CN115781104A - 一种核级不锈钢焊条及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核级不锈钢焊条及其制备方法和应用,属于焊接材料制备技术领域。本发明提供的焊条的熔敷金属化学成分按重量百分比表示:C≤0.03%,Si≤0.50%,Mn≤2.00%,P≤0.015%,S≤0.010%,Cr 18.00%~21.00%,Ni 9.00%~11.00%,Mo≤0.50%,Cu≤0.05%,Co≤0.05%,余量为Fe。本发明提供核级不锈钢焊条适用于多种应用状态,经400℃×24h热处理后,室温断后伸长率≥40%,350℃断后伸长率≥30%;经1050℃×2h热处理后,室温断后伸长率≥40%,350℃断后伸长率≥35%。
Description
技术领域
本发明涉及一种核级不锈钢焊条及其制备方法和应用,属于焊接材料制备技术领域。
背景技术
随着核电项目的迅猛发展,核级不锈钢焊接材料的需求量也在飞速增长,不同核电项目的应用状态也不尽相同,涉及到焊态、尺稳态、固溶态等多个应用状态,不同应用状态也具有各自的性能要求,核电项目建立具有时间紧,任务重的特点,且其对于技术指标要求也不断提高,制造厂家为了优化资源配置,避免焊接材料的浪费,往往会将多个应用状态的技术指标进行合并,大大增大了焊接材料的研制难度。
某核电项目既要求不锈钢焊接材料熔敷金属尺寸稳定化状态350℃高温断后伸长率≥30%,又要保证固溶态350℃高温抗拉强度≥360MPa,现有核级不锈钢焊条熔敷金属尺寸稳定化状态350℃高温断后伸长率水平为25%左右,远远低于要求值,迄今为止未见相关报道,技术难度极大。
综上所述,针对现有核电项目的迅猛发展的需要,研制一种适用于多种应用状态的核级不锈钢焊条,解决现用焊条不能满足多种应用状态的技术难题。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述技术问题,提供一种核级不锈钢焊条及其制备方法和应用。
本发明的技术方案:
一种核级不锈钢焊条,该焊条包括药皮和焊芯,药皮按重量比由以下材料组成:大理石30%~40%,萤石15%~25%,冰晶石10%~20%,金红石5%~10%,45#硅铁0.5%~1%,电解锰1%~3%,金属铬粉1%~5%,镍粉1%~5%,钛粉0%~4%,氟化稀土1%~3%,纯碱0.5%~1%,余量为还原铁粉。
进一步限定,药皮按重量比由以下材料组成:大理石36%,萤石20%,冰晶石16%,金红石10%,45#硅铁1%,电解锰2%,金属铬粉3%,镍粉1%,钛粉3%,氟化稀土2%,纯碱1%,余量为还原铁粉。
更进一步限定,氟化稀土化学成分按重量百分比表示:REO≥83%,CeO2/REO≥45%,F≥26%,H2O≤0.5%。
进一步限定,焊芯的化学成分按重量百分比表示:C≤0.02%,Si≤0.20%,Mn0.50%~2.00%,P≤0.015%,S≤0.005%,Cr 19.00%~21.00%,Ni 9.00%~11.00%,Mo≤0.10%,Cu≤0.05%,Co≤0.05%,余量为Fe。
进一步限定,焊芯的化学成分按重量百分比表示:C 0.01%、Si 0.15%、Mn1.78%、S0.004%、P 0.010%、Cr 19.95%、Ni 10.11%,Mo 0.05;Cu 0.01%,Co 0.01%,余量的Fe。
进一步限定,该焊条为CaO-CaF2-SiO2型的低氢碱性渣系。
进一步限定,该焊条的熔敷金属化学成分按重量百分比表示:C≤0.03%,Si≤0.50%,Mn≤2.00%,P≤0.015%,S≤0.010%,Cr 18.00%~21.00%,Ni 9.00%~11.00%,Mo≤0.50%,Cu≤0.05%,Co≤0.05%,余量为Fe。
本发明的目的之二是提供一种上述核级不锈钢焊条的制备方法,该制备方法包括以下步骤:
步骤一、按药皮的成分配比称取大理石、萤石、金红石、45#硅铁、电解锰、金属铬粉、镍粉、钛粉、氟化稀土和纯碱,并混合均匀;
步骤二、将药皮与纯钠水玻璃混合均匀,得到包覆混合物,然后通过压涂机将包覆混合物包覆于焊芯上,再依次经过低温烘焙和高温烘焙,得到控脱氧剂提高断后伸长率的核级不锈钢焊条。
进一步限定,纯钠水玻璃与药皮按质量比为1:(3~7)。
进一步限定,纯钠水玻璃与药皮按质量比为1:5.5。
进一步限定,纯钠水玻璃模数为2.5~2.8。
进一步限定,低温烘焙温度为120~150℃,时间为2~4h。
进一步限定,高温烘焙温度为300~320℃,时间为3~5h。
本发明的目的之三是提供一种上述核级不锈钢焊条的应用方法,该方法的工艺参数为:焊接电流110~120A,电弧电压22~32V,焊接速度≥150mm/min,道间温度≤150℃。
本发明具有以下有益效果:
(1)本发明提供核级不锈钢焊条适用于多种应用状态,经400℃×24h热处理后,室温抗拉强度≥520MPa,室温断后伸长率≥40%,室温冲击KV2可以稳定大于100J,350℃抗拉强度≥360MPa,350℃断后伸长率≥30%。经1050℃×2h热处理后,室温抗拉强度≥520MPa,室温断后伸长率≥40%,室温冲击KV2可以稳定大于100J,350℃抗拉强度≥360MPa,350℃断后伸长率≥35%。此外,该核级不锈钢焊条具有优良的全位置焊接工艺性能。
(2)本发明在药皮中加入钛粉,一方面能够与硅铁和电解锰联合起到脱氧作用,另一方面,Ti元素能够起到固氮作用,Ti可以与O、N形成TiO、TiN质点。这些质点在晶内作为针状铁素体的形核基础,使焊缝获得细小、均匀的铁素体组织,可以提高熔敷金属的断后伸长率和室温冲击韧性。本焊条药皮中其余各组分的作用简述如下:
大理石:主要作用是造渣、造气,能够调节熔渣的熔点、粘度、增大熔渣表面张力和界面张力。添加36%的大理石,与萤石和金红石的组分组合,能够获得良好的全位置焊接工艺性能。
萤石:主要作用是造渣,适量萤石可以降低液态金属的表面张力、提高其流动性,使得焊缝成型美观,降低焊缝气孔敏感性,能够降低熔敷金属的扩散氢含量。添加20%的萤石,与大理石和金红石的组分组合,能够获得良好的全位置焊接工艺性能。
金红石:主要作用是稳弧、造渣,调节熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性,改善焊缝成型,减少飞溅。添加10%的金红石,与萤石和大理石的组分组合,能够获得良好的全位置焊接工艺性能。
45#硅铁:主要作用是与电解锰和钛粉进行联合脱氧,同时向焊缝过渡必要的Si元素。添加1%的45#硅铁的联合脱氧效果最佳。
电解锰:主要作用是与硅铁和钛粉进行联合脱氧,同时向焊缝过渡必要的Mn元素。添加2%的电解锰的联合脱氧效果最佳。
金属铬粉:向焊缝过渡Cr元素起到合金剂的作用,可以改善焊缝金属的耐腐蚀性。添加3%的金属铬粉,控制Cr含量在标准范围内的上限附近,能够获得良好的耐腐蚀性。
镍粉:向焊缝过渡Ni元素起到合金剂的作用,可以改善焊缝金属的冲击韧性。添加1%的镍粉,控制Ni含量在标准范围内的中值附近。
氟化稀土:主要起到净化焊缝的作用,能显著提高熔敷金属的拉伸性能和冲击韧性。添加2%的氟化稀土能够最有效的减少焊缝中的氧化物,起到净化焊缝的作用,大大提高熔敷金属的断后伸长率。
纯碱:用于改善焊条压涂性能。添加1%的纯碱既能改善焊条的压涂性能又不会恶化焊条的全位置焊接工艺性。
(3)本发明提供核级不锈钢焊条采用的是掺杂氟化稀土CaO-CaF2-SiO2型的低氢碱性渣系,该渣系能够有效减少熔敷金属的非金属夹杂物,起到净化焊缝的作用,能显著提高熔敷金属的拉伸性能和冲击韧性。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器,未经特殊说明,均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器,本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1:
本实施例核级不锈钢焊条由焊芯和药皮组成,药皮按重量比由以下材料组成:大理石36%,萤石20%,冰晶石16%,金红石10%,45#硅铁1%,电解锰2%,金属铬粉3%,镍粉1%,钛粉3%,氟化稀土2%,纯碱1%,还原铁粉5%;药皮中氟化稀土的化学成分的质量分数为REO≥83%,CeO2/REO≥45%,F≥26%,H2O≤0.5%。焊芯的化学成分按重量百分比表示:C 0.01%、Si 0.15%、Mn 1.78%、S 0.004%、P 0.010%、Cr 19.95%、Ni 10.11%,Mo0.05;Cu 0.01%,Co 0.01%,余量的Fe。
制备上述的方法按以下步骤进行:
步骤一、按药皮的成分配比称取大理石、萤石、冰晶石、金红石、45#硅铁、电解锰、金属铬粉、镍粉、钛粉、氟化稀土、纯碱和还原铁粉,并混合均匀;
步骤二、将药皮与模数为2.7的纯钠水玻璃按质量比1:5.5混合均匀,得到包覆混合物,然后通过压涂机将包覆混合物包覆于焊芯上,再经过低温和高温烘焙,低温烘焙温度140℃,保温3h,高温烘焙温度320℃,保温4h,最后得到直径Φ3.2mm控脱氧剂提高断后伸长率的核级不锈钢焊条。
本实施例获得的核级不锈钢焊条的焊接工艺为:焊接电流110~120A,电弧电压22~32V,焊接速度≥150mm/min,道间温度≤150℃。
对比例1:
本对比例核级不锈钢焊条由焊芯和药皮组成,药皮按重量比由以下材料组成:大理石36%,萤石20%,冰晶石16%,金红石10%,45#硅铁1%,电解锰2%,金属铬粉3%,镍粉1%,氟化稀土2%,纯碱1%,还原铁粉8%;药皮中氟化稀土的化学成分的质量分数为REO≥83%,CeO2/REO≥45%,F≥26%,H2O≤0.5%。芯的化学成分按重量百分比表示:C:0.01%、Si:0.15%、Mn:1.78%、S:0.004%、P:0.010%、Cr:19.95%、Ni:10.11%,Mo:0.05;Cu:0.01%,Co:0.01%,余量的Fe。
本对比例制备上述的方法按以下步骤进行:
步骤一、按药皮的成分配比称取大理石、萤石、冰晶石、金红石、45#硅铁、电解锰、金属铬粉、镍粉、氟化稀土、纯碱和还原铁粉,并混合均匀;
步骤二、将药皮与模数为2.7的纯钠水玻璃按质量比1:5.5混合均匀,得到包覆混合物,然后通过压涂机将包覆混合物包覆于焊芯上,再经过低温和高温烘焙,低温烘焙温度140℃,保温3h,高温烘焙温度320℃,保温4h,最后得到直径Φ3.2mm控脱氧剂提高断后伸长率的核级不锈钢焊条。
本对比例获得的核级不锈钢焊条的焊接工艺为:焊接电流110~120A,电弧电压22~32V,焊接速度≥150mm/min,道间温度≤150℃。
效果例:
将上述实施例1和对比例1中的焊条采用如表1所示的热处理参数进行热处理;对热处理后的焊条进行熔敷金属力学性能表征,结果如表2所示。
表1热处理参数
表2熔敷金属力学性能
由上表1和表2可知,本发明提供的核级不锈钢焊条适用于多种应用状态,其熔敷金属力学性能均能满足技术条件的要求,经400℃×24h热处理后,室温抗拉强度≥520MPa,室温断后伸长率≥40%,室温冲击KV2可以稳定大于100J,350℃抗拉强度≥360MPa,350℃断后伸长率≥30%;经1050℃×2h热处理后,室温抗拉强度≥520MPa,室温断后伸长率≥40%,室温冲击KV2可以稳定大于100J,350℃抗拉强度≥360MPa,350℃断后伸长率≥35%;并且该焊条能够满足全位置焊接工艺要求。
最后应说明的是:以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换;而这些修改或替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种核级焊条,其特征在于,包括药皮和焊芯,药皮按重量比由以下材料组成:大理石30%~40%,萤石15%~25%,冰晶石10%~20%,金红石5%~10%,45#硅铁0.5%~1%,电解锰1%~3%,金属铬粉1%~5%,镍粉1%~5%,钛粉0%~4%,氟化稀土1%~3%,纯碱0.5%~1%,余量为还原铁粉。
2.根据权利要求1所述的核级焊条,其特征在于,药皮按重量比由以下材料组成:大理石36%,萤石20%,冰晶石16%,金红石10%,45#硅铁1%,电解锰2%,金属铬粉3%,镍粉1%,钛粉3%,氟化稀土2%,纯碱1%,余量为还原铁粉。
3.根据权利要求1~2任一项所述的核级焊条,其特征在于,氟化稀土化学成分按重量百分比表示:REO≥83%,CeO2/REO≥45%,F≥26%,H2O≤0.5%。
4.根据权利要求1所述的核级焊条,其特征在于,焊芯的化学成分按重量百分比表示:C≤0.02%,Si≤0.20%,Mn 0.50%~2.00%,P≤0.015%,S≤0.005%,Cr 19.00%~21.00%,Ni9.00%~11.00%,Mo≤0.10%,Cu≤0.05%,Co≤0.05%,余量为Fe。
5.根据权利要求1所述的核级焊条,其特征在于,焊芯的化学成分按重量百分比表示:C0.01%、Si 0.15%、Mn 1.78%、S 0.004%、P 0.010%、Cr 19.95%、Ni 10.11%,Mo 0.05;Cu 0.01%,Co 0.01%,余量的Fe。
6.根据权利要求1所述的核级焊条,其特征在于,该焊条为CaO-CaF2-SiO2型的低氢碱性渣系。
7.一种权利要求1所述的核级焊条的熔敷金属,其特征在于,熔敷金属化学成分按重量百分比表示:C≤0.03%,Si≤0.50%,Mn≤2.00%,P≤0.015%,S≤0.010%,Cr 18.00%~21.00%,Ni 9.00%~11.00%,Mo≤0.50%,Cu≤0.05%,Co≤0.05%,余量为Fe。
8.一种权利要求1所述的核级焊条的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,将药皮组分混合均匀;
S2,在药皮中加入纯钠水玻璃,搅拌均匀后压涂在焊芯上,依次经过低温烘焙和高温烘焙,得到焊条。
9.根据权利要求1所述的核级焊条的制备方法,其特征在于,S2中纯钠水玻璃与药皮按质量比为1:(3~7),纯钠水玻璃模数为2.5~2.8;低温烘焙温度为120~150℃,时间为2~4h;高温烘焙温度为300~320℃,时间为3~5h。
10.一种权利要求1所述的核级焊条的应用方法,其特征在在于,焊接电流110~120A,电弧电压22~32V,焊接速度≥150mm/min,道间温度≤150℃。
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