CN113894465B - 一种用于连铸足辊和零段辊的明弧自保护堆焊药芯焊丝 - Google Patents
一种用于连铸足辊和零段辊的明弧自保护堆焊药芯焊丝 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种连铸辊堆焊用新型沉淀强化型明弧自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于焊丝熔敷金属的成分为：C 0.02％～0.08％、Mn 0.5％～1.50％、Si 0.2％～0.8％、Cr 14.50％～16.50％，Ni 3.0％～5.5％、Mo 0.3％～0.8％、Cu 2.5％～5.0％、Nb 0.10％～0.50％、N 0.05％～0.12％、Fe余量。本发明的药芯焊丝采用钼、铌、铜复合沉淀强化技术，堆焊层具有良好的抗腐蚀和耐冷热疲劳性能、极好的抗服役软化能力，堆焊层的硬度在HRC38～42范围内，回火后硬度达到HRC46以上，可广泛用于连铸足辊和零段辊的明弧自保护堆焊复合制造或堆焊修复，显著提升连铸足辊和零段辊的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一连铸足辊和零段辊的高寿命新型明弧自保护堆焊药芯焊丝，属于材料加工的表面工程领域。
背景技术
连铸辊是冶金行业连铸设备中的主要消耗部件。连铸辊使用中要承受高温钢坯的静压力而引起的疲劳载荷，还要承受高温钢坯加热和喷淋水冷却的冷热疲劳，其主要破坏形式为磨损、腐蚀及疲劳裂纹。就连铸辊各段而言，足辊和零段辊的工况尤为恶劣，辊坯的温度超过1000℃，辊面温度达到650℃~900℃，要求辊体具有优良的抗腐蚀能力以及抗高温回火软化能力和耐冷热疲劳能力。以足辊为例，传统足辊的制造方式是在辊坯表面堆焊Cr13系马氏体不锈钢或Cr18系铁素体不锈钢材料，其过钢量仅为2~3万吨，后续发展了超低碳氮强化的0Cr13Ni4MoN马氏体不锈钢堆焊材料，其过钢量勉强可提高到10万吨左右。随着钢铁行业的不断发展，节能降耗的要求日益提高，进一步提高连铸足辊、零段辊的使用寿命已成为冶金行业的关注点。
另外，传统连铸辊复合制造采用埋弧堆焊的方法，仅可用于平焊位置，操作灵活性较差，且需要配用焊剂，增加了连铸辊堆焊复合制造成本。因此本发明围绕提高连铸足辊和零段辊的使用寿命，开发了一种新型明弧自保护堆焊药芯焊丝，不仅大幅度提高连铸足辊和零段辊的使用寿命，而且堆焊过程中不需要焊剂或焊接保护气体，适合各种焊接位置，焊接操作更加方便灵活。
发明内容
本发明提供一种高寿命新型明弧自保护堆焊药芯焊丝，其堆焊层具有极好的耐腐蚀性、抗服役软化能力和耐冷热疲劳性，特别适用于连铸足辊和零段辊的堆焊复合制造。采用本发明的堆焊材料制造足辊和零段辊，其过钢量分别可超过20万吨和60万吨，与使用超低碳氮强化马氏体不锈钢堆焊材料制作的足辊和零段辊相比，使用寿命较提高1倍以上。该焊丝也可用于扇形段或水平段连铸辊的堆焊复合制造。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种适用于连铸足辊和零段辊的高寿命新型明弧自保护堆焊药芯焊丝，该焊丝为自保护焊接药芯焊丝，焊接过程中药粉冶金反应产生的气体和熔渣保护焊接熔池，不需要额外使用焊剂或焊接气体保护，焊丝熔敷金属的成分为：C 0.02%~0.08%、Mn 0.5%~1.50%、Si 0.2%~0.8%、Cr14.50%~16.50%，Ni 3.0%~5.5%、Mo 0.3%~0.8%、Cu 2.5%~5.0%、Nb 0.10%~0.50%、V 0.0%~0.30%、N0.05%~0.12%、Fe余量。
如上所述的药芯焊丝，优选地，所述药芯焊丝熔敷金属中钼、铌、铜的含量在3.50%~5.50%范围内。
如上所述的药芯焊丝，优选地，所述药芯焊丝的直径为1.6~2.4mm。
本发明所述焊丝由药粉和超低碳钢带组成。外用钢带是规格为0.4mm×12mm和0.5mm×16mm的碳钢带。药粉占焊丝的总重量为33.0%~35.0%，药粉各组分占药粉的重量百分比为：金属铬粉：20.0~21.0%，微碳铬铁：38.0~40.0%，高氮铬铁1.5~3.5%，镍粉：9.0~15.0%，铜粉：9.5~13.5%，锰粉：3.0~6.0%，铌铁：0.5~2.0%，钼粉：1.0~2.0%，其余为铁粉和矿物质粉，其中铜粉、钼粉和铌铁的总含量为11.0~16.0%。
本发明优化了焊丝熔敷金属的合金体系，在传统0Cr13Ni4MoN超低碳氮强化合金体系的基础上，创新性采用钼、铌、铜复合沉淀强化，得到的熔覆金属为低碳马氏体基体上分布有弥散分布细粒状的复合金属间化合物强化相。金属间化合物具有良好的高温稳定性，使熔敷金属具有良好的抗服役软化能力；通过钼、铌、铜等合金元素的复合沉淀强化，得到的金属间化合物相的粒度更小，弥散强化效果更好，抗腐蚀能力和耐冷热疲劳性能更佳。当复合强化元素钼、铌、铜的加入量较低时，金属间化合物的析出量较少，强化效果并不明显，抗软化能力没有显著提升；当钼、铌、铜的加入量过高时，金属间化合物相的析出量过多，导致金属间化合物聚集，尺寸过大，反而降低耐冷热疲劳性能。在本发明的药芯焊丝中，其熔敷金属中钼、铌、铜的含量总和优选为3.50%~5.50%。
本发明的有益效果为：
本发明提供的是一种适用于连铸足辊和零段辊的高寿命新型明弧自保护堆焊药芯焊丝，采用钼、铌、铜复合沉淀强化技术，堆焊熔覆金属有极好的抗腐蚀以及抗服役软化能力和耐冷热疲劳性能，堆焊层的硬度在HRC38~HRC42范围内，回火后硬度达到HRC46以上，可广泛用于连铸足辊和零段辊的堆焊复合制造或堆焊修复，显著提升足辊和零段辊的使用寿命。
具体实施方式
一种适用于连铸足辊和零段辊的高寿命新型明弧自保护堆焊药芯焊丝，由超低碳碳钢钢带和其包裹的药粉组成，药粉占焊丝的总重量为33.0%~35.0%，其中：
外用钢带是规格为0.4mm×12mm和0.5mm×16mm的碳钢带。
药粉组成为：金属铬粉：20.0~21.0%，微碳铬铁：38.0~40.0%，高氮铬铁1.5~3.5%，镍粉：9.0~15.0%，铜粉：9.5~13.5%，锰粉：3.0~6.0%，铌铁：0.5~2.0%，钼粉：1.0~2.0%，其余为铁粉和矿物质粉。
金属铬粉：向堆焊熔敷金属提供铬元素和碳元素，其含量为20.0~21.0%。
微碳铬铁：向堆焊熔敷金属提供铬元素和碳元素，其含量为38.0~40.0%。
高氮铬铁：向堆焊熔敷金属提供铬元素和氮元素，其含量为1.5~3.5%。
镍粉：向堆焊熔敷金属提供镍元素，其含量为9.0~15.0%。
锰粉：向堆焊熔敷金属中过渡锰元素，其含量为3.0~6.0%。
铜粉：向堆焊熔敷金属过渡铜元素，其含量为9.5~13.5%。
铌铁：向堆焊熔敷金属中过渡铌元素，其含量为0.5~2.0%。
钼粉：向堆焊熔敷金属中过渡钼元素，其含量为1.0~2.0%。
铜粉、钼粉和铌铁的总含量为11.0~16.0%。
矿物质粉：主要为氟化物和碳酸盐等，其作用为改善电弧稳定性和提高熔敷金属的抗气孔能力。
实施例1：
将规格为0.4mm×12mm的碳钢带轧制成U形，并向其中添加药粉，药粉占焊丝的总重量为33.0%，药粉组成为：金属铬20.0%，微碳铬铁38.0%，高氮铬铁1.5%，镍粉：9.0%，铜粉：9.5%，锰粉：3.0%，铌铁：0.5%，钼粉：1.0%，其余为铁粉和矿物质粉，将钢带合缝后逐步减径轧制，最终得到成品规格为1.6mm的药芯焊丝。
实施例2：
将规格为0.5mm×16mm的碳钢带轧制成U形，并向其中添加药粉，药粉占焊丝的总重量为35.0%，药粉组成为：金属铬21.0%，微碳铬铁40.0%，高氮铬铁3.5%，镍粉15.0%，铜粉13.5%，锰粉6.0%，铌铁1.0%，钼粉1.2%，其余为铁粉和矿物质粉，将钢带合缝后逐步减径轧制，最终得到成品规格为2.4mm的药芯焊丝。
实施例3：
将规格为0.4mm×12mm的碳钢带轧制成U形，并向其中添加药粉，药粉占焊丝的总重量为34.0%，药粉组成为：金属铬20.0%，微碳铬铁39.0%，高氮铬铁3.0%，镍粉：12.0%，铜粉：11.0%，锰粉：5.0%，铌铁：1.5%，钼粉：1.2%，其余为铁粉和矿物质粉，将钢带合缝后逐步减径轧制，最终得到成品规格为2.0mm的药芯焊丝。
实施例4：
将规格为0.5mm×16mm的碳钢带轧制成U形，并向其中添加药粉，药粉占焊丝的总重量为34.0%，药粉组成为：金属铬20.5%，微碳铬铁38.5%，高氮铬铁3.5%，镍粉 13.0%，铜粉12.5%，锰粉4.0%，铌铁1.0%，钼粉1.5%，其余为铁粉和矿物质粉，将钢带合缝后逐步减径轧制，最终得到成品规格为2.0mm的药芯焊丝。
对比例1：
将规格为0.4mm×12mm的碳钢带轧制成U形，并向其中添加药粉，药粉占焊丝的总重量为33.0%，药粉组成为：金属铬20.0%，微碳铬铁38.0%，高氮铬铁1.5%，镍粉：9.0%，锰粉：3.0%，钼粉：1.0%，其余为铁粉和矿物质粉，将钢带合缝后逐步减径轧制，最终得到成品规格为1.6mm的药芯焊丝。
对比例2：
将规格为0.5mm×16mm的碳钢带轧制成U形，并向其中添加药粉，药粉占焊丝的总重量为35.0%，药粉组成为：金属铬21.0%，微碳铬铁40.0%，高氮铬铁3.5%，镍粉15.0%，铜粉15.0%，锰粉5.0%，铌铁2.0%，钼粉2.0%，其余为铁粉和矿物质粉，将钢带合缝后逐步减径轧制，最终得到成品规格为2.4mm的药芯焊丝。
对比例3：
将规格为0.4mm×12mm的碳钢带轧制成U形，并向其中添加药粉，药粉占焊丝的总重量为34.0%，药粉组成为：金属铬10.0%，微碳铬铁39.0%，高氮铬铁3.0%，镍粉：12.0%，铜粉：11.0%，锰粉：5.0%，铌铁：1.5%，钼粉：1.2%，其余为铁粉和矿物质粉，将钢带合缝后逐步减径轧制，最终得到成品规格为2.0mm的药芯焊丝。
对比例4：
将规格为0.5mm×16mm的碳钢带轧制成U形，并向其中添加药粉，药粉占焊丝的总重量为34.0%，药粉组成为：金属铬20.5%，微碳铬铁38.5%，高氮铬铁6.5%，镍粉 13.0%，铜粉12.5%，锰粉4.0%，铌铁1.0%，钼粉1.5%，其余为铁粉和矿物质粉，将钢带合缝后逐步减径轧制，最终得到成品规格为2.0mm的药芯焊丝。
实施例1~4和对比例1~4的熔敷金属化学成分和实施效果见表1和表2。对实施例和对比例所涉及药芯焊丝的工艺性能、堆焊层焊态硬度和回火态硬度及用做足辊、零段辊的过钢量进行评价。对比例1由于未采用钼、铌、铜复合沉淀强化技术，熔敷金属中不能充分析出细粒状的复合金属间化合物强化相，尽管堆焊层焊态硬度可以达到HRC40以上，但回火后堆焊层的硬度无显著增加，耐磨性偏低，用做足辊的过钢量勉强达到10万吨。对于熔敷金属中钼、铌、铜的含量总和超过5.50%的对比例2，堆焊层焊态硬度和回火态硬度都高于实施例，但由于堆焊层中金属间化合物相的析出量过多，导致金属间化合物尺寸过大，反而降低了堆焊层的耐冷热疲劳性能，用做足辊的过钢量未超过20万吨。对于熔敷金属中铬含量低于13.50%的对比例3，焊态硬度超过HRC42，回火后堆焊层的硬度略有升高，但由于堆焊层的含铬量过低，导致堆焊层的耐腐蚀性能下降，用做足辊的过钢量不足10万吨。对于药粉中高氮铬铁加入量超过3.5%的对比例4，由于引入了过多的氮元素，氮元素不能全部溶解于堆焊熔敷金属中，过多的氮元素形成了氮气孔，导致堆焊层的中产生较多气孔，无法应用于连铸足辊的堆焊修复或复合制造。
表1 各实施例及对比例的熔敷金属成分（wt.%）
表2 各实施例及对比例的实施效果
注①：此处焊接工艺差是指因焊丝焊接过程中堆焊层中产生较多气孔。
Claims (2)
1.一种连铸足辊和零段辊堆焊用高寿命明弧自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝由超低碳碳钢钢带和其包裹的药粉组成，药粉占焊丝的总重量为33.0%~35.0%，药粉各组分占药粉的重量百分比为：金属铬粉：20.0~21.0%，微碳铬铁：38.0~40.0%，高氮铬铁1.5~3.5%，镍粉：9.0~15.0%，铜粉：12.5~13.5%，锰粉：3.0~6.0%，铌铁：1.0~2.0%，钼粉：1.2~2.0%，其余为铁粉和矿物质粉，该矿物质粉的作用为改善电弧稳定性和提高熔敷金属的抗气孔能力；其中，铜粉、钼粉和铌铁的总含量为14.7~16.0%；
焊丝熔敷金属的成分为：C 0.05%~0.08%、Mn 0.5%~1.50%、Si 0.2%~0.8%、Cr 14.50%~16.50%，Ni 3.0%~5.5%、Mo 0.42%~0.8%、Cu 4.25%~5.0%、Nb 0.26%~0.50%、N 0.05%~0.12%、Fe余量；
所述药芯焊丝熔敷金属中钼、铌、铜的含量在4.93%~5.50%范围内。
2.根据权利要求1所述的连铸足辊和零段辊堆焊用高寿命明弧自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝的直径为1.6~2.4mm。
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