一种含稀土钛铁矿型焊条及其制备方法与流程

1.本发明涉及焊接领域，尤其涉及一种含稀土钛铁矿型焊条及其制备方法。


背景技术：

2.焊接技术的发展基本上是焊接材料和焊接方法的发展，相辅相成，互相促进，又互相制约。随着国民经济的高速发展，中国电焊条产量也快速增长，普通产品价格较低、质量较稳定、市场的竞争激烈，大体上能满足经济建设及各行业工程建设及焊接需要，但是少数高端产品依旧需要进口。
3.目前我国常用的j422焊条，是强度等级为420mpa的低碳钢焊条，其焊缝金属塑性、韧性良好，焊接性能优良，目前是国内使用最广泛的一种焊条。近年来，碳钢焊条国标的不断更新因而对j422产品的技术指标越来越高，其明显的标志是焊缝金属的力学性能a
kv
(j)冲击值、焊接接头的冷弯指标和抗裂性全方位的焊接工艺性能，特别是t型接头角焊的成型的焊接尺寸以及对直径dz2小规格焊条的再引弧性能的很高，要求通常要10秒。此外，虽然j422焊条交、直流焊机均可使用，但使用直流或逆变容易发生偏弧现象，电流选择不当容易产生夹渣、未焊透等缺陷，一般用于普通钢铁类结构焊接，对强度无特别要求，尤其冲击韧度较差。因此，如何使j422产品的焊接工艺性能，焊缝金属的力学性能和其它的综合性能得到提高，是摆在广大研究人员面前的紧迫任务。


技术实现要素：

4.为克服现有j422焊条存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种可改善引弧效果，并提高焊接综合性能的含稀土钛铁矿型焊条及其制备方法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种含稀土钛铁矿型焊条，包括焊芯和包裹焊芯的药皮涂层，所述药皮涂层包括以下重量百分比的原料：人造金红石：12％～15％，钛白粉：10％～15％，还原钛铁矿：20％～30％，中碳锰铁：4％～5％，长石：8％～10％，云母：5％～8％，大理石：5％～7％，海泡石：4％～6％，木粉：3％～4％，氧化镧：6％～8％，氧化铈：2％～4％。
7.进一步的是，所述焊芯采用h08a，其化学成分的重量百分比为：c：0.10％、si：0.03％、mn：0.35％～0.60％、cr：0.20％、ni：0.30％、s≤0.03％、p≤0.03％。
8.进一步的是，还包括粘结剂，所述粘结剂为水玻璃，水玻璃的加入量为原料总重量的10～15％，模数为2.2～2.6。
9.进一步的是，所述人造金红石中tio2的含量≥87％，粒度不大于80目；钛白粉中tio2的含量≥93％，粒度不大于120目；还原钛铁矿中tio2的含量≥55％，粒度不大于80目。
10.进一步的是，所述中碳锰铁中mn的含量为78％～85％，c的含量为1％～1.5％，粒度不大于80目。
11.进一步的是，所述长石中sio2的含量为60％～70％，al2o3的含量为18％～23％，粒度不大于80目；所述云母中sio2的含量为52％～62％，al2o3的含量为18％～22％，粒度不大
于80目。
12.进一步的是，所述大理石中cao的含量为30％～31％、mgo的含量为21.5％～22.5，粒度不大于80目。
13.进一步的是，所述海泡石中sio2的含量为50～65％，mgo的含量为12～24％，粒度不大于80目。
14.进一步的是，所述氧化镧和氧化铈的纯度≥99.99％，粒度不大于10目。
15.对于上述含稀土钛铁矿型焊条的制备方法，包括以下步骤：
16.a、将焊芯用砂纸打磨去锈，校直，备用；
17.b、按药皮涂层的组分将各原料称出并混在一起，搅拌充分；
18.c、往原料中逐渐加入水玻璃，并轻轻搅拌直至原料形成面团状；
19.d、将混好的湿粉沿着焊芯一点一点的捏上去，然后在玻璃上轻轻滚动，使药皮均匀，焊条的一端留出20mm的无药皮端作为夹持端，非夹持端留出焊芯；
20.e、搓好的焊条经24小时晾干，然后再放入烘箱内在180℃～220℃的温度下烘烤2小时。
21.本发明的有益效果是：焊条药皮涂层中的主要成份为还原钛铁矿、人造金红石及钛白粉，通过适量添加稀土氧化物来改善引弧效果，促使焊缝中的非金属夹杂物弥散分布，减小焊缝奥氏体晶粒尺寸，并使奥氏体晶粒均匀化，提高焊缝的抗拉强度及冲击韧度，从而提高焊接接头的综合性能。
附图说明
22.图1是本发明的焊条xrd结果分析图。
23.图2是本发明最高衍射峰偏移值图。
具体实施方式
24.下面结合实施例对本发明进一步说明。
25.本发明所提供的一种含稀土钛铁矿型焊条，包括焊芯和包裹焊芯的药皮涂层，所述药皮涂层包括以下重量百分比的原料：人造金红石：12％～15％，钛白粉：10％～15％，还原钛铁矿：20％～30％，中碳锰铁：4％～5％，长石：8％～10％，云母：5％～8％，大理石：5％～7％，海泡石：4％～6％，木粉：3％～4％，氧化镧：6％～8％，氧化铈：2％～4％。
26.相比传统的j422焊条，本技术采用了还原钛铁矿作为主要成份，还原钛铁矿既能作为促进焊条引弧、保证电弧燃烧稳定性的稳弧剂，又可作为保护溶池，隔绝大气不良影响，让焊缝冷却速度迟缓，改善焊缝成型的造渣剂。同时，通过适量添加稀土氧化物可进一步改善引弧效果，促使焊缝中的非金属夹杂物弥散分布，减小焊缝奥氏体晶粒尺寸，并使奥氏体晶粒均匀化，提高焊缝的抗拉强度及冲击韧度，从而提高焊接接头的综合性能。
27.对于还原钛铁矿的制备过程，本技术采用的是，先将钛铁矿进行筛分后，加入复合添加剂(即分析纯氯化钠和四硼酸钠)和粘结剂(即工业纯硅酸钠)进行再磨、润磨后，并按照合适的造球工艺参数制备成复合球团，球团经预氧化后，配加适量的焦炭装填于管式炉中进行还原，还原产物经惰性气体冷却，分离还原球团和残炭、灰份，还原球团经破碎至相应颗粒制得焊条用还原钛铁矿。具体包括以下步骤：
28.1、复合球团的制备钛铁矿经过筛分，选取40目矿进行再磨，粒度磨至小于140目的占60％-80％，配加5％的复合添加剂通过润磨10min后，然后加6-10％水和5％的粘结剂进行造球，取直径为8-10mm球团自然风干。复合球团配料工艺参数：粘结剂用量占钛铁矿的1-5％，复合添加剂用量占钛铁矿的1-5％。
29.2、复合球团的预氧化焙烧。钛精矿在850℃温度下氧化焙烧30min。
30.3、复合球团干燥固结。将造好的球团在150℃下烘干2h。
31.4、复合球团碳热还原。复合球团的碳热还原在电加热管式炉中进行，设备工作温度为室温～1400℃。还原时间为240min，采用氮气作为保护气氛，通过接触式热偶自动控温
6.。
32.5、还原产物的冷却。还原过程结束后需对还原产物进行保护冷却，通过向管式炉中通入惰性气体进行保护。
33.本技术的焊条还具有以下一些优选方案：
34.对于焊芯，与现有焊条类似，所述焊芯采用h08a，其化学成分的重量百分比为：c：0.10％、si：0.03％、mn：0.35％～0.60％、cr：0.20％、ni：0.30％、s≤0.03％、p≤0.03％。
35.在焊条的制备过程中需要粘结剂来混合原料，因此，还包括粘结剂，所述粘结剂优选水玻璃，为了保证良好的稳固效果，水玻璃的加入量为原料总重量的10～15％，模数为2.2～2.6。
36.对于人造金红石、钛白粉和还原钛铁，主要是为了提供tio2，为了保证原料中tio2的含量，所述人造金红石中tio2的含量≥87％，粒度不大于80目；钛白粉中tio2的含量≥93％，粒度不大于120目；还原钛铁矿中tio2的含量≥55％，粒度不大于80目。
37.对于碳锰铁，主要是提供mn元素，为保证焊条质量和焊接效果，所述中碳锰铁中mn的含量为78％～85％，c的含量为1％～1.5％，粒度不大于80目。
38.对于长石和云母，主要提供sio2和al2o3，为保证元素含量要求和粉末粒度要求，所述长石中sio2的含量为60％～70％，al2o3的含量为18％～23％，粒度不大于80目；所述云母中sio2的含量为52％～62％，al2o3的含量为18％～22％，粒度不大于80目。
39.对于大理石，用于提供cao和mgo，对于海泡石，主要用于提供mgo，同样，为了保证元素含量要求和粉末粒度要求，所述大理石中cao的含量为30％～31％、mgo的含量为21.5％～22.5，粒度不大于80目，所述海泡石中sio2的含量为50～65％，mgo的含量为12～24％，粒度不大于80目。
40.对于稀土元素，其优选方案是所述氧化镧和氧化铈的纯度≥99.99％，粒度不大于10目。
41.对于上述含稀土钛铁矿型焊条的制备方法，包括以下步骤：
42.a、将焊芯用砂纸打磨去锈，校直，备用；
43.b、按药皮涂层的组分将各原料称出并混在一起，搅拌充分；
44.c、往原料中逐渐加入水玻璃，并轻轻搅拌直至原料形成面团状；
45.d、将混好的湿粉沿着焊芯一点一点的捏上去，然后在玻璃上轻轻滚动，使药皮均匀，焊条的一端留出20mm的无药皮端作为夹持端，非夹持端留出焊芯；
46.e、搓好的焊条经24小时晾干，然后再放入烘箱内在180℃～220℃的温度下烘烤2小时。
47.上述制备方法为实验室人工制备方法，当然也可以在专用焊条生产设备上操作。对于上述制备方法，有以下更具体的方案：
48.在焊芯制备过程中，将焊丝校直后，先按照要求切段，然后用打磨用砂纸打磨焊芯表面至光亮，去除氧化物、锈垢等物质，最后用天平称出该焊芯的重量。在对原料进行干混时，将称出的各种原料放入钵体，用研钵将各种粉料搅拌均匀至颜色一致，没有块状、粒状存在，这一步影响到搓制时的难易程度。在对原料进行湿混时，慢慢地加入适量水玻璃，等待粉料浸润，然后用手尽量和匀，到全部润湿后，水玻璃要一滴一滴的添加，直到进行到能够捏成面团，然后进行捏制，水玻璃挥发性强，应尽快进行焊条搓制，否则粉料干掉后就失败。
49.下面通过具体实施例对本发明进一步说明。
50.实施例一：
51.焊芯采用h08a，药皮的重量百分比按下表1所示，制作9根焊条：
52.表1 具体实验配方设计(wt.％)
[0053][0054]
焊条制备时，将φ3.2h08a焊芯用砂纸打磨去锈，校直，备用。将上述称量的各种药粉混在一起，搅拌充分，不得有块状、粒状存在。逐渐加入适量水玻璃，轻轻进行搅拌直至可以形成“面团”状。将湿混好的湿粉沿着焊芯一点一点的捏上去，注意用力均匀，捏制好之后在玻璃上轻轻滚动，使药皮均匀，焊条的一端留出20mm左右的无药皮端，非夹持端留出焊芯，不要形成包头。搓好的焊条经24小时晾干，然后再放入烘箱内180℃～220℃烘干2小时。
[0055]
9根焊条质量前后对比如表2所示。
[0056]
表2 焊条烘干前后质量对比
[0057][0058]
采用zx7-255l逆变直流焊机，用上述焊条分别对两块钢板进行焊接，然后对焊缝的金相组织进行检测分析。
[0059]
首先是进行xrd结果分析，得到的图谱如图1所示，由图中可以看出，所有的图谱都出现了确定物相所需要的三强峰。根据结果可分析出，a1、a2、a5、a6、a7和a9是以al
0.5
fe3si
0.5
为主要物相，其次再是ni-cr-fe、al
0.7
fe3si
0.3
物相。其余的a1、a3、a4和a8是以al
0.7
fe3si
0.3
为主要物相，其次再是ni-cr-fe、al
0.5
fe3si
0.5
物相。如此便知道了，所添加的稀土元素并未和其他元素形成各类化合物融入焊缝中起作用，那便只能推测稀土元素在焊缝中的作用要么是融入晶格中起各种晶粒强化的作用，要么是起到促进脱渣、脱硫等排除焊缝中的杂质而起强化作用。其中这些物相存在的差距为，最强峰略有左右偏移。除了成分，晶格的形态也对接头性能有着很大的影响。可以通过分析xrd峰值的偏向来判断晶格常数。xrd峰值左偏表示偏移角度变小，晶格常数变大，通常是掺入了比主体原子半径大的杂原子；峰值右偏表示偏移角度变大，晶格常数变小，则在很大程度上是掺入了比主体原子小的离子。如果不是所有峰都发生位移而只是少数或个别高角度衍射峰发生位移，则不是不太会是掺入原子导致的，很可能是存在宏观残余应力导致晶格畸变，晶格常数发生变化。宏观残余应力可能引起晶格各向异性收缩，对某些衍射为压应力时衍射峰向高角度发生位移，反之为拉应力时衍射峰向低角度发生位移。xrd峰值向右偏移通常是指向高角度偏移，意味着晶格常数变小。
[0060]
如表3所示，这是比较最高峰的2theta数据与峰值。可以看出有很多都有不同程度的偏移，但都是全部小范围程度的偏移，具体见图2，因此可以排除的是由于宏观应力而引起的偏移。其他配方与添加有稀土元素的a3基础配方相比较，最高峰的角度都有不同程度的向右偏移，可以推断的是当含钛元素的含量增加或者减少时，晶格常数会变小，这也会导致一定程度的畸变，产生晶格畸变能，而产生一定的强化作用。具体来看a1、a5、a6、a7和a9的2theta的值向右偏移最大，也就是晶格畸变最大，a2、a4、a8次之。
[0061]
表3 最高衍射峰及其角度
[0062][0063]
对焊缝进行拉伸试验，得到各焊缝的抗拉强度如表4所示。
[0064]
表4 焊缝抗拉强度
[0065][0066]
对焊缝进行冲击韧性测试，结果如表5所示。
[0067]
表5 冲击吸收功
[0068][0069]
通过上述分析，可得到以下主要结果：
[0070]
1、本技术采用还原钛铁矿含量在20％～30％既能作为促进焊条引弧、保证电弧燃烧稳定性的稳弧剂，又可作为保护溶池，成为改善焊缝成型的造渣剂。稀土氧化物氧化镧和氧化铈总含量添加为10％，可进一步改善引弧效果，促使焊缝中的非金属夹杂物弥散分布，减小焊缝奥氏体晶粒尺寸，并使奥氏体晶粒均匀化，提高焊缝的抗拉强度及冲击韧度，提高焊接接头的综合性能。
[0071]
2、焊接接头的拉伸强度比传统的j422有所提高，且随还原钛铁矿含量的增加有所下降，随钛白粉的含量增加而升高；
[0072]
3、焊接接头冲击韧性最低为62.13j，最高可达到76.72j，表明本发明的系列焊条具有良好的冲击韧性。