CN101125397A - 一种节镍型奥氏体不锈钢焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接领域，特别涉及一种节镍型奥氏体不锈钢焊丝。该焊丝的化学组成成分(重量％)为C≤0.03％，Si0.35～1.00％，Mn1.0～2.8％，S≤0.015％，P≤0.030％，Cr19.0～22.0％，Ni7.0～8.9％，N0.02～0.20％，Ce0.005～0.10％，余为Fe。本发明与现有技术相比具有优点。本发明与现有技术相比具有低成本，同时所形成的熔敷金属综合性能优良的优点。上述优点具体如下：降低焊丝中贵金属镍的含量，降低焊丝成本，焊丝中镍含量降低了2％；熔敷金属的强度提高了约150MPa，并且低温冲击功提高了30J以上。

Description

一种节镍型奥氏体不锈钢焊丝

技术领域

本发明属于焊接领域，特别涉及一种节镍型奥氏体不锈钢焊丝。

技术背景

在现有技术中，为了提高铁路货车的使用寿命，降低运行成本，近年来人们采用铁素体不锈钢来代替高强度耐候钢制造铁路货车的车体。这是一种经济型不锈钢，主要化学成分为：碳≤0.02％；硅≤1.00；Mn≤1.50；铬12％；镍0.3～1.0％，它的强度与高强度耐候钢相当，具有优良的耐腐蚀性能，在大气环境条件下，腐蚀失重率不及高强度耐候钢的1/10。

与上述经济型不锈钢板配套使用的焊丝选用原则是：由焊丝形成的焊缝金属应与钢板母材的强度相当；具有良好的韧性以承受车体运行时的动载；具有不低于母材的耐大气腐蚀性能，此外还应有良好的施焊工艺性能。在各类不锈钢焊接材料中，奥氏体不锈钢焊缝金属以其良好的综合性能，而被选作为焊接此类铁素体不锈钢的填充金属。为了降低货车的造价，目前应用于经济型不锈钢车体的焊接材料，是合金含量最低的奥氏体不锈钢焊丝ER308LSi(美国焊接学会标准AWS A5.9-93)，但其中镍、铬含量仍大大高于母材，焊丝的成分范围见表1。

表1ER308LSi焊丝化学成分(wt％)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu
									≤0.03	0.65～1.0	1.0～2.5	≤0.03	≤0.03	19.5～22.0	9.0～11.0	≤0.75	≤0.75

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本，同时所形成的熔敷金属综合性能优良的节镍型奥氏体不锈钢焊丝。

根据上述目的，本发明技术方案为：将氮作为合金元素加入代替贵金属镍；2、在焊丝中加入了稀土元素铈，使焊缝金属的力学性能明显提高。

上述本发明技术方案的工作原理为：

由于ER308L焊丝采用超低碳(小于0.03％)降低了碳化物晶间析出的可能性，从而无需稳定化元素Nb和Ti，就能够显著降低奥氏体不锈钢的晶间腐蚀敏感性。然而，碳在奥氏体不锈钢中不仅是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区的元素，而且是一种间隙元素，具有显著的固溶强化作用。因此，碳含量的降低会明显降低奥氏体不锈钢的强度，为弥补降碳引起的强度不足，氮在不锈钢中的作用开始为人们所重视。

众所周知，Ni是奥氏体不锈钢中的主要合金元素，其主要作用是形成并稳定奥氏体，使钢获得完全奥氏体的组织，从而使钢具有良好的强度、塑性、韧性和优良的冷、热加工等性能；同时提高奥氏体不锈钢的热力学稳定性，使之不仅比相同铬、钼含量的鉄素体、马氏体等类不锈钢具有更好的不锈性和耐氧化性介质的性能，而且由于表面膜稳定性的提高，从而使钢还具有更加优异的耐一些还原性介质的性能。但是，不锈钢需求的快速增长导致了镍资源的严重紧缺。

近年来人们对节镍或无镍的奥氏体不锈钢研究的深入，为开展新型奥氏体焊材的研制带来了新的启发。节镍或无镍的奥氏体不锈钢是指Mn、N代Ni的奥氏体不锈钢，是近年来随着冶金技术的进步而受到广泛关注的一个新的材料发展方向。然而由于Mn是比较弱的奥氏体形成元素，其代镍的作用远远不及氮强烈，而且焊接冶金过程又限制了Mn的加入，故焊丝中不能够象母材那样能够具有较高的锰含量。焊丝中加入一定量的Mn主要是为了脱氧、脱硫及提高焊缝的抗热裂能力，故焊丝中一般只加入2％左右的Mn。这样在新型不锈钢焊丝的研制中用取之不尽价格低廉的氮代镍便成为新型焊丝成分设计的主导思想。

从二十世纪二十年代开始，人们发现在不锈钢中氮可以提高强度，后来又陆续发现其对钢的耐蚀性能有有益的影响。但氮作为合金化元素使用的最早报道是在1938年。阻碍氮作为合金元素广泛使用的主要因素首先是氮的加入问题。在大气压强下氮溶解度非常低，加入非常困难。由于加入量很小，因此其对钢的有利作用不明显。此外，在某些合金钢中，氮在冲击韧性、塑性等方面存在不利影响，进一步阻碍了人们对氮的应用的重视。到六十年代，由于AOD炉外精炼技术的工业应用，使得氮的加入和控制问题得到了一定程度的解决。对含氮不锈钢的进一步研究使得氮在不锈钢中的有益作用越来越多地为人们所认识。当时，研究者已经认识到，氮在显著提高不锈钢的力学性能的同时，还提高钢的耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀性能如耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。但是，受冶炼条件等因素的限制，当时氮在不锈钢中的溶解度仍然处于较低的水平。随着加压冶金技术的发展，氮可以以较大含量固溶于钢中，并因此对钢的性能带来了更大的影响，氮在钢中的作用再次被人们所广泛关注。

近期研究表明N已经成为奥氏体不锈钢中重要的合金元素。具体来讲，氮对不锈钢性能的影响主要表现在以下三个方面：

1)N对组织的影响

N是非常强烈地形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区的元素，其形成奥氏体的能力与碳相当，约为镍的30倍，在Delong图中镍当量的计算公式就包括了氮的作用：

Ni_当量＝％Ni+30×％C+30×％N+0.5×％Mn

N在奥氏体不锈钢中可以代替部分Ni，降低钢中的铁素体含量，可以使奥氏体更稳定，防止有害金属间相的析出，甚至在冷加工条件下可避免出现马氏体转变。

2)N对力学性能的影响

N作为间隙元素固溶强化作用很强，在奥氏体不锈钢中，每加入0.10％的N，其室温强度(σ_0.2，σ_b)提高约60～100Mpa，见图1～2。N对不锈钢力学性能的影响，突出表现为：在显著提高不锈钢强度的同时，并不降低材料的塑韧性，这为研究高强高韧钢提供了重要途径。此外，N也提高不锈钢的抗蠕变、疲劳、磨损以及低温性能等。

3)N对耐腐蚀性能的影响

N对奥氏体不锈钢耐蚀性的影响随钢的化学成分、钢中的氮含量及介质环境而异。在一些酸介质中，氮提高奥氏体不锈钢的耐一般腐蚀性能；适量氮还提高敏化态奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀性能；在氯化物环境中，氮提高奥氏体不锈钢耐点蚀和缝隙腐蚀的性能。N对不锈钢耐点腐蚀、缝隙腐蚀性能的影响，也可由点蚀当量公式反映出：

PRE＝％Cr+3.3％Mo+16％N

Grabke报道了氮对临界点蚀温度(CPT)和临界缝隙腐蚀温度(CCT)的影响：

CPT(℃)＝2.5％Cr+7.6％Mo+31.9％N-41

CCT(℃)＝3.2％Cr+7.6％Mo+10.5％N-81

适量氮可提高奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀和晶间应力腐蚀的性能主要是由于氮降低铬在钢中的活性。氮作为表面活性元素优先沿晶界偏聚，抑制并延缓Cr₂₃C₆的析出，降低晶界处铬的贫化度，改善表面膜的性能。氮提高奥氏体不锈钢耐点蚀和缝隙腐蚀的性能可能与氮在界面富集，使表面膜中富铬，提高钢的钝化能力及钝态稳定性有关。同时，氮还可以形成NH4+，抑制微区溶液PH值得下降；氮也会形成NO3-，有利于钢的钝化和再钝化，这也许是氮改善奥氏体不锈钢耐点蚀及缝隙腐蚀性能的原因之一。

本发明的另一个关键技术是在焊丝中加入了稀土元素铈。由于焊丝应用于熔化极气体保护焊工艺，必须具有良好的工艺施焊性能，为此传统焊丝中加入了一定量的硅元素来改善工艺性能。但是硅元素使得焊缝金属的力学性能下降，尤其对韧性影响明显，为此本发明在焊丝中加入少量的稀土元素铈。稀土元素能很好地脱氧脱硫，减少钢中的夹杂物，抑制脆化元素向晶界偏聚，净化焊缝，同时还具有细化晶粒，改变碳化物分布形式作用。此外稀土元素铈在焊接电弧高温作用下，最外层的两个电子极易失去，有利于电弧燃烧稳定，并能改善液态金属的流动性，。所以在焊丝中加入铈元素，不仅改善了工艺性能，而且使焊缝金属韧性明显提高。

综上所述，在不锈钢熔化极气体保护焊丝的研制中，采用超低碳，以N代替部分镍Ni，并在焊丝中加入稀土元素铈，取得了良好的效果。

本发明新型焊丝正是以上述理论为依据，用取之不尽的氮代替镍，制成新型的奥氏体不锈钢焊丝。

根据上述目的和工作原理，本发明具体技术方案为：

该焊丝的化学组成成分(重量％)为：C≤0.03％，Si 0.35～1.00％，Mn1.0～2.8％，S≤0.015％，P≤0.030％，Cr 19.0～22.0％，Ni 7.0～8.9％，N 0.02～0.20％，Ce 0.005～0.10％，余为Fe。

本发明采用与现有技术相似的制备方法：

采用50kg真空感应炉冶炼焊丝钢，通过炉料中氮化铬来加入合金元素氮。钢锭经锻造、轧制、拉拔，加工成直径1.2mm的气体保护焊丝。熔敷金属焊接时，焊接保护气体为Ar+2.5％CO₂，流量18～20L/min；304L不锈钢焊接试板厚20mm，坡口角度45°下间距12mm，下垫衬板厚度10mm；直流反接电源，电流240～260A；电压29～30V；焊接线能量约13～17KJ/cm；层间温度≤150℃。

本发明与现有技术相比具有低成本，同时所形成的熔敷金属综合性能优良的优点。上述优点具体如下：降低焊丝中贵金属镍的含量，降低焊丝成本，焊丝中镍含量降低了2％；熔敷金属的强度提高了约150MPa，并且低温冲击功提高了30J以上。

附图说明

图1为合金元素对奥氏体固溶强化的影响。

图2为氮含量对强度的影响。

具体实施方式

采用50kg真空感应炉冶炼焊丝钢，通过炉料中氮化铬来加入合金元素氮。钢锭经锻造、轧制、拉拔，加工成直径1.2mm的气体保护焊丝。熔敷金属焊接时，焊接保护气体为Ar+2.5％CO₂，流量18L/min；304L不锈钢焊接试板厚20mm，坡口角度45°下间距12mm，下垫衬板厚度10mm；直流反接电源，电流240～250A；电压29～30V；焊接线能量约13～157KJ/cm；层间温度≤150℃。

表1为母材不锈钢的组成成分表，表2为焊丝实施例成分对比表，表3为实施例焊丝熔敷金属力学性能对比表。为了对比方便，将现有技术对比例相关数据同时列入上述表中；上述列表中，1-4#为本发明实施例，5#为现有技术ER308LSi焊丝对比例。

表1母材不锈钢组成成分表(重量％)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	V	Ti
									0.012	0.51	1.09	0.021	0.0045	12.40	0.73	0.034	0.010

表2本发明实施例与现有技术焊丝成分对比表(重量t％)

编号		C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	N	Ce	余
												本发明	1#	0.030	0.65	1.40	0.013	0.015	21.50	7.30	0.14	0.006	Fe
2#	0.030	0.65	2.45	0.012	0.015	20.50	7.90	0.08	0.012	Fe
											3#		0.025	0.45	1.80	0.010	0.015	19.00	7.95	0.03	0.05	Fe
4#	0.021	0.78	2.70	0.014	0.020	20.10	8.80	0.20	0.10	Fe
											现有技术对比例5#		0.03	0.78	1.80	0.014	0.025	19.93	10.02	/	/	Fe

在焊缝金属中，平行于焊缝方向取拉伸试样、垂直于焊缝方向取冲击试样，四种试验焊丝的熔敷金属力学性能见表3。

表3本发明实施例焊丝与现有技术对比例焊丝的熔敷金属力学性能对比表

编号		屈服强度Rp0.2/MPa	抗拉强度Rm/MPa	断后伸长率A/％	断面收缩率Z/％	-40℃V型冲击吸收功Akv/J
							本发明	1#	530	710	37.0	55.0	99/100/108，平均106
2#	520	705	37.5	54.0	100/111/100，平均104
						3#		540	715	38.5	53.0	110/120/95，平均118
4#	535	710	38.0	53.0	105/130/95，平均110
						现有技术对比例5#		365	560	45.0	60.4	72/76/79，平均76

由于氮的强化作用，本发明焊丝与合金含量相当的传统焊丝ER308LSi相比，熔敷金属的强度提高了约150MPa，并且低温冲击功提高了30J以上，表明本发明焊丝的熔敷金属的综合性能优良。

Claims (1)

1.一种节镍型奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于该焊丝的化学组成成分(重量％)为C≤0.03％，Si 0.35～1.00％，Mn 1.0～2.8％，S≤0.015％，P≤0.030％，Cr 19.0～22.0％，Ni 7.0～8.9％，N 0.02～0.20％，Ce 0.005～0.10％，余为Fe。

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