一種低磷硫高強度耐高溫Cr35Ni45鎳鉻合金焊絲及其製備工藝的製作方法

2024-01-29 16:50:15 1

本發明涉及焊接材料技術領域，尤其涉及一種低磷硫高強度耐高溫cr35ni45鎳鉻合金焊絲及其製備工藝。

背景技術：

由於鎳鉻基合金具有防鏽、耐腐蝕、耐氧化、高韌性和耐高溫的特點，所以在很多領域如石油、天然氣和海洋石油業方面、火力發電廠的煙氣脫硫系統、核能發電設備、汽車工業以及航空航天耐高溫等方面都得到了廣泛應用。在這些應用領域如核能發電設備中的熱交換管和板要求緻密的焊接在一起，用來焊接這些接縫口的焊材即是鎳基合金焊材，所以鎳合金焊盤絲材料在很多領域都有很大的需求。同時為了適應相應的工作環境，對鎳合金焊絲的強度、塑性、耐高溫性能、良好的焊接性能等提出了更高的要求，低磷、硫鎳鉻合金焊絲更能防止焊接處不開裂，提高焊接性能有特殊的現實意義。目前滿足工業上應用的鎳合金焊絲主要依靠進口，使成本大大增加。近幾年來國內有一些高校和科研院所對鎳合金的焊接材料進行了摸索性研究。例如，哈爾濱焊接研究所的馬春雷等人研製了一種焊接核電站設備異種鋼用的鎳基焊絲。汪中瑋等人研製了一種鎳基高溫耐磨無渣焊絲。但是這些焊盤絲材料生產過程較複雜，投資較多，綜合成本高，同時存在強度低，高溫低塑性，耐高溫性能差，焊接工藝不好，焊接質量不高等問題。該鎳基合金焊絲可打破國外的壟斷，降低生產成本，提高應用領域的廣泛性。

技術實現要素：

本發明的目的針對現有技術存在的缺陷，提供一種具有高韌性、高強度、高塑性、高焊接性能、以及耐高溫性能良好的cr35ni45鎳鉻合金焊絲及其製備工藝。該工藝簡單、生產成本低，得到焊絲性能較好，滿足工業生產和實際應用的需求。

本發明的技術方案是這樣實現的：

一種低磷硫高強度耐高溫cr35ni45鎳鉻合金焊絲，其化學成分以質量百分比計包括下述組分：c0.35-0.45%，si1.20-1.60％，cr33.00-36.00%,mn0.50-0.80％，ni42.00-45.00%，nb0.30-0.60%，ti0.30-0.60%，p0.012-0.014%，s0.007-0.009%，al0.25-0.30%，fe15.63-22.08%，以及其他不可避免的雜質元素。

所述的一種低磷硫高強度耐高溫cr35ni45鎳鉻合金焊絲，其化學成分以質量百分比計包括下述組分：c0.35-0.45%，si1.20-1.60％，cr33.00-36.00％,mn0.50-0.80％，ni43.00-45.00％，nb0.30％-0.60%，ti0.30-0.60%，p0.012-0.014%，s0.007-0.009%，al0.25-0.30%，fe15.63-18.85%，以及其他不可避免的雜質元素。

所述的一種低磷硫高強度耐高溫cr35ni45鎳鉻合金焊絲，其化學成分以質量百分比計包括下述組分：c0.35-0.45%，si1.30-1.50％，cr35.50-36.00％，mn0.60-0.75％，ni44.50-45.00％，nb0.35-0.55，ti0.35-0.55%，p0.012-0.014%，s0.007-0.009%，al0.25-0.30%，fe15.63-16.13%，以及其他不可避免的雜質元素。

主要元素作用：

cr:能顯著改善鎳合金的抗氧化性能，增加抗蝕性，同時能穩定合金表面，它在基體材料的表面形成抗氧化和抗腐蝕的保護層，能阻止金屬元素向外擴散和o、s及其它有害元素向內擴散，能防止材料的氧化和熱腐蝕。

si：矽在冶煉時主要作為還原劑和脫氧劑，合金加熱時，表面形成一層sio2薄膜，大大提高合金在高溫時的抗氧化能力，si與cr、ni等金屬元素結合，也有提高合金抗腐蝕性能的作用。矽溶於基體中，有固溶強化作用，可提高合金的抗拉強度、屈服強度。但矽含量過高時會使材料的韌脆轉變溫度提高，降低合金的塑性和韌性，使材料變形困難，容易使矽沿晶界偏聚，增加固溶態晶間腐蝕敏感性，從而降低合金耐硝酸的腐蝕性能。並且矽在鎳合金中易引起熱裂紋，所以設計時矽含量質量百分比控制在1.35-1.50%範圍。

mn：加入錳元素可以起到良好的脫氧與脫硫作用。錳和鐵形成固溶體，提高合金中鐵素體、珠光體和奧氏體的硬度和強度，且對延展性影響不大，同時，錳也是碳化物的形成元素，進入滲碳體取代部分鐵原子，使合金中的調製組織均勻、細化，錳使合金中的硫形成較高熔點的mns,避免在晶界上形成fes薄膜，削弱或消除硫的不良影響，降低合金的熱脆性，改善加工性能；然而，當錳含量過高時，材料的熱敏感性增加，抗氧化性能、焊接性能和耐腐蝕性能降低，因此，將其含量質量百分比控制在0.5-0.8％較為合適。

ni：能提高合金的強度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸鹼有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防鏽和耐熱能力。

nb：可以起到細化晶粒的作用。在普通合金中加nb，可提高合金抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕的能力；nb也有二次硬化作用，可提高合金的強度和衝擊韌性；同時為了防止矽的存在增加合金產生熱裂紋的傾向，往往加入nb元素來抵消矽的不利作用。

ti：能形成很強固的tic，可穩定到1300℃，有此穩定到高溫的高度分散的tic質點，可細化晶粒，降低鋼的過熱傾向性。

al：鋼中含量小於3%時，是一種有益的元素，其作用是：有較高的抗氧化性。

所述的一種低磷硫高強度耐高溫cr35ni45鎳鉻合金焊絲的製備工藝，包括以下步驟：

（1）真空熔煉：根據焊絲化學成分的質量百分比進行配料，先將ni、cr、fe、mn、nb加入中頻爐中熔化後，經檢測達到所需的化學成分後利用中高溫加鈣鋁合金脫氧和降低磷、硫的含量，隨後加入ti在檢測後達到所需化學成分後，利用下澆注法提純材料中雜質，澆注的電極棒切斷後，加入真空爐中熔化出電極棒，經電渣重熔後得到鑄錠i；

（2）均勻化退火：將步驟（1）中得到的鑄錠ι放入加熱爐中升溫到980-1000°c保溫1-2h，油冷700-720℃12-16h，然後空冷得到鑄錠ii；

（3）熱鍛開坯：將步驟（2）中得到的鑄錠ii放入加熱爐中對鑄錠ii加熱到1140℃，並保溫1h，然後將鑄錠ii進行鍛造，開鍛溫度為1130℃，終鍛溫度≥920℃，鍛造完後在室溫下進行冷卻得到合金坯iii；

（4）熱軋：對步驟（3）中得到的合金坯進行多道次熱軋，開軋溫度1140°c，終軋溫度≥930°c，將合金坯軋製成盤絲材；

（5）冷拉：對步驟（4）中得到的盤絲材進行多道次冷拉，拉細得到盤絲材；

（6）成品退火：對步驟（5）中得到的盤絲材進行最終退火，退火溫度900±10°c，保溫1-2h，油冷750±10℃保溫16h，空冷，退完火後進行修磨、裁剪，即得成品焊絲。

步驟（4）中所述盤絲材直徑小於6mm。步驟（5）中所述盤絲材直徑為2~3mm。

相對現有技術，本發明帶來的有益效果：

（1）本發明的低磷、硫鎳鉻合金焊絲通過合理的元素搭配，以及良好的工藝過程，其具有很高的強度，室溫抗拉強度為1150~1250mpa，延伸率10~15%，綜合力學性能優越，同時在1000°c時抗拉強度達到600mpa以上。

（2）本發明的低磷、硫鎳鉻合金焊絲中加入了適量的nb元素，即很好的解決了鎳合金焊絲的高溫低塑性問題，又保證了不會因為加入nb元素而引起的焊絲熔敷金屬結晶裂紋敏感性增加等問題，該合金焊絲在1000°c時延伸率達到25%以上，具有很好的高溫塑性。

（3）本發明中加入的錳、矽元素是非常有效的脫氧劑，在中低溫時加入鈣鋁合金降低磷、硫含量，又能脫氧，同時焊絲中的矽有利於在焊縫的表面形成氧化膜，提高焊縫在高溫時的抗氧化性能，錳是良好的脫硫劑，也是固溶強化劑，提高焊縫的強度和硬度。通過對錳和矽的含量進行合理的控制，即避免了由於錳、矽含量過高引起的不利因素，又保證了該合金焊絲的焊接性能。鋁在焊絲中有抗氧化的作用，低磷、硫是提高焊接質量具有獨特的優勢。

（4）本發明的製備工藝具有生產成本低，節能，加工周期短，焊接效率高。

（5）本發明在製備工藝步驟中採用真空冶煉工藝，有利於氣體含量的降低，避免合金元素的氧化。

具體實施方式

實施例1、2、3中各組分的含量如下表所列

實施例1

一種低磷硫高強度耐高溫cr35ni45鎳鉻合金焊絲，其化學成分以質量百分比計包括下述組分：c0.35，si1.2％，cr33.00％，mn0.50％，ni42.00％，nb0.30%，ti0.30%，p0.012%，s0.007%，al0.25%，fe22.08％，以及其他不可避免的雜質元素。

該鎳鉻合金焊絲的製備工藝，包括以下步驟：

（1）真空熔煉：根據焊絲化學成分的質量百分比進行配料，先將ni、cr、fe、mn、nb加入中頻爐中熔化後，經檢測達到所需的化學成分後利用中高溫加鈣鋁合金脫氧和降低磷、硫的含量，隨後加入ti在檢測後達到所需化學成分後，利用下澆注法提純材料中雜質，澆注的電極棒切斷後，加入真空爐中熔化出電極棒，經電渣重熔後得到鑄錠i。

（2）均勻化退火：將步驟（1）中得到的鑄錠ι放入加熱爐中升溫到980-1000°c保溫1-2h，油冷700-720℃12-16h，然後空冷得到鑄錠ii。

（3）熱鍛開坯：將步驟（2）中得到的鑄錠ii放入加熱爐中對鑄錠ii加熱到1140℃，並保溫1h，然後將鑄錠ii進行鍛造，開鍛溫度為1130℃，終鍛溫度≥920℃，鍛造完後在室溫下進行冷卻得到合金坯iii。

（4）熱軋：對步驟（3）中得到的合金坯進行多道次熱軋，開軋溫度1140°c，終軋溫度≥930°c，將合金坯軋製成直徑小於6mm的盤盤絲材。

（5）冷拉：對步驟（4）中得到的盤絲材進行多道次冷拉，拉細到直徑2-3mm盤盤絲材。

（6）成品退火：對步驟（5）中得到的盤絲材進行最終退火，退火溫度900±10°c，保溫1-2h，油冷750±10℃保溫16h，空冷，退完火後進行修磨、裁剪，即得成品焊絲。

製備的鎳鉻合金焊絲的力學性能為：室溫抗拉強度為1192mpa，延伸率13%，在1000°c測試其抗拉強度為650mpa，延伸率28%。

實施例2

一種低磷硫高強度耐高溫cr35ni45鎳鉻合金焊絲，其化學成分以質量百分比計包括下述組分：c0.40，si1.40％，cr34.00％，mn0.65％，ni43.50％，nb0.45%，ti0.45%，p0.013%，s0.008%，al0.28%，fe18.85％，以及其他不可避免的雜質元素。

該鎳鉻合金焊絲的製備工藝，包括以下步驟：

（1）真空熔煉：根據焊絲化學成分的質量百分比進行配料，先將ni、cr、fe、mn、nb加入中頻爐中熔化後，經檢測達到所需的化學成分後利用中高溫加鈣鋁合金脫氧和降低磷、硫的含量，隨後加入ti在檢測後達到所需化學成分後，利用下澆注法提純材料中雜質，澆注的電極棒切斷後，加入真空爐中熔化出電極棒，經電渣重熔後得到鑄錠i。

（2）均勻化退火：將步驟（1）中得到的鑄錠ι放入加熱爐中升溫到980-1000°c保溫1-2h，油冷700-720℃12-16h，然後空冷得到鑄錠ii。

（3）熱鍛開坯：將步驟（2）中得到的鑄錠ii放入加熱爐中對鑄錠ii加熱到1140℃，並保溫1h，然後將鑄錠ii進行鍛造，開鍛溫度為1130℃，終鍛溫度≥920℃，鍛造完後在室溫下進行冷卻得到合金坯iii。

（4）熱軋：對步驟（3）中得到的合金坯進行多道次熱軋，開軋溫度1140°c，終軋溫度≥930°c，將合金）坯軋製成直徑小於6mm的盤盤絲材。

（5）冷拉：對步驟（4）中得到的盤絲材進行多道次冷拉，拉細到直徑2-3mm盤盤絲材。

（6）成品退火：對步驟（5）中得到的盤絲材進行最終退火，退火溫度900±10°c，保溫1-2h，油冷750±10℃保溫16h，空冷，退完火後進行修磨、裁剪，即得成品焊絲。

製備的鎳合金焊絲的力學性能為：室溫抗拉強度為1152mpa，延伸率15%，在1000°c測試其抗拉強度為600mpa，延伸率30%。

實施例3

一種低磷硫高強度耐高溫cr35ni45鎳鉻合金焊絲，其化學成分以質量百分比計包括下述組分：c0.45，si1.60％，cr35.00％,mn0.80％，ni45.00％，nb0.60%，ti0.60%，p0.014%，s0.009%，al0.30%，fe15.63％，以及其他不可避免的雜質元素。

該鎳合金焊絲的製備工藝，包括以下步驟：

（1）真空熔煉：根據焊絲化學成分的質量百分比進行配料，先將ni、cr、fe、mn、nb加入中頻爐中熔化後，經檢測達到所需的化學成分後利用中高溫加鈣鋁合金脫氧和降低磷、硫的含量，隨後加入ti在檢測後達到所需化學成分後，利用下澆注法提純材料中雜質，澆注的電極棒切斷後，加入真空爐中熔化出電極棒，經電渣重熔後得到鑄錠i。

（2）均勻化退火：將步驟（1）中得到的鑄錠ι放入加熱爐中升溫到980-1000°c保溫1-2h，油冷700-720℃12-16h，然後空冷得到鑄錠ii。

（3）熱鍛開坯：將步驟（2）中得到的鑄錠ii放入加熱爐中對鑄錠ii加熱到1140℃，並保溫1h，然後將鑄錠ii進行鍛造，開鍛溫度為1130℃，終鍛溫度≥920℃，鍛造完後在室溫下進行冷卻得到合金坯iii。

（4）熱軋：對步驟（3）中得到的合金坯進行多道次熱軋，開軋溫度1140°c，終軋溫度≥930°c，將合金坯軋製成直徑小於6mm的盤盤絲材。

（5）冷拉：對步驟（4）中得到的盤絲材進行多道次冷拉，拉細到直徑2-3mm盤盤絲材。

（6）成品退火：對步驟（5）中得到的盤絲材進行最終退火，退火溫度900±10°c，保溫1-2h，油冷750±10℃保溫16h，空冷，退完火後進行修磨、裁剪，即得成品焊絲。

製備的鎳合金焊絲的力學性能為：室溫抗拉強度為1205mpa，延伸率10%，在1000°c測試其抗拉強度為680mpa，延伸率25%。

本發明不局限於上述實施方式，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍之內。本說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。