CN113913647A - 一种低碳镍铬钼铌合金材料、焊条及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及不锈钢技术领域，具体公开了一种低碳镍铬钼铌合金材料、焊条及其制备方法。所述合金材料由包含以下重量百分比的组分：C≤0.15%，Cr≤10‑25%，Si≤0.5%，Mn≤0.5%，P≤0.015%，S≤0.015%，Mo 8‑10%，Nb 3‑4%，Ta≤0.1%，Co≤1%，Al≤0.4%，Ti≤0.4%，Fe≤5%，Ni余量补至100%。焊条包括金属焊芯、包覆在金属焊芯外表面的隔层和药皮，其所述金属焊芯采用低碳镍铬钼铌合金材料制备而成。本申请具有良好的持久性、抗腐蚀性能、抗拉伸强度和韧性。

Description

一种低碳镍铬钼铌合金材料、焊条及其制备方法

技术领域

本发明涉及不锈钢技术领域，尤其是涉及一种低碳镍铬钼铌合金材料、焊条及其制备方法。

背景技术

焊条是在金属焊芯外将涂料(药皮)均匀、向心地压涂在焊芯上。焊条是涂有药皮的供焊条电弧焊使用的熔化电极，它是由药皮和金属焊芯两部分组成的。根据国家标准“焊接用钢丝”（GB 1300-77)的规定分类的，用于焊接的专用钢丝可分为碳素结构钢、合金结构钢、不锈钢三类。

目前相关技术的焊条的金属焊芯为了降级焊接的飞溅或气孔，将金属焊芯内的含碳量降至很低，甚至含碳量达到重量百分比为0.02%以下。但是过低的含碳量会影响整体的抗拉伸强度和韧性，因此本申请还存在改进的空间。

发明内容

为了提高合金材料的抗拉伸强度和韧性，本申请提供一种低碳镍铬钼铌合金材料、焊条及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种低碳镍铬钼铌合金材料，采用如下的技术方案：

一种低碳镍铬钼铌合金材料，所述合金材料由包含以下重量百分比的组分：C ≤0.15%，Cr ≤10-25%，Si ≤0.5%，Mn ≤0.5%，P ≤0.015%，S ≤0.015%，Mo 8-10%，Nb 3-4%，Ta ≤0.1%，Co ≤1%，Al ≤0.4%，Ti ≤0.4%，Fe ≤5%，Ni余量补至100%。

通过采用上述技术方案，通过控制碳含量，将合金材料的含碳量提升至0.02-0.15%，同时以Mo、Nb为主要强化元素制成的固溶强化镍基变形合金，可以有效提升合金材料的良好的抗拉伸强度和韧性。

优选的，所述合金材料由包含以下重量百分比的组分：C ≤0.05%，Cr ≤10-18%，Si ≤0.5%，Mn ≤0.5%，P ≤0.015%，S ≤0.015%，Mo 8-8.5%，Nb 3-3.5%，Ta ≤0.1%，Co ≤1%，Al ≤0.4%，Ti ≤0.4%，Fe ≤3%，Ni余量补至100%。

优选的，1095℃以下温度范围内，所述合金材料的拉伸强度为856-980 MPa，屈服强度为540-580 MPa，延伸率为40-50%。

通过采用上述技术方案，进一步优化合金材料中各元素之间的比例，可以有效提升合金材料良好的抗拉伸强度和韧性。使其在650℃以下有良好的抗氧化和耐腐蚀性能，且在1095℃以下温度范围内具有良好的强度和韧性。

优选的，所述合金材料中还掺杂有重量百分比小于等于5%的Li₂O。

通过采用上述技术方案，在上述合金材料内掺杂Li₂O后，由于Li₂O是一种反萤石型结构，Li⁺为四面体配位，O²⁻为立方体配位，每个晶胞含有四个Li₂O。上述结构会在形成“空穴”，上述“空穴”结构可以提高焊接时生成的氧化镍膜层存在的稳定性，从而使得氧化镍膜层在成膜后是稳定的正四方体晶体结构。

第二方面，本申请提供一种焊条，采用如下的技术方案：

一种焊条，包括金属焊芯、包覆在金属焊芯外表面的药皮，其所述金属焊芯采用上述低碳镍铬钼铌合金材料制备而成。

通过采用上述技术方案，采用合金材料作为金属焊芯可以提高焊接后结构的稳定性、抗腐蚀性能、抗拉伸强度和韧性。

优选的，所述金属焊芯与药皮之间还设有隔层，所述隔层采用氧化钨薄膜。

优选的，所述隔层的制备方法，包括将纯钨金属片采用直流反应磁控溅射的方法，在溅射过程中通入1:1的氩气和氧气，使钨金属离子在溅射过程中充分和氧气接触而成为氧化钨分子沉积在金属焊芯上形成氧化钨薄膜。

通过采用上述技术方案，经过直流反应磁控溅射的方法，可以在金属焊芯上形成氧化钨薄膜，上述氧化钨薄膜具有一定的光致变色性能。当采用上述焊条进行焊接时，在焊条表面的药皮辅助焊接作用下，使得金属焊芯及沉积在金属焊芯上的氧化钨薄膜经焊接操作转移到待焊接的两件物体之间，并形成焊接缝。此时氧化钨薄膜良好的附着能力，可以提高焊接缝的抗氧化和耐腐蚀性能，其次，氧化钨薄膜部分或全部转移并附着在被焊接的物体上，在紫外线的作用下（即白天，此时在强光下，紫外线浓度含量较高），焊接缝处颜色部分变深，由此肉眼无法直接辨别焊接缝的位置，可以起到隐藏焊接点的效果，提高了焊接位点的美观度；同时当焊接位点无法被隐藏时，预示着焊接点部位被腐蚀或者外力破坏，此时需要再次进行维修或者加固操作，故此还可以起到预警的效果，十分的方便和有效。

优选的，所述药皮由包含以下重量百分比的组分：CaO：30-40％，CaF₂：20-30％，SiO₂：10-20％，TiO₂：5-15％，铁合金：10-15％，所述铁合金含Cr、Mn、Cu元素；将上述组分的材料粉末混合均匀加入钾钠混合水玻璃粘结剂制成焊条的药皮。

通过采用上述技术方案，上述药皮在焊接过程中分解熔化后形成气体和熔渣，可以起到机械保护、冶金处理和改善工艺性能的作用。

第三方面，本申请提供一种焊条的制备方法，采用如下的技术方案：

一种焊条的制备方法，包括以下步骤：

1）将原料铁放入转炉中加热熔化，待原料铁全部熔化后，调节熔池温度，使得熔池温度控制在1550-1600℃，节熔池温度,使熔池温度控制在1550-1600℃,然后向熔池中加入脱碳剂,脱硫剂,脱氧剂,对熔池里的铁水进行脱碳、脱硫、脱氧；

2）脱碳、脱硫、脱氧工序完成后,升温熔池温度,使之达到1600-1610℃左右,保持5-10min,然后向熔池中，连续加入铬铁，锰铁和镍粒，使熔池中的铬含量、锰含量、镍含量达到预定要求，调节温度，使温度控制在1600-1610℃，保持5-10min；

3）待2）完成后，加入脱氧剂进行二次脱氧，之后加入钼铁、铌铁、钴铁和钛铁，熔炼快结束时，加入稀土，使钢中的合金成分达到预定要求，然后微调钢液中的化学成分,准备浇注，浇铸方法为蜡模浇铸，浇铸完后,待钢锭成型完毕，取出钢锭，清理表面渣滓，去除冒口；

4）均匀化退火：浇铸完成后，在热处理炉中,将1）中得到的钢锭加热至1150-1200℃,升温速率为100-120℃/h，然后保温8-10h，再随炉冷却至室温；

5）待4）均匀化退火完成后,将钢锭置于热处理炉中,加热钢锭至900-920℃,保温3h，再随炉冷却至室温；

6）用机械打磨加工的方法除去钢锭表面的铸造缺陷和氧化皮,表面打磨光滑平整；

7）将机械加工完后的钢锭置于加热炉中,将钢锭加热至1000-1100℃,升温速率为100-110℃/h，一次锻压下，将钢锭锻造成所需规格的金属焊芯；

8）将金属焊芯采用直流反应磁控溅射，在溅射过程中通入1:1的氩气和氧气，使钨金属离子在溅射过程中充分和氧气接触而成为氧化钨分子沉积在所述7）得到的金属焊芯上形成隔层；

9）按配比将CaO 30-40％，CaF₂ 20-30％，SiO₂ 10-20％，TiO₂ 5-15％，铁合金 10-15％上述组分的材料粉末混合均匀加入钾钠混合水玻璃粘结剂作为药皮压涂在8）的外表面即可得到焊条。

通过采用上述技术方案，不仅工艺严谨，操作井然有序，而且还能有效提高焊条的抗腐蚀性能、抗拉伸强度和韧性。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请通过控制碳含量，将合金材料的含碳量提升到0.02-0.15%之间，同时以Mo、Nb为主要强化元素制成的固溶强化镍基变形合金，可以有效提升合金材料的良好的抗拉伸强度和韧性。

2、本申请经过直流反应磁控溅射的方法，可以在金属焊芯上形成氧化钨薄膜，在紫外线的作用下，焊接缝处颜色部分变深，可以起到隐藏焊接点的效果，提高了焊接位点的美观度。

3、本申请不仅工艺严谨，操作井然有序，而且还能有效提高焊条的抗腐蚀性能、抗拉伸强度和韧性。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请的各实施例中所用的原料，除特殊说明之外，其他均为市售产品。

脱碳剂采选自四川省斯诺德化工科技有限责任公司，品牌为斯诺德的深度脱碳剂（200kg/桶）。

脱硫剂采选自廊坊嘉能化工材料有限公司的高效脱硫剂（有效物质含量99.9%，产品因为名称为JN-0508）。

脱氧剂采选自郑州明迈特实业有限公司的复合脱氧剂（别名：碳化硅微粉）。

制备例

制备例1

一种药皮，由包含以下重量百分比的组分：CaO：30％，CaF₂：20％，SiO₂：20％，TiO₂：15％，铁合金：15％，其中铁合金含7％的Cr元素、5%的Mn元素和3％的Cu元素；将上述组分的材料粉末混合均匀加入钾钠混合水玻璃粘结剂制成焊条的药皮。

制备例2

一种药皮，由包含以下重量百分比的组分：CaO：40％，CaF₂： 30％，SiO₂：15％，TiO₂：5％，铁合金：10％，其中铁合金含3％的Cr元素、5％的Mn元素和2％的Cu元素；将上述组分的材料粉末混合均匀加入钾钠混合水玻璃粘结剂制成焊条的药皮。

实施例

实施例a

一种低碳镍铬钼铌合金材料，其组分和用量参见表1。

实施例b

一种低碳镍铬钼铌合金材料，与实施例a的不同之处在于：其组分和用量不同，具体参见表1。

实施例c

一种低碳镍铬钼铌合金材料，与实施例a的不同之处在于：其组分和用量不同，还包含有Li₂O，具体参见表1。

表1 一种低碳镍铬钼铌合金材料中实施例a-b的组分和用量（kg）

实施例1

一种焊条，包括金属焊芯、包覆在金属焊芯外表面的制备例1的药皮，其上述金属焊芯采用实施例a的低碳镍铬钼铌合金材料制备而成。

其制备方法，包括如下步骤：

1）将原料铁放入转炉中加热熔化，待原料铁全部熔化后，调节熔池温度，使得熔池温度控制在1550℃，节熔池温度,使熔池温度控制在1550℃,然后向熔池中加入脱碳剂,脱硫剂,脱氧剂,对熔池里的铁水进行脱碳、脱硫、脱氧；

2）脱碳、脱硫、脱氧工序完成后,升温熔池温度,使之达到1600℃左右,保持 5min,然后向熔池中，连续加入铬铁，锰铁和镍粒，使熔池中的铬含量、锰含量、镍含量达到预定要求，调节温度，使温度控制在16000℃，保持5min；

3）待2）完成后，加入脱氧剂进行二次脱氧，之后加入钼铁、铌铁、钴铁和钛铁，熔炼快结束时，加入稀土，使钢中的合金成分达到预定要求，然后微调钢液中的化学成分,准备浇注，浇铸方法为蜡模浇铸，浇铸完后,待钢锭成型完毕，取出钢锭，清理表面渣滓，去除冒口；

4）均匀化退火：浇铸完成后，在热处理炉中,将1）中得到的钢锭加热至1150℃,升温速率为100℃/h，然后保温8h，再随炉冷却至室温；

5）待4）均匀化退火完成后,将钢锭置于热处理炉中,加热钢锭至900℃,保温3h，再随炉冷却至室温；

6）用机械打磨加工的方法除去钢锭表面的铸造缺陷和氧化皮,表面打磨光滑平整；

7）将机械加工完后的钢锭置于加热炉中,将钢锭加热至1000℃,升温速率为100℃/h，一次锻压下，将钢锭锻造成所需规格的金属焊芯；

8）按配比将CaO，CaF₂，SiO₂，TiO₂以及铁合金粉末混合均匀加入钾钠混合水玻璃粘结剂作为药皮压涂在7）的外表面即可得到焊条。

实施例2

一种焊条，与实施例1的不同之处在于：焊条包括金属焊芯、包覆在金属焊芯外表面的制备例1的药皮，其上述金属焊芯采用实施例b的低碳镍铬钼铌合金材料制备而成。

实施例3

一种焊条，与实施例1的不同之处在于：焊条包括金属焊芯、包覆在金属焊芯外表面的制备例1的药皮，其上述金属焊芯采用实施例c的低碳镍铬钼铌合金材料制备而成。

实施例4

一种焊条，与实施例1的不同之处在于：焊条包括金属焊芯、依次包覆在金属焊芯外表面的隔层和制备例1的药皮，其上述金属焊芯采用实施例a的低碳镍铬钼铌合金材料制备而成；隔层采用三氧化钨薄膜。

其制备方法，包括以下步骤：

1）将原料铁放入转炉中加热熔化，待原料铁全部熔化后，调节熔池温度，使得熔池温度控制在1600℃，节熔池温度,使熔池温度控制在1600℃,然后向熔池中加入脱碳剂,脱硫剂,脱氧剂,对熔池里的铁水进行脱碳、脱硫、脱氧；

2）脱碳、脱硫、脱氧工序完成后,升温熔池温度,使之达到1610℃左右,保持10min,然后向熔池中，连续加入铬铁，锰铁和镍粒，使熔池中的铬含量、锰含量、镍含量达到预定要求，调节温度，使温度控制在1610℃，保持10min；

3）待2）完成后，加入脱氧剂进行二次脱氧，之后加入钼铁、铌铁、钴铁和钛铁，熔炼快结束时，加入稀土，使钢中的合金成分达到预定要求，然后微调钢液中的化学成分,准备浇注，浇铸方法为蜡模浇铸，浇铸完后,待钢锭成型完毕，取出钢锭，清理表面渣滓，去除冒口；

4）均匀化退火：浇铸完成后，在热处理炉中,将1）中得到的钢锭加热至1200℃,升温速率为120℃/h，然后保温10h，再随炉冷却至室温；

5）待4）均匀化退火完成后,将钢锭置于热处理炉中,加热钢锭至920℃,保温3h，再随炉冷却至室温；

6）用机械打磨加工的方法除去钢锭表面的铸造缺陷和氧化皮,表面打磨光滑平整；

7）将机械加工完后的钢锭置于加热炉中,将钢锭加热至1100℃,升温速率为110℃/h，一次锻压下，将钢锭锻造成所需规格的金属焊芯；

8）将金属焊芯采用直流反应磁控溅射，在溅射过程中通入1:1的氩气和氧气，使钨金属离子在溅射过程中充分和氧气接触而成为氧化钨分子沉积在上述7）得到的金属焊芯上形成隔层；

9）按配比将CaO，CaF₂，SiO₂，TiO₂和铁合金粉末混合均匀加入钾钠混合水玻璃粘结剂作为药皮压涂在8）的外表面即可得到焊条。

对比例

对比例1：一种焊条，与实施例1的不同之处在于：金属焊芯的材料是304不锈钢，包覆在金属焊芯外表面的是制备例1的药皮。

对比例2：一种焊条，与实施例1的不同之处在于：金属焊芯的材料是316不锈钢，包覆在金属焊芯外表面的是制备例1的药皮。

性能检测分析

试验一：力学性能测试

试验对象：将实施例1-4的焊条作为试验样品1-4，对比例1-2的焊条作为对照样品1-2。

试验方法：将实施例1-4和对比例1-2的焊条经材料依次进行力学性能测试。

1）经拉伸试验机，根据拉伸测试依据标准:金属:GB/T 228-02，ASTM E 8M-08，ISO6892-2009，JIS Z.2241-98进行拉伸强度性能测试。

2）根据标准GB/T228.1-2010金属材料进行屈服力学性能测试。

3）根据标准GB/T228.1-2010金属材料进行延伸率性能测试。

4）根据GB/T50082-2009(以下简称50082标准)中钢筋锈蚀试验对钢筋的锈蚀失重率进行检测。

表2

	拉伸强度/Mpa	屈服强度/Mpa	延伸率/%	一年后钢筋锈蚀失重率/%
					实施例1	856	541	40	0.3
实施例2	864	544	43.5	0.3
					实施例3	950	573	49	0.2
实施例4	980	581	51	0.1
					对比例1	827	413	30	0.7
对比例2	580	340	42.5	0.6

结合实施例1-4、对比例1-2并结合表2可以看出，实施例1-4的拉伸强度、屈服强度和一年后钢筋锈蚀失重率均优于对比例1-2，其中实施例3-4的延伸率数值均大于对比例1-2，由此可知，实施例1-4在保持良好的延伸率的基础上，可以有效提升低碳镍铬钼铌合金材料的拉伸强度、延伸率、屈服强度和抗腐蚀性能。

具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种低碳镍铬钼铌合金材料，其特征在于，所述合金材料由包含以下重量百分比的组分：C ≤0.15%，Cr ≤10-25%，Si ≤0.5%，Mn ≤0.5%，P ≤0.015%，S ≤0.015%，Mo 8-10%，Nb 3-4%，Ta ≤0.1%，Co ≤1%，Al ≤0.4%，Ti ≤0.4%，Fe ≤5%，Ni余量补至100%。

2.根据权利要求1所述的一种低碳镍铬钼铌合金材料，其特征在于，所述合金材料由包含以下重量百分比的组分：C ≤0.05%，Cr ≤10-18%，Si ≤0.5%，Mn ≤0.5%，P ≤0.015%，S≤0.015%，Mo 8-8.5%，Nb 3-3.5%，Ta ≤0.1%，Co ≤1%，Al ≤0.4%，Ti ≤0.4%，Fe ≤3%，Ni余量补至100%。

3.根据权利要求2所述的一种低碳镍铬钼铌合金材料，其特征在于，在1095℃以下温度范围内，所述合金材料的拉伸强度为856-980 MPa，屈服强度为540-580 MPa，延伸率为40-50%。

4.根据权利要求1所述的一种低碳镍铬钼铌合金材料，其特征在于，所述合金材料中还掺杂有重量百分比小于等于5%的Li₂O。

5.一种焊条，包括金属焊芯、包覆在金属焊芯外表面的药皮，其特征在于，所述金属焊芯采用权利要求1-4中任一所述的一种低碳镍铬钼铌合金材料制备而成。

6.根据权利要求5所述的一种焊条，其特征在于，所述金属焊芯与药皮之间还设有隔层，所述隔层采用氧化钨薄膜。

7.根据权利要求6所述的一种焊条，其特征在于，所述隔层的制备方法，包括将纯钨金属片采用直流反应磁控溅射的方法，在溅射过程中通入1:1的氩气和氧气，使钨金属离子在溅射过程中充分和氧气接触而成为氧化钨分子沉积在金属焊芯上形成氧化钨薄膜。

8.根据权利要求7所述的一种焊条，其特征在于，所述药皮由包含以下重量百分比的组分：CaO：30-40％，CaF₂：20-30％，SiO₂：10-20％，TiO₂：5-15％，铁合金：10-15％，所述铁合金含Cr元素、Mn元素和Cu元素；将上述组分的材料粉末混合均匀加入钾钠混合水玻璃粘结剂制成焊条的药皮。

9.权利要求5所述的一种焊条的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将原料铁放入转炉中加热熔化，待原料铁全部熔化后，调节熔池温度，使得熔池温度控制在1550-1600℃，节熔池温度,使熔池温度控制在1550-1600℃,然后向熔池中加入脱碳剂,脱硫剂,脱氧剂,对熔池里的铁水进行脱碳、脱硫、脱氧；

2）脱碳、脱硫、脱氧工序完成后,升温熔池温度,使之达到1600-1610℃左右,保持 5-10min,然后向熔池中，连续加入铬铁，锰铁和镍粒，使熔池中的铬含量、锰含量、镍含量达到预定要求，调节温度，使温度控制在1600-1610℃，保持5-10min；

3）待2）完成后，加入脱氧剂进行二次脱氧，之后加入钼铁、铌铁、钴铁和钛铁，熔炼快结束时，加入稀土，使钢中的合金成分达到预定要求，然后微调钢液中的化学成分,准备浇注，浇铸方法为蜡模浇铸，浇铸完后,待钢锭成型完毕，取出钢锭，清理表面渣滓，去除冒口；

4）均匀化退火：浇铸完成后，在热处理炉中,将1）中得到的钢锭加热至1150-1200℃,升温速率为100-120℃/h，然后保温8-10h，再随炉冷却至室温；

5）待4）均匀化退火完成后,将钢锭置于热处理炉中,加热钢锭至900-920℃,保温3h，再随炉冷却至室温；

6）用机械打磨加工的方法除去钢锭表面的铸造缺陷和氧化皮,表面打磨光滑平整；

7）将机械加工完后的钢锭置于加热炉中,将钢锭加热至1000-1100℃,升温速率为100-110℃/h，一次锻压下，将钢锭锻造成所需规格的金属焊芯；

8）将金属焊芯采用直流反应磁控溅射，在溅射过程中通入1:1的氩气和氧气，使钨金属离子在溅射过程中充分和氧气接触而成为氧化钨分子沉积在所述7）得到的金属焊芯上形成隔层；

9）按配比将CaO 30-40％，CaF₂ 20-30％，SiO₂ 10-20％，TiO₂ 5-15％，铁合金 10-15％上述组分的材料粉末混合均匀加入钾钠混合水玻璃粘结剂作为药皮压涂在8）的外表面即可得到焊条。