03质量％，则招致焊接金属的强度的过大上升，使韧性劣化。因此，相对于涂药焊条总质量，N含量为0.03质量％以下，优选为0.028质量％以下。
还有，从药皮添加N时，能够在其他金属原料中使之含有而进行添加。
＜P：0.05质量％以下(含0质量％)＞
P是提高热裂纹的元素，在焊接金属形成过程的这种凝固温度范围及其正下方的温度下，P含量为0.05质量％以下时，能够抑制热裂纹。因此，相对于涂药焊条总质量，P含量优选为0.05质量％以下，更优选为0.01质量％以下，特别优选为0.008质量％以下。
＜S：0.008质量％以下(含0质量％)＞
S是提高热裂纹敏感性的元素，S含量在0.008质量％以下时，能够抑制焊接金属的热裂纹。因此，相对于涂药焊条总质量，S含量优选为0.008质量％以下，更优选为0.006质量％以下。
＜Cu：0.10质量％以下(含0质量％)＞
Cu是奥氏体生成元素，具有抑制对韧性造成不利影响的δ铁素体生成的效果。
若Cu含量在0.10质量％以下，则焊接金属的耐裂纹性提高，并且蠕变强度提高。因此，相对于涂药焊条总质量，Cu含量优选为0.10质量％以下，更优选为0.05质量％以下，特别优选为0.03质量％以下。
还有，Cu含量优选为0.001质量％以上，更优选为0.005质量％以上。
＜Ti：0.5质量％以下(含0质量％)＞
Ti是形成MX型碳氮化物，有助于焊接金属的蠕变断裂特性改善的元素。
Ti含量在0.5质量％以下时，可抑制焊接金属的强度变得过大，韧性提高。因此，相对于涂药焊条总质量，Ti含量优选为0.5质量％以下，更优选为0.1质量％以下，特别优选为0.08质量％以下。
还有，Ti含量优选为0.001质量％以上，更优选为0.005质量％以上。
＜Al：0.10质量％以下(含0质量％)＞
Al是作为脱氧剂起作用的元素。
Al含量在0.10质量％以下时，可抑制粗大的氧化物的生成，焊接金属的韧性提高。因此，相对于涂药焊条总质量，Al含量优选为0.10质量％以下，更优选为0.05质量％以下，特别优选为0.04质量％以下。
还有，Al含量优选为0.001质量％以上，更优选为0.01质量％以上。
＜余量＞
本实施方式的涂药焊条，除了上述元素以外，还含有Fe和造渣剂。造渣剂以形成熔渣为主要目的，此外还包括兼顾作为电弧稳定剂和加气剂的目的。作为造渣剂，可列举CaCO3、CaF2、BaCO3、BaF2、SiO2、K2O、Al2O3、CaSO4等。
造渣剂以涂药焊条总质量计，优选为15质量％以上，更优选为20质量％以上。造渣剂以涂药焊条总质量计，优选为35质量％以下，更优选为30质量％以下。
本实施方式的涂药焊条，使Fe含量，在涂药焊条总质量中为50质量％以上，优选为55质量％以上，更优选为60质量％以上。Fe含量在涂药焊条总质量中为80质量％以下，优选为75质量％以下，更优选为70质量％以下。
另外，作为不可避免的杂质，可列举Zr、Li、Sn、Sb和As等。还有，除了上述说明的成分以外，也可以在不脱离本发明效果的范围内含有他成分。
在本实施方式的涂药焊条中，C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、V、Co、B、Nb、W、N、Fe和造渣剂的合计，在涂药焊条总质量中，优选为90质量％以上，更优选为93质量％以上，进一步优选为96质量％以上，特别优选为98质量％以上。
接下来，对于焊芯和包覆率进行说明。
〔焊芯〕
本实施方式的焊芯没有特别限定，例如能够使用直径为2.6mm～6.0mm的，特别适合使用直径为4.0mm的。
〔包覆率〕
在本实施方式中，药皮对焊芯外周的包覆率没有特别限定，但从确保药皮的强度等观点出发，例如优选为20％以上，更优选为25％以上，特别优选为30％以上。另外，从电弧稳定性等观点出发，例如优选为45％以下，更优选为40％以下，特别优选为36％以下。
〔涂药焊条的制造方法〕
作为上述涂药焊条的制造方法，没有特别限定。例如，将药皮原料与水玻璃一起混匀，将其涂布在焊芯外周，进行干燥和烧成，由此能够制造本实施方式的涂药焊条。
实施例
以下，列举发明例和比较例对于本发明更详细地说明，但本发明不受其限定。
[涂药焊条的制造]
准备直径为5.0mm、4.0mm的两种焊芯，在各焊芯的外周以34％的包覆率涂布药皮，使之干燥，由此制作具有下述表1所示成分组成(余量为Fe、造渣剂和不可避免的杂质等)和焊芯直径的涂药焊条。还有，表1所示的各化学成分的含量，作为涂药焊条总质量中的含量而以质量％表示。
[表1]
Figure BDA0003275531100000111
[焊接]
接着，使用上述涂药焊条，对于软钢的钢板实施3层预堆边焊。这时，衬垫材部分为2层预堆边焊。其后，以规定的条件进行制造焊接，以740～780℃的温度实施焊接后热处理(PWHT：Post Weld Heat Treatment)。焊芯的直径分别为5.0mm、4.0mm时的母材、焊接条件和PWHT条件，显示在下述表2中。
[表2]
表2
Figure BDA0003275531100000121
[评价]
接下来，对于下述表3所示的温度和时间下的PWHT后的焊接金属，进行以下各种试验，评价焊接金属的高温强度和韧性，再评价耐裂纹性。各种试验的评价结果一并显示在下述表3中。
＜高温强度＞
对于PWHT后的焊接金属，依据JIS Z3111实施650℃下的高温抗拉试验，计算0.2％屈服强度。还有，得到的值在220MPa以上的为合格。
＜韧性＞
对于PWHT后的焊接金属，依据JIS Z2242，以20℃实施摆锤冲击试验，据此测量吸收功vE(J)，评价韧性。还有，由测量得到的吸收功为15J以上的焊接金属，评价为韧性良好。
＜耐裂纹性＞
对于PWHT后的焊接金属，目视观察焊道表面有无裂纹，据此评价耐裂纹性。还有，无裂纹的为合格。
[表3]
表3
Figure BDA0003275531100000131
如上述表1和表3所示，发明例A～G，因为涂药焊条中的全部化学成分的含量在本发明的范围内，所以使用这些涂药焊条进行焊接的结果是，既能够确保所需韧性，又能够得到高温强度和耐裂纹性优异的焊接金属。
另一方面，比较例H其涂药焊条中的Si和V的含量低于本发明范围的下限，并且Ni含量高于本发明范围的上限。
另外，比较例I其涂药焊条中的Cr含量低于本发明范围的下限，并且Ni含量高于本发明范围的上限。
此外，比较例J其涂药焊条中的B含量低于本发明范围的下限。
因此，比较例H～J，其高温强度均低。
如以上详述，根据本发明，能够提供一种高Cr铁素体系耐热钢用涂药焊条，其既能够在焊接部确保所需韧性，又能够得到高温强度优异的焊接金属。
以上，一边参照附图，一边对于各种实施方式进行了说明，但本发明当然不受这样的示例限定。如果是本领域技术人员，则显然能够在专利要求的范围所述的范畴内，想到各种变更例或修改例，关于这些当然理解为属于本发明的技术范围。另外，在不脱离发明宗旨的范围，也可以任意组合上述实施方式中的各构成要素。
还有，本申请基于2019年3月26日申请的日本专利申请(特愿2019－058117)，其内容在本申请之中作为参照援引。

Claims (5)

1.一种涂药焊条，其特征在于，是具有钢制焊芯、和包覆该焊芯的药皮的涂药焊条，其中，以涂药焊条总质量计，含有
C：0.04质量％以上且0.12质量％以下、
Si：0.8质量％以上且2.0质量％以下、
Mn：0.3质量％以上且1.0质量％以下、
Ni：0.01质量％以上且1.00质量％以下、
Cr：6.0质量％以上且7.6质量％以下、
Mo：0.02质量％以上且0.20质量％以下、
V：0.1质量％以上且0.3质量％以下、
Co：1.8质量％以上且4.0质量％以下、
B：0.04质量％以上且0.12质量％以下、
Nb：0.05质量％以上且0.35质量％以下、
W：1.0质量％以上且2.5质量％以下、
N：0.01质量％以上且0.03质量％以下、
Fe：50质量％以上80质量％以下、以及
造渣剂，
所述W的含量和所述Co的含量合计为2.8质量％以上。
2.根据权利要求1所述的涂药焊条，其特征在于，以涂药焊条总质量计，满足如下任意一个：
P：0.05质量％以下、
S：0.008质量％以下、
Cu：0.10质量％以下、
Ti：0.5质量％以下、
Al：0.10质量％以下。
3.根据权利要求1或2所述的涂药焊条，其特征在于，所述药皮的包覆率为20％以上且45％以下。
4.根据权利要求1或2所述的涂药焊条，其特征在于，以涂药焊条总质量计，所述造渣剂为15质量％以上且35质量％以下。
5.根据权利要求3所述的涂药焊条，其特征在于，以涂药焊条总质量计，所述造渣剂为15质量％以上且35质量％以下。
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