CN102046325A - 使凝固晶粒微细化的双相不锈钢焊接用药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种为得到韧性及延展性优良的焊缝金属而使凝固晶粒微细化的双相不锈钢焊接用药芯焊丝，其特征在于：作为外皮及焊剂中含有的化学成分，以相对于焊丝总质量的质量％计含有：C：0.001～0.1％、Si：0.01～1.0％、Mn：2.0～6.0％、Cr：17.0～27.0％、Ni：1.0～10.0％、Mo：0.1～3.0％、Al：0.002～0.05％、Mg：0.0005～0.01％、Ti：0.001～0.5％、N：0.10～0.30％，另外，将P限制在0.03％以下、将S限制在0.01％以下，且满足0.73×Cr当量-Ni当量≥4.0及Ti(质量％)×N(质量％)≥0.0004，剩余部分由铁及不可避免的杂质构成。

Description

使凝固晶粒微细化的双相不锈钢焊接用药芯焊丝
技术领域
本发明涉及双相不锈钢的焊接焊丝，特别涉及双相不锈钢焊接用药芯焊丝，所述双相不锈钢焊接用药芯焊丝通过使焊接凝固时的晶粒微细化，能够对焊缝金属赋予韧性及延展性优良的特性。
背景技术
双相不锈钢是以Cr、Ni、Mo为主要元素，通过将铁素体和奥氏体的相比率调整到大约50％来确保韧性、耐腐蚀性的不锈钢。在焊接该双相不锈钢时，从维持耐腐蚀性的观点出发，其中大多数不实施焊接后的热处理，焊缝金属直接以凝固的状态被使用，因此与经过轧制、热处理的相同组成的钢材相比，焊缝金属的晶粒直径显著粗大化，因而韧性、延展性变差。所以，在双相不锈钢的焊接中，使焊缝金属的凝固晶粒微细化成为提高焊缝金属的韧性、延展性的有效的方法。
作为使不锈钢的晶粒微细化的方法，公开了为抑制麻纹(表面的凹凸)的产生而规定板坯的轧制条件(压下率与温度的关系)的方法(例如参照专利文献1)、规定铸造后的热轧及冷却条件的方法(例如参照专利文献2)，但全都利用根据钢水凝固后的再加热-热轧、或退火-冷却过程中的相变的组织控制，而不是在焊缝金属的凝固过程中使晶粒微细化的技术，因此对于焊接后以凝固状态使用的双相不锈钢的焊缝金属的微细化不是有效的方法。
作为使凝固状态的不锈钢焊缝金属的晶粒微细化的方法，公开了以夹杂物为接种核使其等轴晶凝固的方法(参照专利文献3、4)，但它们都是马氏体系不锈钢及奥氏体系不锈钢，与作为本发明对象的双相不锈钢的Mn量及Cr/Ni量的比率不同。
此外，关于双相不锈钢，因近年来的Ni、Mo价格的高涨，开发了降低Ni、Mo含量的廉价型双相不锈钢(例如参照专利文献5)，但在焊接此种双相不锈钢时，仍使用以往的凝固晶粒粗大化的双相不锈钢系焊接材料。
基于此背景，一直希望开发一种双相不锈钢用焊丝，其能够使用廉价型双相不锈钢，而且能够进行焊缝金属的凝固晶粒微细化，从而即使在焊接状态下也可得到焊缝金属的韧性、延展性等机械特性良好的焊接部。
专利文献1：日本特开平03-071902号公报
专利文献2：日本特开平08-277423号公报
专利文献3：日本特开2002-331387号公报
专利文献4：日本特开2003-136280号公报
专利文献5：WO-2002-027056号公报
发明内容
本发明鉴于上述现有技术的问题点，其目的在于通过对双相不锈钢材焊接时使用的焊接材料的成分进行规定，提供一种双相不锈钢焊接用药芯焊丝(也称为粉芯焊丝，填充焊剂金属丝)，其可使焊缝金属的凝固晶粒微细化，即使在焊接状态下也可得到焊缝金属的韧性、延展性等机械特性良好的焊接部。
本发明是解决上述课题的发明，作为其要旨的部分如下所述。
(1)一种用于使凝固晶粒微细化的双相不锈钢焊接用药芯焊丝，其是在钢制外皮的内部填充有焊剂的双相不锈钢焊接用药芯焊丝，其特征在于，作为外皮及焊剂中含有的化学成分，以相对于焊丝总质量的质量％计含有：C：0.001～0.1％、Si：0.01～1.0％、Mn：2.0～6.0％、Cr：17.0～27.0％、Ni：1.0～10.0％、Mo：0.1～3.0％、Al：0.002～0.05％、Mg：0.0005～0.01％、Ti：0.001～0.5％、N：0.10～0.30％，另外，将P限制在0.03％以下、将S限制在0.01％以下，且满足0.73×Cr当量-Ni当量≥4.0及Ti(质量％)×N(质量％)≥0.0004，剩余部分由铁及不可避免的杂质构成。其中，Cr当量＝Cr(质量％)+Mo(质量％)+1.5×Si(质量％)，Ni当量＝Ni(质量％)+0.5×Mn(质量％)+30×C(质量％)+30×N(质量％)。
(2)根据上述(1)所述的用于使凝固晶粒微细化的双相不锈钢焊接用药芯焊丝，其特征在于，作为所述双相不锈钢焊接用药芯焊丝的外皮及焊剂中含有的化学成分，以质量％计，还含有Cu：0.1～2.0％。
根据本发明，在焊接通常的双相不锈钢材及廉价型双相不锈钢材时，通过对使用的焊接材料的成分进行规定，可以使焊缝金属组织微细化，由此能够大幅度改善焊缝金属的韧性及延展性。
具体实施方式
本发明人等通过采用添加有多种化学成分的Cr-Ni系不锈钢焊丝的TIG焊接，对双相不锈钢材进行对接焊接，对形成的焊缝金属的组织、韧性及延展性进行了详细调查及研究。
其结果是，新弄清了通过在以铁素体单相结束凝固的成分系中复合添加Mg和Ti，可实现焊缝金属组织的等轴晶化、微细化，由此可提高焊缝金属的韧性、延展性。此外，还得到如下的推测：在以铁素体单相结束凝固的成分系中，通过控制Ti和N量的关系，焊缝金属的凝固晶粒的微细化变得容易，即使在凝固状态下也能改善韧性、延展性。
基于这样的研究结果，对本发明进行以下详细说明。此外，以下说明中的“％”只要没有特别注明都表示“质量％”。
首先，对本发明的用于使焊缝金属的晶粒微细化的技术思想进行说明。
对于Cr-Ni系不锈钢的焊缝金属，根据其成分系将其分类为初晶凝固相为铁素体相或奥氏体相的成分系，另外，将这些相分类为以单相结束凝固的相和以铁素体相+奥氏体相的双相结束凝固的相。
TiN与铁素体相的晶格匹配性非常好，因此成为铁素体相的凝固核，对于促进铁素体相的等轴晶化和使凝固时的铁素体晶粒微细化是有效的。此外，Mg系夹杂物(包含MgO-Al2O3尖晶石相)成为TiN的生成核，促进TiN的生成，其结果是，促进铁素体相的等轴晶化，使凝固时的铁素体晶粒微细化。
另一方面，由于TiN与奥氏体相的晶格匹配性不好，因此几乎不成为奥氏体相的凝固核。此外，液相/奥氏体相间的界面能大于液相/铁素体相间的界面能，因此难以在铁素体相上形成奥氏体相，奥氏体相与铁素体相的生成、生长无关地独自生长。也就是说，不能期待奥氏体相的微细化。
所以，为了在焊缝金属中，以TiN及Mg系夹杂物为核，促进铁素体相的等轴晶化，从而使凝固时的铁素体晶粒微细化，需要将焊缝金属的成分系限定在初晶凝固相为铁素体相、以铁素体单相结束凝固的成分系。
在焊缝金属为初晶铁素体相+奥氏体相的双相凝固的成分系中，即使铁素体相等轴晶凝固，由于奥氏体相与铁素体相的生成、生长无关地独自生长，因此奥氏体相以柱状晶凝固，因而不能实现奥氏体相的微细化。
根据本发明人等的实验结果发现，在双相不锈钢的焊接中，要使焊缝金属的初晶凝固相为铁素体相、以铁素体单相结束凝固，最好形成满足0.73×Cr当量-Ni当量≥4.0关系式的成分系。这里，Cr当量及Ni当量分别按以下的(式1)及(式2)来规定。
Cr当量＝Cr(质量％)+Mo(质量％)+1.5×Si(质量％)    (式1)
Ni当量＝Ni(质量％)+0.5×Mn(质量％)+30×C(质量％)+30×N(质量％)                                          (式2)
此外，为了焊缝金属的凝固晶粒的微细化，在上述的初晶凝固相为铁素体相、且以铁素体单相结束凝固的成分系中，需要在初晶铁素体凝固之前形成TiN。
为此，根据本发明人等的实验结果还发现，为了在比初晶铁素体相凝固的温度(液相线温度)高的温度下使TiN结晶，最好限定Ti含量和N含量，通过以满足Ti(质量％)×N(质量％)≥0.0004的关系的方式控制成分，可在初晶铁素体凝固之前确实生成TiN，得到凝固晶粒微细化的效果。
根据上述情况，在本发明中，为了通过焊缝金属的初晶凝固相为铁素体相、且以铁素体单相结束凝固、同时在初晶铁素体凝固之前确实生成TiN，由此得到凝固晶粒微细化效果，将焊接双相不锈钢时所用的药芯焊丝的成分系满足0.73×Cr当量-Ni当量≥4.0、且满足Ti×N≥0.0004作为必要条件。
这里，Cr当量及Ni当量分别按上述(式1)及(式2)来规定。
此外，如果0.73×Cr当量-Ni当量的值超过16.0，则室温组织为铁素体单相，不能形成作为目标的双相不锈钢，因此优选将此值的上限规定为16.0。
接着，下面对实现上述技术思想的本发明的焊丝成分的限定理由进行说明。此外，下述的成分含量为相对于焊丝总质量的全部外皮及焊剂所含的合计量(质量％)。
首先，在本发明中，为了在焊缝金属中形成TiN及Mg系夹杂物(包含MgO-Al2O3尖晶石相)，规定以下的焊丝成分的含量。
Al：Al是脱氧元素，同时与Mg共存而形成MgO-Al2O3尖晶石相，成为TiN的生成核，使焊缝金属组织微细化。发挥此效果的量为0.002％，将其设为下限。此外，如果多量添加则大量生成Al氧化物，使机械特性变差，因此将0.05％设为上限。
Mg：Mg通过形成Mg系夹杂物而成为TiN的生成核，使焊缝金属组织微细化。发挥此效果的量为0.0005％，将其设为下限。此外，即使多量添加其效果也饱和，还产生耐腐蚀性下降或向焊接部的熔解减少、在焊道上生成焊渣等问题，因此将0.01％设为上限。Mg系夹杂物只要是氧化物、硫化物等含有Mg的化合物，对凝固晶粒的微细化就具有效果，MgO-Al2O3尖晶石相也具有同样的效果。
Ti：Ti通过形成TiN而成为铁素体相的凝固核，使焊缝金属组织微细化。通过与Mg复合添加可进一步提高其效果。发挥此效果的量为0.001％以上，因此将其设为下限。但是，在添加超过0.5％时，使韧性、延展性降低，因此将其作为上限。
N：N通过形成TiN而成为凝固核，使焊缝金属组织微细化。此外，N是强力的奥氏体生成元素，在将作为奥氏体生成元素的Ni含量设为1.0～10.0％时，从铁素体相和奥氏体相的相平衡的观点出发是必要的，而且可提高氯化物环境下的耐孔蚀性。发挥此效果的量为0.10％以上，将其设为下限。此外，如果多量添加，则因硬化而使韧性降低，因此将0.30％设为上限。
再有，在MIG焊接或MAG焊接中使用时，如果N量多则容易产生气泡，因此优选将上限设为0.22％。
此外，为了得到其它的效果，规定以下的成分的含量。
C：C对于耐腐蚀性是有害的，但从强度的观点出发，需要含有某一程度，因此添加0.001％以上。此外，在其含量超过0.1％时，焊缝金属的韧性、延展性显著下降，而且如果保持焊接状态并受到再次加热，则与Cr等结合，使这些区域的耐腐蚀性显著变差，因此将其含量限定在0.001～0.1％。
Si：Si是作为脱氧元素而添加的，但在其含量低于0.01％时，其效果不充分，另一方面，在其含量超过1.0％时，伴随着铁素体相的延展性降低，韧性大大降低，而且焊接时的熔融熔解也减小，成为实用焊接上的问题。所以，将其含量限定在0.01～1.0％。
Mn：Mn是奥氏体生成元素，在将作为奥氏体生成元素的Ni的含量设为1.0～10.0％时，从铁素体相和奥氏体相的相平衡的观点出发，需要2.0％以上。另一方面，如果添加超过6.0％，则焊接时产生大量的烟气，同时延展性下降，因此将其含量限定在2.0～6.0％。
Cr：Cr是铁素体形成元素，作为双相不锈钢的主要元素有助于提高耐腐蚀性，但在其含量低于17.0％时，不能得到充分的耐腐蚀性。另一方面，如果其含量超过27.0％，则韧性变差，因此将其含量限定在17.0～27.0％。
Ni：Ni是奥氏体形成元素，是双相不锈钢的主要元素，但在本发明中，由于需要以铁素体单相结束凝固，因此从添加了17.0～27.0％的作为铁素体形成元素的Cr时的凝固形态和相平衡的观点出发、以及从原料成本增高的观点出发，将其上限设为10.0％。另一方面，关于下限，可考虑在廉价型双相不锈钢中的应用而选定，但在其含量低于1.0％时韧性显著降低，因此将其含量限定在1.0～10.0％。
Mo：Mo是特别可提高氯化物环境下的耐腐蚀性的元素，为提高耐腐蚀性可添加0.1％，但如果其含量超过3.0％，则因生成西格马相等脆性的金属间化合物而使焊缝金属的韧性降低，因此将其含量限定在0.1～3.0％。
P、S是焊缝金属中不可避免的成分，基于以下的理由将其限制在少量。
P：P如果多量存在，则使凝固时的耐高温焊接裂纹性及韧性降低，因此优选少量，将其含量的上限设为0.03％。
S：S也是如果多量存在则使耐高温裂纹性、延展性及耐腐蚀性降低，因此优选少量，将0.01％设为上限。
将以上元素作为本发明的焊丝的基本成分，但也可以有选择地添加以下的成分。
Cu：Cu对于提高强度和耐腐蚀性具有显著的效果，此外，作为确保韧性的奥氏体生成元素可以添加0.1％以上，但即使添加超过2.0％，其效果也饱和，因此在添加时，将其含量设为0.1～2.0％。
再有，在本发明中，关于填充在外皮内部的焊剂，除了为控制焊缝金属中的成分组成而按上述含量范围添加的合金以外，不需要特别规定。
所以，在药芯焊丝中，作为填充在外皮内部的焊剂，例如，可以添加为提高焊渣包覆性或电弧稳定性而通常含有的金属氧化物或金属氟化物，例如TiO2：1～2％、SiO2：2～3％、ZrO2：1～2％、Al2O3：0.3～0.8％、Fe2O3：0.2～0.6％、Na2O：0.05～0.2％、K2O：0.01～0.1％、AlF3：0.01～0.1％等。
其中，将作为这样的为提高焊渣包覆性或电弧稳定性而添加的金属氧化物或金属氟化物所含的金属成分，从作为本发明规定的上述合金的金属成分的含量范围中除去。
对于本发明的药芯焊丝，不需要特别限定TIG焊接、MIG焊接、MAG焊接、等离子焊接、埋弧焊接等焊接方法，通过将焊接所用的药芯焊丝的外皮成分及焊剂中含有的、转移到焊缝金属中的成分的合计按上述进行规定，可进行凝固过程中的组织的等轴晶化及微细化，可得到焊接部的韧性及延展性优良的双相不锈钢焊接接头。
实施例
以下通过实施例进一步说明本发明。
采用铁素体系不锈钢或普通钢作为外皮，在内部填充焊剂，制成焊丝直径为1.2Φ的药芯焊丝，其作为相对于焊丝总质量的质量％具有表1所示的成分。再有，作为焊剂，除了为提高焊渣包覆性或电弧稳定性而通常使用的金属氧化物、金属氟化物以外，填充Ni、Cr、Mo、Ti、Mg等金属粉。接着，在具有表2所示成分的板厚为12mm的双相不锈钢板上，设置坡口角度：60°、钝边：0.5mm的V型坡口，然后采用上述药芯焊丝，通过MIG焊接进行对接焊接，从而制作焊接接头。再有，此时的焊接条件设为：焊接电流：250A、电弧电压：28V、焊接速度：25cm/min，保护气体为Ar+2％O2。
再有，关于表1中的凝固模式，用F表示以铁素体单相结束凝固的模式，用FA表示以初晶铁素体+奥氏体的双相结束凝固的模式。
对通过焊接得到的焊接接头，分别实施了焊缝金属的组织观察、焊缝金属的夏比冲击试验、及焊接接头的正面和背面弯曲试验，评价了凝固晶粒的微细化及等轴晶化、韧性、弯曲延展性。各自的评价结果示于表3。
关于表3中的晶粒直径的评价结果，将铁素体及奥氏体的晶粒直径都为50μm以下、且等轴晶率为90％以上的规定为○(良好)，将其以外的组织规定为×(不良)。关于示出焊接接头的韧性评价结果的表3的夏比吸收能，通过从与自焊接接头起的焊接方向相垂直的方向采集2mmV缺口夏比试验片，在0℃进行夏比冲击试验，来求出其吸收能。关于示出焊接接头的弯曲延展性评价结果的表3的正面弯曲或背面弯曲的试验结果，通过从与自焊接接头起的焊接方向相垂直的方向采集削去了堆高的试验片(10t×30w×250Lmm)，从正面或背面对焊接部进行滚压弯曲(弯曲半径：R＝20mm)，将没有发生裂纹的规定为良好，将发生裂纹的规定为不良。
在表3中，在No.8的比较例中，(0.73×Cr当量-Ni当量)的值低于本发明范围，因此焊缝金属为铁素体+奥氏体的双相凝固，凝固晶粒粗大化，焊缝金属的韧性、弯曲延展性都降低。在No.9的比较例中，Ni在本发明范围外，(0.73×Cr当量-Ni当量)的值也低于本发明范围，因此焊缝金属为双相凝固，凝固晶粒粗大化，焊缝金属的韧性及弯曲延展性降低。此外，在No.10的比较例中，(Ti×N)的值低于本发明范围，在No.11的比较例中，Al含量及Mg含量低于本发明范围，因此焊缝金属为铁素体单相凝固，但不能进行铁素体的等轴晶化及微细化，凝固晶粒粗大化，焊缝金属的韧性、弯曲延展性都降低。另外，No.12～14的比较例为铁素体单相凝固，(Ti×N)也在本发明范围内，发现凝固晶粒微细化，但Mn含量、Si含量、Cr含量、Mo含量、N含量分别在本发明的范围外，因此焊缝金属的韧性及弯曲延展性都降低。
另一方面，在No.1～7的本发明例中，由于成分含量在本发明的范围内，因此与比较例相比，焊缝金属的晶粒微细化，因而韧性及延展性显著优良。
Figure BPA00001258987900091
表2                                                                              (质量％)
C Si Mn P S Ni Cr Mo N
  0.02   0.59   4.95   0.024   0.001   1.5   21.4   0.3   0.211
表3
Figure BPA00001258987900101
通过采用本发明的药芯焊丝，能够得到大幅度改善了韧性及延展性的焊缝金属，本发明在工业上的应用可能性非常大。

Claims (2)

1.一种用于使凝固晶粒微细化的双相不锈钢焊接用药芯焊丝，其是在钢制外皮的内部填充有焊剂的双相不锈钢焊接用药芯焊丝，其特征在于，作为外皮及焊剂中含有的化学成分，以相对于焊丝总质量的质量％计含有：
C：0.001～0.1％、
Si：0.01～1.0％、
Mn：2.0～6.0％、
Cr：17.0～27.0％、
Ni：1.0～10.0％、
Mo：0.1～3.0％、
Al：0.002～0.05％、
Mg：0.0005～0.01％、
Ti：0.001～0.5％、
N：0.10～0.30％，另外，
将P限制在0.03％以下、
将S限制在0.01％以下，且满足：
0.73×Cr当量-Ni当量≥4.0，及
Ti(质量％)×N(质量％)≥0.0004，
剩余部分由铁及不可避免的杂质构成，
其中，Cr当量＝Cr(质量％)+Mo(质量％)+1.5×Si(质量％)，
Ni当量＝Ni(质量％)+0.5×Mn(质量％)+30×C(质量％)+30×N(质量％)。
2.根据权利要求1所述的用于使凝固晶粒微细化的双相不锈钢焊接用药芯焊丝，其特征在于，作为所述双相不锈钢焊接用药芯焊丝的外皮及焊剂中含有的化学成分，以质量％计，还含有Cu：0.1～2.0％。
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