本發(fā)明屬于焊接制備的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地講，涉及一種超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲及其制備方法。
背景技術(shù)：
盡管超超臨界發(fā)電技術(shù)在國外已經(jīng)有幾十年的歷史了，但是在國內(nèi)還處于剛剛起步階段，而相應(yīng)的超超臨界耐熱材料的研究同樣處于起步階段。隨著工作溫度和工作壓力的提高，要求超超臨界汽輪機中的重要部件的材料具有更好的熱強性能、抗高溫腐蝕和氧化性能，因此材料的制造技術(shù)成為制約超超臨界機組發(fā)展的關(guān)鍵。對于承受一定的載荷而又經(jīng)常經(jīng)歷急劇溫度變化的高溫結(jié)構(gòu)材料，首先必須具有高的抗氧化性能和一定的熱強性能，同時還須具有良好的抗熱疲勞性能以抵抗溫度變化引起的熱疲勞，高的組織穩(wěn)定性以保證在高溫環(huán)境中結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定。熱電廠中的主要部件如蒸汽管線、汽包、水冷壁、鍋爐等均采用耐熱鋼制造。
提高現(xiàn)代熱電廠的熱效率首先就是要提高蒸汽的溫度和壓力。為滿足這一實際需要，多年來，相關(guān)行業(yè)一直致力于新型耐熱鋼的研究和開發(fā)，特別是鉻的含量為9～12wt％的高鉻耐熱鋼的發(fā)展。該系列耐熱鋼由于具有很高的強韌性、抗蠕變性能，以及良好的抗高溫氧化和抗腐蝕性能而得到關(guān)注，并成為熱電廠中主要設(shè)備用材的主選或更新?lián)Q代材料。
ZG1Cr10MoVNbN耐熱鋼是超超臨界汽輪機高溫用鑄鋼,是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型材料,主要用于超超臨界汽輪機高壓內(nèi)缸、主汽閥、噴嘴等部件，工作溫度為600℃、工作壓力為25MPa，該類部件要求材料具有較好的熱強性能、抗高溫腐蝕和氧化性能。所以對該材料的研究和開發(fā)對于發(fā)展超超臨界發(fā)電機組具有十分重要的意義。
超超臨界焊條經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。而隨著自動化程度的提高，越來越多的用戶需要此類自動或半自動焊接材料代替手工焊焊條，所以此類焊絲的開發(fā)也迫在眉睫。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種適用于超超臨界汽輪機ZG1Cr10MoVNbN或T91/P91等耐熱鋼配套使用的超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲及其制備方法。
本發(fā)明的一方面提供了超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲，所述藥芯焊絲包括外皮和藥芯，所述外皮為低碳鋼鋼薄帶，以質(zhì)量百分比計，所述藥芯包括以下組分：石墨粉3～5％、金屬鉻35～50％、金紅石20～40％、鉬鐵3～8％、錳鐵粉3～8％、鎳粉1～8％、長石2～8％、釩鐵1～5％、鈮鐵1～5％、氟化物0.2～2％以及余量的鐵粉和不可避免的雜質(zhì)；其中，所述藥芯重量占焊絲總重量的10～30％
根據(jù)本發(fā)明超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲的一個實施例，所述藥芯焊絲的直徑為φ1.2～2.4mm。
根據(jù)本發(fā)明超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲的一個實施例，以質(zhì)量百分比計，所述低碳鋼鋼薄帶包含以下成分：C 0.02～0.045％、Mn 0.15～0.35％、Si≤0.035％、S≤0.015％、P≤0.017％以及余量的鐵和不可避免的雜質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲的一個實施例，所述氟化物為氟化鈣、氟鈦酸鉀和氟鋁酸鉀中的一種或多種。
根據(jù)本發(fā)明超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲的一個實施例，所述藥芯焊絲適用于超超臨界汽輪機ZG1Cr10MoVNbN或T91/P91耐熱鋼的配套使用。
根據(jù)本發(fā)明超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲的一個實施例，以質(zhì)量百分比計，所述藥芯焊絲的焊接熔敷金屬包含以下成分：C 0.08～0.13％、Mn≤1.20％、Si≤0.50％、S≤0.015％、P≤0.020％、Cr 8.0～10.5％、Mo 0.85～1.20％、Ni≤0.8％、V 0.15～0.30％、Nb 0.02～0.10％以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲的一個實施例，所述焊接熔敷金屬的擴散氫含量小于5mL/100g且力學(xué)性能為：抗拉強度≥620Mpa、屈服強度≥540Mpa、延伸率≥16％、20℃沖擊達到40J。
本發(fā)明的另一方面提供了上述超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲的制備方法，將藥芯的各組分按配比混合均勻后置于作為外皮的低碳鋼鋼薄帶上，包裹或卷制成絲并經(jīng)拉拔減徑至預(yù)定規(guī)格，制得所述超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲。
本發(fā)明的超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲可配套用于超超臨界汽輪機ZG1Cr10MoVNbN、T91/P9 1等耐熱鋼，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17493 E91T1-B9M的要求。并且，該藥芯焊絲的焊接工藝性能和理化性能良好，工藝上達到焊接工藝性能良好、電弧穩(wěn)定、飛濺小、焊縫成型美觀且能夠進行全位置焊接等目的，性能上達到具有良好力學(xué)性能的目的。
具體實施方式
本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
下面先對本發(fā)明的超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲進行詳細地說明。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，所述超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲包括外皮和藥芯，外皮為低碳鋼鋼薄帶，以質(zhì)量百分比計，所述藥芯包括以下組分：石墨粉3～5％、金屬鉻35～50％、金紅石20～40％、鉬鐵3～8％、錳鐵粉3～8％、鎳粉1～8％、長石2～8％、釩鐵1～5％、鈮鐵1～5％、氟化物0.2～2％以及余量的鐵粉和不可避免的雜質(zhì)；其中，藥芯重量占焊絲總重量的10～30％。
耐熱鋼通常是加入合金元素，即通過合金化來提高鋼的高溫強度。常用的合金元素有鉻、鋁、釩、鎢、鈮、硼、硅、稀土等，通過加入合金元素并進行適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，可以起到固溶強化、晶界強化及沉淀強化的作用。高合金含量的固溶強化對提高耐熱鋼的強度具有一定的效果，但高鉻耐熱鋼一般采用細小彌散的第二相粒子強化來提高其強度。因為細小彌散的第二相粒子在提高材料強度的同時，可起到釘扎位錯、阻礙位錯運動，從而起到進一步提高耐熱鋼強度的作用。
本發(fā)明藥芯粉中各組分的主要作用如下：
石墨粉：在超超臨界焊材中，加入適當(dāng)?shù)氖梢詳U大和穩(wěn)定奧氏體，提高焊縫的高溫強度。在石墨粉含量在3～5％的范圍內(nèi)，熔敷金屬具有較好的韌性和強度。碳含量過低容易引起高溫強度不足，碳含量過高容易出現(xiàn)結(jié)晶裂紋。
金屬鉻：鉻是耐熱鋼中極重要的合金元素。當(dāng)鋼中含鉻量足夠時，能在鋼的表面形成致密的氧化膜。這層氧化膜能在一定程度上阻止氧、硫、氮等腐蝕性氣體向鋼中擴散，也能阻止金屬離子向外擴散。耐熱鋼的抗高溫腐蝕性能與含Cr量有一定的關(guān)系，當(dāng)含Cr量達到9％以上時，鋼的高溫抗氧化能力明顯提高。本發(fā)明通過直接在藥芯中加入金屬鉻來提高熔敷金屬的鉻含量，從而提高其力學(xué)性能。
金紅石：在加入量為20～40％左右，能夠很好的起到造渣、穩(wěn)定電弧的作用。如果加入過多，會引起熔渣較粘，渣流動性不好；如果加入過少，不能起到造渣及穩(wěn)定電弧的作用，影響焊材的工藝性能。
鉬鐵：作為焊縫金屬中鉬的主要來源。鉬是提高熱強性的最重要合金元素之一，耐熱鋼中一般都含有Mo。Mo溶于鐵素體，能顯著提高鐵素體的再結(jié)晶溫度，從而提高蠕變強度，Mo同時能以細小的碳化物的形式產(chǎn)生彌散強化作用，鉬是焊縫金屬中重要的強化元素，在本發(fā)明藥芯焊絲的藥芯中含量過低會導(dǎo)致焊縫金屬強度不足，含量過高會導(dǎo)致強度過高、韌性惡化。限定藥芯中鉬鐵含量為3～8％，優(yōu)選鉬含量為50～60％的鉬鐵。
錳鐵：作為焊縫金屬中錳的主要來源。在焊縫中增加錳一方面加強脫氧，一方面增加了針狀鐵素體的數(shù)量，同時相應(yīng)減少了先共析鐵素體和層狀組分的數(shù)量，細化了焊縫的針狀鐵素體和粗晶區(qū)的顯微組織，提高了焊縫的沖擊韌性。
鎳粉：作為焊縫金屬中鎳的主要來源。鎳是焊縫熔敷金屬中重要的合金元素，對提高強度有一定的貢獻，但作用有限。
長石：加入2～8％的長石可以有效地細化熔滴顆粒，減小飛濺及改善焊縫的成型。
釩鐵：為焊縫金屬中釩的主要來源。釩主要是通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，生成細小的均勻分布的碳化物顆粒，使鋼得以強化。在Cr-Mo-V鋼中，由于V的碳化物十分穩(wěn)定，將碳固定而促使Cr、Mo等合金元素更多地溶入固溶體，這樣，間接地起到了促進固溶強化的作用。
鈮鐵：加入1～5％左右的鈮鐵，可以提高高溫強度，細化晶粒，阻止高溫下晶粒長大。
氟化物：氟用以降低熔敷金屬中擴散氫的含量，但氟化物含量過高，會造成焊接時電弧不穩(wěn)、飛濺變大、電弧聲音變差，控制為0.2～2％為佳。根據(jù)本發(fā)明，氟化物可以為氟化鈣、氟鈦酸鉀和氟鋁酸鉀中的一種或多種。
鐵粉：藥芯中加入鐵粉可提高焊接效率并提供少量的氧用于穩(wěn)弧，為了保證高的熔敷效率、主要來源于還原鐵粉或霧化鐵粉。
本發(fā)明是通過上述藥芯組分的有機組配并與低碳鋼鋼薄帶外皮配合從而實現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的和技術(shù)效果。
根據(jù)本發(fā)明，所述低碳鋼鋼薄帶包含以下成分：C 0.02～0.045％、Mn0.15～0.35％、Si≤0.035％、S≤0.015％、P≤0.017％以及余量的鐵和不可避免的雜質(zhì)。控制鋼帶的碳含量，有利于鋼帶在生產(chǎn)過程中的拉拔性；嚴格控制鋼帶中的雜質(zhì)元素S、P的含量，提高沖擊韌性，降低熔敷金屬的回火脆性，進一步提高焊絲性能。
優(yōu)選的低碳鋼鋼薄帶包含以下成分：C 0.035％、Mn 0.25％、Si 0.015％、S 0.006％、P 0.011％以及余量的鐵和不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明的超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲的直徑優(yōu)選為φ1.2～2.4mm。在使用本發(fā)明的超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲進行焊接時，以質(zhì)量百分比計，所得焊接熔敷金屬包含以下成分：C 0.08～0.13％、Mn≤1.20％、Si≤0.50％、S≤0.015％、P≤0.020％、Cr 8.0～10.5％、Mo 0.85～1.20％、Ni≤0.8％、V 0.15～0.30％、Nb 0.02～0.10％以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)。并且，該焊接熔敷金屬的擴散氫含量小于5mL/100g且力學(xué)性能為：抗拉強度≥620MPa、屈服強度≥540MPa、延伸率≥16％、20℃沖擊功達到40J。
綜上，本發(fā)明的超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲可配套用于超超臨界汽輪機ZG1Cr10MoVNbN、T91/P91等耐熱鋼的焊接，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17493E91T1-B9M的要求，其焊接工藝性能和理化性能良好。
同時，本發(fā)明還提供了上述超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲的制備方法，具體地：將藥芯的各組分按配比混合均勻后置于作為外皮的低碳鋼鋼薄帶上，包裹或卷制成絲并經(jīng)拉拔減徑至預(yù)定規(guī)格，制得所述超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲。
其中，作為外皮的低碳鋼鋼薄帶可以為寬度12～16mm且厚度為0.6～1.0mm的低碳鋼鋼薄帶，并且預(yù)定規(guī)格的藥芯焊絲直徑為φ1.2～2.4mm。
應(yīng)理解，本發(fā)明詳述的上述實施方式及以下實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護范圍。
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲及其制備方法作進一步說明。
實施例1：
采用14mm×0.8mm(寬×厚)的鋼帶作為焊絲的外皮，其化學(xué)成分包括C 0.035wt％、Mn 0.25wt％、Si 0.015wt％、S 0.006wt％、P 0.011wt％以及余量的鐵和不可避免的雜質(zhì)。
生產(chǎn)666kg焊絲的藥芯重量為100kg(藥芯重量占整個焊絲重量的15wt％)，藥芯中各組分含量為：石墨粉：5kg，金屬鉻：35kg，金紅石：20kg，鉬鐵：3kg，錳鐵粉：3kg，鎳粉：1kg，長石：2kg，釩鐵：1kg，鈮鐵：1kg，氟化物：0.2kg，加鐵粉28.8kg至藥芯配料總重100kg。
將藥芯各組分混合均勻后待用，將外皮置于焊絲成型機內(nèi)、陸續(xù)將待用的藥芯混合料注入橫向彎制成“U”型的外皮凹槽內(nèi)，進而卷制成絲、經(jīng)細拉至Φ1.2mm即得超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲。
實施例2：
采用14mm×0.8mm(寬×厚)的鋼帶作為焊絲的外皮，其化學(xué)成分為C 0.025wt％、Mn 0.20wt％、Si 0.012wt％、S 0.004wt％、P 0.008wt％以及余量的鐵和不可避免的雜質(zhì)。
其中，100kg藥芯中各組分含量為：石墨粉：4kg，金屬鉻：42kg，金紅石：26kg，鉬鐵：5kg，錳鐵粉：5kg，鎳粉：3kg，長石：5kg，釩鐵：3kg，鈮鐵：3kg，氟化物：1kg，加鐵粉3kg至藥芯配料總重100kg。
將藥芯各組分混合均勻后待用，將外皮置于焊絲成型機內(nèi)、陸續(xù)將待用的藥芯混合料注入橫向彎制成“U”型的外皮凹槽內(nèi)，進而卷制成絲、經(jīng)細拉至Φ1.2mm即得超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲。
實施例3：
除藥芯成分含量不同外，其余條件與實施例1相同。
其中，100kg藥芯中各組分含量為：石墨粉：5kg，金屬鉻：45kg，金紅石：20kg，鉬鐵：5kg，錳鐵粉：3kg，鎳粉：5kg，長石：3kg，釩鐵：5kg，鈮鐵：5kg，氟化物：0.5kg，加鐵粉3.5kg至藥芯配料總重100kg。
將藥芯各組分混合均勻后待用，將外皮置于焊絲成型機內(nèi)、陸續(xù)將待用的藥芯混合料注入橫向彎制成“U”型的外皮凹槽內(nèi)，進而卷制成絲、經(jīng)細拉至Φ1.2mm即得超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲。
將實施例1至實施例3的超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲用于試板的焊接，焊接參數(shù)為I＝240～260A、U＝28～30V、氣體流量為20L/min、保護氣體為：80％Ar+20％CO2。
其中，所得焊接熔敷金屬的化學(xué)成分如表1所示，所得焊接熔敷金屬的力學(xué)性能和擴散氫含量如表2所示。
表1焊接熔敷金屬的化學(xué)成分(wt％)
表2焊接熔敷金屬的力學(xué)性能(混合氣體)及擴散氫含量
綜上所述，本發(fā)明的超超臨界耐熱鋼藥芯焊絲可配套用于超超臨界汽輪機ZG1Cr10MoVNbN、T91/P9 1等耐熱鋼，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17493 E91T1-B9M的要求。并且，該藥芯焊絲的焊接工藝性能和理化性能良好，工藝上達到焊接工藝性能良好、電弧穩(wěn)定、飛濺小、焊縫成型美觀且能夠進行全位置焊接等目的，性能上達到具有良好力學(xué)性能的目的。
本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。