CN101954548A - 一种超低碳稀土不锈钢焊丝及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超低碳稀土不锈钢焊丝及其制造方法，按照设计的焊丝成分配料，利用真空电炉熔炼，对钢水进行脱硫、脱磷和去除有害杂质处理，使C＜0.5％，出钢温度T≥1650℃；利用AOD进行炉外精炼，净化钢水，使用真空吹氧技术脱碳，达到C＜0.01％，并进行中间包浇铸；采用水平连铸技术，对中间包钢水进一步精炼，铸坯出结晶器温度1300-1320℃；连轧，水平连铸钢坯经冷却在950℃开始进行次轧制；连拔，在930℃-1000℃进行保护气氛退火处理，获得成品焊丝。本发明超低碳含量使熔敷金属的耐晶间腐蚀能力提高，冷裂纹倾向减弱；镍和稀土等合金元素使熔敷金属同时具有高的抗拉强度和良好的塑韧性，显著优于同类标准焊接材料的性能。
Description
技术领域
本发明属于航空航天设备制造、高速列车、压力容器等高技术领域具有高强度、高韧性、抗晶间腐蚀的奥氏体不锈钢焊丝及其制造技术，特别是一种超低碳稀土不锈钢焊丝及其制造方法。
背景技术
奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，应用领域广泛。在奥氏体不锈钢焊接过程中，存在的主要问题是焊接接头晶间腐蚀、应力腐蚀裂纹、焊接接头热裂纹和焊接接头的力学性能匹配。晶间腐蚀是奥氏体不锈钢焊接接头很危险的破坏形式，主要出现在焊缝的3个部位，分别是焊缝晶间腐蚀、母材上敏化区晶间腐蚀和刀蚀。晶间腐蚀的发生与焊缝金属的碳含量有密切关系，碳含量越大，容易沉淀出铬碳化物Cr23C6，晶间腐蚀倾向越大，因此降低焊接材料的碳含量是有效防止焊缝晶间腐蚀的方法。
在充分考虑焊缝金属耐腐蚀的前提下，为了得到焊缝金属强度和母材强度相近的焊丝材料，需要对焊缝金属添加必要的合金元素进行成分补偿，目的在于得到焊缝处金属与母材成分和性能更接近的效果。通常使用的不锈钢焊丝焊接后焊缝处金属冷裂纹敏感性会有所增大，在施焊工艺中需要采取预热等补救方式，使工作时的工况条件变得恶化和复杂。由于碳元素是产生冷裂纹敏感的元素，碳含量较高时，焊缝快速冷却形成的孪晶马氏体硬度高，性能很脆，对裂纹和氢脆的敏感性很强。因此，普通碳含量的焊丝进行焊接时，很难获得焊缝金属和母材性能相匹配的结果。尤其是焊接不需预热，焊缝熔敷金属具有高强度、高韧性和强的耐晶间腐蚀性的焊丝材料，对低碳含量有很高的要求。
目前，国内的超低碳奥氏体不锈钢焊接材料，如，H00Cr21Ni10、H0Cr19Ni12Mo2等焊丝含碳量实物水平为0.03％左右，而国外名牌产品实物水平为0.01～0.02％。中国专利200710025258.7公开的一种奥氏体不锈钢焊丝，其碳含量在0.03％左右，其焊丝合金成分不含稀土元素和微量元素。中国专利92102650.1公开的一种超低碳奥氏体不锈钢焊条，其碳含量在0.03％左右，焊丝合金不含稀土元素和微量元素。现有不锈钢焊丝在碳含量上仍不能满足焊缝熔敷金属超低碳的需求，在保证低碳的同时提高力学性能是需要耐腐蚀焊丝的又一突出问题。现有焊丝成分设计对于超低碳和具有良好合金化的焊接金属仍不能满足要求。
对于超低碳高合金含量的焊丝制造，一般采用冶炼、铸造、轧制和拉拔等几个步骤进行。超低碳含量和高合金含量对冶炼和铸造技术提出了更高要求。中国专利200710025258.7提及的焊丝采用供方提供的铸坯经轧制和拉拔制造成品焊丝。中国专利200810040897.5中超低碳焊丝采用铸锭、锻造、轧制和连续拉拔方式生产，与通常生产方式相同，焊丝合金元素含量与奥氏体不锈钢相比更低。目前，一般超低碳焊丝的生产采用供方铸坯进行轧制或采用配料、铸锭、锻造、轧制和拉拔方式。尚未有超低碳高合金含量的焊丝材料水平连铸连轧连拔工艺进行生产。水平连铸高合金钢具有铸坯质量高、流程短、安全可靠性好和建设投资低等优点，但水平连铸连轧连拔生产超低碳高合金含量的焊丝材料，对原料的冶炼、中间包钢水保护和除杂、水平连铸铸坯质量控制有更高要求。因为高合金含量钢水的水平连铸，铸坯容易发生成分偏析，组织疏松、裂纹等缺陷。在保证产品质量的前提下，应用短流程、水平连铸连轧连拔制造超低碳高合金含量奥氏体不锈钢焊丝，现有技术水平难以实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低碳稀土不锈钢焊丝及其制造方法，运用这种焊丝材料和制造工艺可以获得具有优异的抗晶间腐蚀、焊缝熔敷金属冷裂纹敏感小、焊缝金属与母材性能接近的超低碳含微量元素与稀土的焊丝材料。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种超低碳稀土不锈钢焊丝，采用Fe-Ni-Cr合金系统，将以下化学成分的原料进行熔炼、水平连铸、连轧、连拔而成：
C：0.005-0.015％、Si：0.3-1.2％、Mn：0.45-1.20％、P：≤0.02％、S：≤0.020％、Cr：18.50-19.50％、Ni：11.50-13.50、N：＜0.045％、Cu：＜0.40％、Nb：0.1-0.2％、RE：0.03-0.06％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素，化学成分的单位为wt％。
一种制备上述的超低碳稀土不锈钢焊丝的方法，步骤如下：
(1)按照设计的焊丝成分配料，利用真空电炉熔炼，对钢水进行脱硫、脱磷和去除有害杂质处理，使C＜0.5％，出钢温度T≥1650℃，设计的焊丝成分为：
C：0.005-0.015％、Si：0.3-1.2％、Mn：0.45-1.20％、P：≤0.02％、S：≤0.020％、Cr：18.50-19.50％、Ni：11.50-13.50、N：＜0.045％、Cu：＜0.40％、Nb：0.1-0.2％、RE：0.03-0.06％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素，化学成分的单位为wt％；
(2)利用AOD进行炉外精炼，净化钢水，使用真空吹氧技术脱碳，达到C＜0.01％，并进行中间包浇铸；
(3)采用水平连铸技术，对中间包钢水进一步精炼，采用电磁驱动离心流动中间包，净化钢水，消除气孔，并氮气流加热防氧化，利用高温快速光纤比色测温技术测定钢水温度，铸坯出结晶器温度1300-1320℃；
(4)连轧，水平连铸钢坯经冷却在950℃开始进行次轧制；
(5)连拔，在930℃-1000℃进行保护气氛退火处理，进行拉拔—退火—拉拔循环工艺，获得成品焊丝。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)超低碳含量使熔敷金属的耐晶间腐蚀能力提高，冷裂纹倾向减弱；镍和稀土等合金元素使熔敷金属同时具有高的抗拉强度和良好的塑韧性，显著优于同类标准焊接材料的性能。(2)焊丝材料成分体系可以广泛应用于奥氏体不锈钢、铁素体+奥氏体双相不锈钢和马氏体+铁素体双相钢等钢种的焊接中，有效解决了铁素体类不锈钢抗拉强度和延伸率低的问题，提高了材料使用性能和寿命，有效的降低使用成本。(3)加入稀土元素起到脱氧、脱硫作用，减少并细化钢中夹杂物，提高钢的韧塑性，抑制晶界偏析等。稀土具有捕氢性，能使钢的氢致延迟断裂性能得以改善。溶解的稀土可改变渗碳体的组成和结构并使碳化物球化、细化和均匀分布。(4)焊丝材料与通常高强焊丝相比，由于成分设计合理，使焊缝金属的淬硬性显著降低，焊接高强度钢时可进一步降低预热温度或采用无预热焊接。(5)采用水平连铸连轧连拔工艺和技术制造焊丝，具有流程短，投资少，产品质量高等优点，与现有冶炼、锻造、轧制和拉拔工序分离相比，具有明显的技术和经济优势。
本发明与现有技术的E316，E317两种型号焊丝成分对比如表1所示。
表1
本发明与现有技术的E316，E317两种型号焊丝的力学性能对比如表2所示。
表2
本发明所提供的具有超低碳稀土不锈钢焊丝与现有焊丝材料设计技术相比，具有成分简单合理、使用方便，焊后焊缝耐晶间腐蚀能力强、焊缝金属冷裂纹敏感性小，焊缝金属与母材性能接近。焊丝熔敷金属的力学性能均能达到并满足奥氏体类不锈钢焊接接头的强度要求，且明显优于同类标准的焊丝性能。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
附图是本发明超低碳稀土不锈钢焊丝的制造方法流程图。
具体实施方式
本发明超低碳稀土不锈钢焊丝，采用Fe-Ni-Cr合金系统，将以下化学成分的原料进行熔炼、水平连铸、连轧、连拔而成：
C：0.005-0.015％、Si：0.3-1.2％、Mn：0.45-1.20％、P：≤0.02％、S：≤0.020％、Cr：18.50-19.50％、Ni：11.50-13.50、N：＜0.045％、Cu：＜0.40％、Nb：0.1-0.2％、RE：0.03-0.06％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素，化学成分的单位为wt％。
本发明提供的焊丝采用Fe-Ni-Cr合金系统，在降低碳含量的同时，通过调整其他合金元素来提高焊缝金属强度和耐腐蚀性，而且还能够降低焊缝金属产生冷裂纹的敏感性。在严格控制S、P元素含量的基础上，适当加入Cu、Nb、N等元素。主要影响元素的作用：
(1)碳(C)、铬(Cr)、镍(Ni)、硅(Si)、锰(Mn)
C：本发明所述焊丝的化学成分中保持超低C含量的水平，因为适量的C是熔敷金属的具有一定强度的保证，但是过高的C含量不但容易使C与Cr等元素形成碳化物，形成贫铬区降低熔敷金属耐晶间腐蚀性能，而且使延伸性能受到一定影响，同时过高的C含量会导致焊接冷裂纹倾向，因此本发明中焊丝材料的碳含量在0.005-0.015％范围。
Cr：一定的Cr含量能确保形成钝化膜，使熔敷金属具有一定的腐蚀性能，过低或过高的Cr含量均达不到熔敷金属的强度要求。
Ni：镍奥氏体稳定化元素，镍的钝化作用很强，与铬配合可明显提高耐蚀性。加入镍使奥氏体具有相对较低的屈服强度，较高的抗拉强度和良好的塑性，特别是良好的低温韧性。
Si：硅元素可在不锈钢表面形成氧化物保护膜，使不锈钢具有优异的耐高温、高浓度硝酸和硫酸腐蚀的性能；硅的加入有脱氧的效果，当硅以固溶态的形式存在时，可以提高基体的屈服强度，会提高材料的韧脆转变温度，同时可显著提高不锈钢的高温抗氧化性。
Mn：适当的Mn含量能使熔敷金属具有一定强度，同时Mn也具有在熔池过程中脱硫和脱氧的作用。
(2)铜(Cu)、铌(Nb)、氮(N)、稀土元素(RE)
Cu：铜有固溶强化、降低韧脆转变温度的作用。
Nb：微量元素铌作为不锈钢中强烈形成碳、氮化合物的稳定化元素，主要用于防止钢中铬与碳结合形成铬碳化合物而引起的铬的浓度降低导致耐晶间腐蚀性下降，同时铌在不锈钢中还有强化作用。所以在不锈钢中加入Nb含量0.10％-0.20％是必要的。
N：氮是非常强烈的形成并扩大奥氏体相区的元素，在奥氏体不锈钢中可以抑制碳化物析出，对钢的敏化态晶间腐蚀和韧性产生有利影响。由于溶解度受Cr和Mn的影响，应控制其含量。
RE：稀土元素起到脱氧、脱硫作用，减少并细化钢中夹杂物，提高钢的韧塑性，抑制晶界偏析等。稀土具有捕氢性，能使钢的氢致延迟断裂性能得以改善。溶解的稀土可改变渗碳体的组成和结构并使碳化物球化、细化和均匀分布。
结合附图，本发明超低碳稀土不锈钢焊丝的制造方法，依据上述设计的成分配料，利用真空电炉冶炼，得到的钢水进一步实行炉外真空吹氧精炼，净化后的钢水注入中间包进行水平连铸，经中间包精练和连铸结晶器电磁搅拌，得到的水平连铸坯经切割在一定温度下进行连续轧制，轧制获得的钢坯固溶处理后进行多道次连续拉拔—退火—拉拔工序得到成品焊丝，具体工艺步骤如下：
(1)按照设计的焊丝成分配料，利用真空电炉熔炼，对钢水进行脱硫、脱磷和去除有害杂质处理，使C＜0.5％，出钢温度T≥1650℃。
(2)利用AOD在1630℃-1680℃进行炉外精炼，净化钢水，使用真空吹氧技术脱碳，达到C＜0.01％，在1580℃-1600℃进行中间包浇铸。
(3)采用水平连铸技术，对中间包钢水进一步精炼，采用电磁驱动离心流动中间包，净化钢水，消除气孔，大幅减少裂纹和夹杂。氮气流加热防氧化，利用高温快速光纤比色测定钢水温度，控制钢水温度1585-1590℃。铸坯出结晶器温度1300℃-1320℃左右。
(4)连续轧制，水平连铸钢坯经冷却在950℃开始进行轧制。
(5)连续拉拔，在930℃-1000℃进行保护气氛退火处理，进行拉拔—退火—拉拔循环工艺，获得成品焊丝。
上述方法是本发明所述超低碳高合金含量不锈钢焊丝与一般制造方法的不同之处。由于不锈钢较高的合金含量，使水平连铸使用的钢水易发生成分偏析，同时会使铸坯出现夹杂、裂纹等缺陷，制造本发明所述合金铸坯对水平连铸工艺有很高要求，现有技术很难得到符合质量要求的焊丝成品。本发明运用水平连铸生产出高质量的铸坯供后序轧制使用。
实施例1 结合附图，本发明超低碳稀土不锈钢焊丝的制造方法，步骤如下：
(1)按照设计的焊丝成分配料，利用真空电炉熔炼，对钢水进行脱硫、脱磷和去除有害杂质处理，使C＜0.5％，出钢温度T≥1650℃。
设计焊丝的化学成分如表3所示。
表3
(2)利用AOD在1630℃进行炉外精炼，净化钢水，使用真空吹氧技术脱碳，达到C＜0.01％，在1580℃进行中间包浇铸。
(3)采用水平连铸技术，对中间包钢水进一步精炼，采用电磁驱动离心流动中间包，净化钢水，消除气孔，减少裂纹和夹杂。利用氮气流加热防氧化，利用高温快速光纤比色测温技术测定钢水温度，控制钢水温度1585-1590℃。铸坯出结晶器温度在1300℃。
(4)连续轧制，水平连铸钢坯经冷却在950℃开始进行10道次轧制。
(5)连续拉拔，在930℃-950℃进行保护气氛退火处理，进行拉拔—退火—拉拔2次以上循环工艺，获得成品焊丝。
通过上述工艺制造的不锈钢焊丝力学性能如表4所示。
表4
实施例2 结合附图，本发明超低碳稀土不锈钢焊丝的制造方法，步骤如下：
(1)按照设计的焊丝成分配料，利用真空电炉熔炼，对钢水进行脱硫、脱磷和去除有害杂质处理，使C＜0.5％，出钢温度T≥1650℃。
设计焊丝的化学成分如表5所示。
表5
(2)利用AOD在1680℃进行炉外精炼，净化钢水，便用真空吹氧技术脱碳，达到C＜0.01％，在1600℃进行中间包浇铸。
(3)采用水平连铸技术，对中间包钢水进一步精炼，采用电磁驱动离心流动中间包，净化钢水，消除气孔，减少裂纹和夹杂。利用氮气流加热防氧化，利用高温快速光纤比色测温技术测定钢水温度，控制钢水温度1585-1590℃。铸坯出结晶器温度在1320℃。
(4)连续轧制，水平连铸钢坯经冷却在950℃开始进行12道次轧制。
(5)连续拉拔，在980℃-1000℃进行保护气氛退火处理，进行拉拔—退火—拉拔3次以上循环工艺，获得成品焊丝。
利用上述制造工艺条件和步骤，得到不锈钢焊丝力学性能如表6所示。
表6
实施例3结合附图，本发明超低碳稀土不锈钢焊丝的制造方法，步骤如下：
(1)按照设计的焊丝成分配料，利用真空电炉熔炼，对钢水进行脱硫、脱磷和去除有害杂质处理，使C＜0.5％，出钢温度T≥1650℃。
设计焊丝的化学成分如表7所示。
表7
(2)利用AOD在1650℃进行炉外精炼，净化钢水，使用真空吹氧技术脱碳，达到C＜0.01％，在1590℃进行中间包浇铸。
(3)采用水平连铸技术，对中间包钢水进一步精炼，采用电磁驱动离心流动中间包，净化钢水，消除气孔，减少裂纹和夹杂。利用氮气流加热防氧化，利用高温快速光纤比色测温技术测定钢水温度，控制钢水温度1585-1590℃。铸坯出结晶器温度在1310℃。
(4)连续轧制，水平连铸钢坯经冷却在950℃开始进行11道次轧制。
(5)连续拉拔，在980℃-1000℃进行保护气氛退火处理，进行拉拔—退火—拉拔5次以上循环工艺，获得成品焊丝。
利用上述制造工艺条件和步骤，得到不锈钢焊丝力学性能如表8所示。
表8
本发明设计的不锈钢焊丝成分采用水平连铸连轧连拔工艺制造，铸坯质量和性能良好，铸坯经由多道次连轧和连拔，并采用连拔过程中间退火工艺，获得具有高强度、高韧性和强的耐腐蚀性的不锈钢焊丝材料。经试验证实，本发明得到的超低碳含微量元素与稀土元素的焊丝具有强的耐晶间腐蚀性能，抗焊缝冷裂纹敏感性，低温韧性好，焊接工艺性能优良，适用于含微量元素和稀土的奥氏体不锈钢之间的焊接。
Claims (4)
1.一种超低碳稀土不锈钢焊丝，其特征在于采用Fe-Ni-Cr合金系统，将以下化学成分的原料进行熔炼、水平连铸、连轧、连拔而成：
C：0.005-0.015％、Si：0.3-1.2％、Mn：0.45-1.20％、P：≤0.02％、S：≤0.020％、Cr：18.50-19.50％、Ni：11.50-13.50、N：＜0.045％、Cu：＜0.40％、Nb：0.1-0.2％、RE：0.03-0.06％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素，化学成分的单位为wt％。
2.一种制备权利要求1所述的超低碳稀土不锈钢焊丝的方法，其特征在于步骤如下：
(1)按照设计的焊丝成分配料，利用真空电炉熔炼，对钢水进行脱硫、脱磷和去除有害杂质处理，使C＜0.5％，出钢温度T≥1650℃，设计的焊丝成分为：
C：0.005-0.015％、Si：0.3-1.2％、Mn：0.45-1.20％、P：≤0.02％、S：≤0.020％、Cr：18.50-19.50％、Ni：11.50-13.50、N：＜0.045％、Cu：＜0.40％、Nb：0.1-0.2％、RE：0.03-0.06％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素，化学成分的单位为wt％；
(2)利用AOD进行炉外精炼，净化钢水，使用真空吹氧技术脱碳，达到C＜0.01％，并进行中间包浇铸；
(3)采用水平连铸技术，对中间包钢水进一步精炼，采用电磁驱动离心流动中间包，净化钢水，消除气孔，并氮气流加热防氧化，利用高温快速光纤比色测温技术测定钢水温度，铸坯出结晶器温度1300-1320℃；
(4)连轧，水平连铸钢坯经冷却在950℃开始进行次轧制；
(5)连拔，在930℃-1000℃进行保护气氛退火处理，进行拉拔-退火-拉拔循环工艺，获得成品焊丝。
3.根据权利要求1所述的超低碳稀土不锈钢焊丝的制备方法，其特征在于利用AOD在1630-1680℃进行炉外精炼，在1580-1600℃进行中间包浇铸。
4.根据权利要求1所述的超低碳稀土不锈钢焊丝的制备方法，其特征在于测定的钢水温度控制在1585-1590℃。
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