一种超低温高锰钢用电弧焊焊条
阅读说明：本技术 一种超低温高锰钢用电弧焊焊条 (Arc welding electrode for ultralow-temperature high-manganese steel ) 是由 汪涛 汪昌红 包润新 陈成 蔡大江 魏艳 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及焊接材料技术领域,尤其涉及一种超低温高锰钢用电弧焊焊条；焊条包括焊条钢芯和包裹在焊条钢芯外的药皮,所述焊条钢芯的成分为：C：0.35-0.46％,Si：0.06-0.18％,Mn：22-30％,Cr：3.7-4.6％,Ni:1.8-2.5％,Mo：1.3-2.1％,S：≤0.015％,P：≤0.015％,余量为Fe和不可避免的杂质,用水玻璃作为粘结剂,药皮占焊条总重量的35-40％,采用现有焊条生产设备及生产方法制备,其中所述药皮的成分及各成分占药皮的质量百分比为：大理石20-30％,碳酸锶5-10％,萤石18-25％,锆英砂3-6％,金红石4-8％,钛铁3-5％,磁铁矿3-8％,金属锰4-8％,金属铬4-6％,金属镍6-10％,金属钼2-4％,铜粉2-3％,钒铁1-3％,氮化铬铁4-7％,石墨0.5-1％,纯碱0.3-1％,海藻0.3-1％。本发明焊条具有良好超低温冲击韧性,焊接工艺性能优异,全位置焊接操作性能优良。(The invention relates to the technical field of welding materials, in particular to an electric arc welding electrode for ultralow-temperature high-manganese steel; the welding rod includes the welding rod steel core and wraps up the coating outside the welding rod steel core, the composition of welding rod steel core is: c: 0.35-0.46%, Si: 0.06-0.18%, Mn: 22-30%, Cr: 3.7-4.6%, Ni 1.8-2.5%, Mo: 1.3-2.1%, S: less than or equal to 0.015 percent, P: less than or equal to 0.015 percent, the balance of Fe and inevitable impurities, water glass is used as a binder, a coating accounts for 35 to 40 percent of the total weight of the welding rod, the welding rod is prepared by adopting the existing welding rod production equipment and the production method, wherein the coating comprises the following components in percentage by mass: 20-30% of marble, 5-10% of strontium carbonate, 18-25% of fluorite, 3-6% of zircon sand, 4-8% of rutile, 3-5% of ferrotitanium, 3-8% of magnetite, 4-8% of manganese metal, 4-6% of chromium metal, 6-10% of nickel metal, 2-4% of molybdenum metal, 2-3% of copper powder, 1-3% of ferrovanadium, 4-7% of ferrochromium nitride, 0.5-1% of graphite, 0.3-1% of soda ash and 0.3-1% of seaweed. The welding rod has good ultralow-temperature impact toughness, excellent welding process performance and excellent all-position welding operation performance.)
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域，尤其涉及一种超低温高锰钢用电弧焊焊条。
背景技术
随着现代工业的发展，世界上的能源消耗越来越多的集中在气态能源上，尤其是天然气，天然气是方便、高效的清洁能源，世界上天然气资源丰富，储量约为400-600万亿m3。然而，天然气一般储存在远离主要消耗区的地方，使得大量的天然气的存贮和远距离运输成为迫切需要解决的问题。如果把天然气制成液态，体积能缩小600倍，可以大大降低天然气的存贮及运输成本。天然气的液化温度为-162℃，运输天然气的LNG船和储存天然气的储罐需要用到大量的超低温钢。当前储存、运输液态天然气、液态甲烷、液氮、液氧等低温液体的合金钢主要为超低温镍钢，其中使用量最大的是9Ni钢，9Ni钢的韧-脆转变温度低于-196℃，并且满足设计强度要求，具有良好的焊接性和加工成型性，在-196℃下组织稳定，完全满足运输和储存液态天然气等的需求。但是，9Ni钢中镍元素的添加范围为8.5-10％，由于镍元素的价格昂贵，使得9Ni钢的冶炼和使用成本大大提高，因此，为了降价节能及适应市场需求，迫切需要开发一种能够替代9Ni钢的新型超低温合金钢。
超低温高锰钢(22-26％Mn含量)与9Ni钢具有相同的物理冶金特点，且具有高性能(抗裂性优异)、低成本(成本节约30-40％)的优势，是替代9Ni钢，作为LNG储罐用钢机具竞争力的首选材料，应用前景不可估量，已成为世界各国的研究热点。2015年浦项钢铁公司与大宇造船海洋公司和全球五大船级社(ABS、BV、DNV-GL、KR、LR)共同开发的LNG储罐用高锰钢已实现批量生产。
国内的超低温高锰钢(22-26％Mn含量)研发尚处于起步阶段，配套的焊接材料是超低温高锰钢应用的关键技术。目前没有合适的焊接材料对超低温高锰钢进行焊接，使得超低温高锰钢推广和应用陷入瓶颈。
发明内容
为了解决上述问题，研制一种超低温高锰钢(22-26％Mn含量)配套焊接材料，本发明提供了一种超低温高锰钢用电弧焊焊条，焊条包括焊条钢芯和包裹在焊条钢芯外的药皮，所述药皮的成分及各成分占药皮的质量百分比为：大理石20-30％，碳酸锶5-10％，萤石18-25％，锆英砂3-6％，金红石4-8％，钛铁3-5％，磁铁矿3-8％，金属锰4-8％，金属铬4-6％，金属镍6-10％，金属钼2-4％，铜粉2-3％，钒铁1-3％，氮化铬铁4-7％，石墨0.5-1％，纯碱0.3-1％，海藻0.3-1％。
较佳的，所述药皮的成分及各成分占药皮的质量百分比为：大理石30％，碳酸锶8％，萤石20％，锆英砂3％，金红石5％，钛铁3％，磁铁矿3.5％，金属锰5％，金属铬4％，金属镍7％，金属钼2％，铜粉2％，钒铁1％，氮化铬铁4％，石墨0.5％，纯碱1％，海藻1％。
较佳的，所述药皮的成分及各成分占药皮的质量百分比为：大理石25％，碳酸锶10％，萤石21％，锆英砂4％，金红石4％，钛铁3.5％，磁铁矿5％，金属锰4％，金属铬4％，金属镍8％，金属钼3％，铜粉2％，钒铁1.5％，氮化铬铁5.5％，石墨0.5％，纯碱0.3％，海藻0.7％。
较佳的，所述药皮的成分及各成分占药皮的质量百分比为：大理石26％，碳酸锶5％，萤石18％，锆英砂3％，金红石5％，钛铁4％，磁铁矿8％，金属锰2.5％，金属铬5％，金属镍6％，金属钼2％，铜粉2.5％，钒铁2％，氮化铬铁5％，石墨1％，纯碱0.5％，海藻0.5％。
较佳的，所述药皮占焊条总重量的35-40％。
较佳的，所述焊条钢芯的成分为：C：0.35-0.46％，Si：0.06-0.18％，Mn：22-30％，Cr：3.7-4.6％，Ni:1.8-2.5％，Mo：1.3-2.1％，S：≤0.015％，P：≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明适用于全位置焊接的超低温高锰钢用电弧焊焊条的设计原理是：通过低成本的C-Mn-Cr-Ni-N合金体系设计，形成的焊缝金属中Mn含量为22-26％，在-196℃及更低温度下力学性能优良。本发明中含有适量碳酸锶，可确保焊接良好的立焊工艺适用性；通过加入适量Ni、N进一步稳定奥氏体组织，以提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性；Cr、Mo的加入，可形成碳化物或氮化物，以提高焊缝强度，Mo还能缩小固液共存区间，可以有效抑制热裂纹发生；通过向焊缝金属中加入微量的合金元素，如V、Cu等，可以使焊缝金属的晶粒细化，既可提高焊缝金属的强度和韧性，又可改善其抗裂性能。
萤石的作用是稀渣和去氢，防止焊接时产生气孔，并且可改善脱渣性能，萤石加入量为18-25％，加入过多，对立焊不利。
大理石的主要成分是CaCO3，其主要作用是造渣、造气，当药皮中加入量少于20％时，渣、气保护作用降低，加入量高于30％时，飞溅增大。
碳酸锶的作用也是造渣、造气，同时能显著改善立向上焊的操作性能，一般加入5-10％为宜。
锆英砂有利于熔渣的脱渣，但加入量过多时，易引起焊缝氧化，一般控制在3-6％之间。
磁铁矿的作用是提高熔渣的的熔点，使焊条引弧后形成药皮套筒，细化熔滴，一般加入3-8％为宜。
钛铁用作脱氧剂、除气剂，可保护锰元素的过渡，形成Ti-C、Ti-N化合物，提高焊缝强度，一般加入3-5％为宜。
金红石作为造渣剂，具有稳定电弧、调节熔渣物理性能的作用，适量加入可以起到改善立向上焊的作用，一般加入4-8％为宜。
金属锰中Mn是扩大奥氏体区和稳定奥氏体组织的元素，当焊缝金属中Mn含量大于20％时能够形成完全奥氏体组织，低温脆性转变温度消失，提高焊缝金属低温冲击韧性；金属锰还可以参与脱氧，用于降低焊缝金属的含氧量，增加焊缝金属强度和抗裂性。
金属铬中Cr可与C形成碳化物，通过弥散强化和固溶强化作用，提高焊缝金属强度，铬的加入量以焊缝金属中铬的含量为4-6％为宜，当焊缝金属中铬的含量大于6％时，焊缝金属中铬的碳化物过多，会降低低温冲击韧性。
氮化铬铁的加入，目的是向焊缝金属中过度N，N是扩大奥氏体区和稳定奥氏体组织的元素，可以提高焊缝金属低温冲击韧性；同时作为固溶强化元素，可与Cr、Mo、V形成氮化物，可提高焊缝金属强度而并不显著损害焊缝金属的塑性和韧性，氮化铬铁加入量以4～7％为宜，焊缝金属中N含量控制在0.1-0.2％。
镍粉中Ni是形成和稳定奥氏体组织的元素，可降低脆性转变温度，能提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性，考虑到经济成本，镍的加入量为6-10％。
钼粉中Mo可形成碳化物或氮化物，提高焊缝强度，Mo还能缩小固液共存区间，可以有效抑制热裂纹发生，加入量为2-4％，加入量过多，焊缝金属中Mo的碳化物和氮化物过多，将显著降低低温冲击功。
V是强碳化物形成元素，可以形成特殊碳化物，细化奥氏体晶粒，提高焊缝金属强度和韧性；加入量为1-2％，加入量过多，焊缝金属中V的碳化物和氮化物过多，将显著降低低温冲击功。
Cu是固溶强化和沉淀强化元素，能提高焊缝金属的强度，其加入量大于3％时，对抗裂性不利，铜粉加入量以2～3％为宜。
C是奥氏体化元素，同时C能与Cr、Mo、V形成碳化物，以提高奥氏体焊缝金属的强度；当熔敷金属中C含量小于0.3％时，焊缝强度不能够满足要求；当熔敷金属中C含量大于0.45％时，焊接时会产生气孔，并使冲击韧性降低。
纯碱和海藻的加入主要为了提高粉料的粘性和流动性，改善焊条的压涂性能。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明采用低成本的C-Mn-Cr-Ni-N合金体系设计，形成的焊缝金属中Mn含量为22-26％，在-196℃及更低温度下力学性能优良，配套焊接材料的Ni含量显著降低，使用成本优势显著；
2)本发明提供的超低温高锰钢用电弧焊焊条，其熔敷金属和焊接接头综合性能好，抗拉强度≥700MPa；屈服强度≥500MPa；伸长率≥30％；在-196℃条件下，Akv≥80J；
3)本发明提供的超低温高锰钢用电弧焊焊条，具有优良的焊接工艺性能，适用于全位置焊接。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供了一种超低温高锰钢用电弧焊焊条，焊条包括焊条钢芯和包裹在焊条钢芯外的药皮，所述焊条钢芯的成分为：C：0.35-0.46％，Si：0.06-0.18％，Mn：22-30％，Cr：3.7-4.6％，Ni:1.8-2.5％，Mo：1.3-2.1％，S：≤0.015％，P：≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质，用水玻璃作为粘结剂，药皮占焊条总重量的35-40％，采用现有焊条生产设备及生产方法制备，其中所述药皮的成分及各成分占药皮的质量百分比为：大理石20-30％，碳酸锶5-10％，萤石18-25％，锆英砂3-6％，金红石4-8％，钛铁3-5％，磁铁矿3-8％，金属锰4-8％，金属铬4-6％，金属镍6-10％，金属钼2-4％，铜粉2-3％，钒铁1-3％，氮化铬铁4-7％，石墨0.5-1％，纯碱0.3-1％，海藻0.3-1％。
以下列举具体实施例以对本发明进行进一步说明。
实施例1-3提供了三种电弧焊焊条，分别编号为1#、2#、3#，各超低温高锰钢用电弧焊焊条的配方和焊接工艺性能评价见表1，各焊条熔敷金属的力学性能见表2，熔敷金属的化学成分见表3，具体如下：
表1：实施例1-3的配方(质量百分比)及焊接性能工艺性能
实施例编号
1#
2#
3#
大理石
30
25
26
碳酸锶
8
10
5
萤石
20
21
18
锆英砂
3
4
3
金红石
5
4
5
钛铁
3
3.5
4
磁铁矿
3.5
5
8
金属锰
5
4
5.5
金属铬
4
4
5
金属镍
7
8
6
金属钼
2
3
2
铜粉
2
2
2.5
钒铁
1
1.5
2
氮化铬铁
4
5.5
5
石墨
0.5
0.5
1
纯碱
1
0.3
0.5
海藻
1
0.7
0.5
焊接工艺性能评价
良好
一般
良好
表2：熔敷金属的力学性能
表3：熔敷金属的化学成分
由表1、表2、表3可以看出，本发明提供的这种全位置焊接的超低温高锰钢用电弧焊焊条熔敷金属和焊接接头综合性能：抗拉强度≥700MPa；屈服强度≥500MPa；伸长率≥30％；-196℃条件下，Akv≥80J，冲击功(Akv)进行了三次测试，上述数据可知全位置焊接工艺性能优良，能完全满足超低温高锰钢力学性能要求和焊接位置使用要求。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。