CN102059470B

CN102059470B - 一种高锰低热裂纹敏感性的高强度全奥氏体电焊条

Info

Publication number: CN102059470B
Application number: CN2010105928757A
Authority: CN
Inventors: 彭冀湘; 杨澍; 王明林
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: CN102059470A

Abstract

本发明介绍了一种高锰低热裂纹敏感性的高强度全奥氏体电焊条，其焊芯为：C0.005~0.03%，Si0.01~1.0%，Mn6.5~8.5%，Ni16.0~18.5%，Cr20.5~22.5%，Mo3.0~5.0%，N0.20~0.30%，S＋P≤0.040%，其余量为铁；药皮组成为：大理石38～42%，萤石32～38%，长石4～5%，金属锰4～6%，硅铁占4～6%，钛铁占4～6%，铁粉2～4%，纯碱1～2%，羧甲基纤维素1～2%。本焊条的焊缝金属为全奥氏体组织，具有极低的磁性，屈服强度可达400MPa以上，抗拉强度可达600MPa以上，焊接工艺性好，抗热裂纹敏感性尤为突出。

Description

一种高锰低热裂纹敏感性的高强度全奥氏体电焊条

技术领域

本发明涉及一种焊接材料技术，特别是一种高锰低热裂纹敏感性的高强度全奥氏体电焊条。

背景技术

由于奥氏体线膨胀系数大，所以奥氏体电焊条一直存在热裂敏感性高的问题，目前解决这一问题基本上都是采取一些传统做法，如：改变成分使焊缝金属产生一定数量的铁素体组织，利用铁素体溶解更多的硫磷杂质，减少低熔点杂质在晶界上的数量，从而改善热裂纹敏感性。但是铁素体会增加焊缝金属的磁性，对于有低磁要求的焊条这种做法是不适宜的；有些奥氏体焊条会加入适量的锰，利用锰和硫发生反应生成高熔点的硫化锰，减少低熔点杂质硫化镍在晶界上的数量，从而降低奥氏体电焊条热裂纹敏感性，这种奥氏体焊条的含锰量一般都不超过3.5％；在奥氏体焊条中加入锰，大多数的目的是利用锰是促进和稳定奥氏体的有效元素这一特点，用锰来代替昂贵的镍金属来促使焊缝金属获得全奥氏体组织，而不是利用锰来降低热裂敏感性。如不锈钢焊条E219、E240，焊条中加入了高含量的锰元素，将镍元素降至7％以下，熔敷金属仍能得到全奥氏体组织；本发明焊条属于高强度全奥氏体电焊条，焊缝金属铬和镍元素含量较高，为解决全奥氏体电焊条热裂敏感性，在焊缝金属中加入了高达6.5～8.5％含量的锰元素，促使焊缝的凝固过程发生改变，从而得到热裂敏感性低的高强度全奥氏体焊条。

检索目前奥氏体电焊条的专利，大多注重焊条的性能，如强度和抗晶间腐蚀能力，如：在中国专利ZL200510001445.2“钒沉淀强化高强度全奥氏体电焊条”的说明中，该焊条通过钒的沉淀强化作用来提高熔敷金属强度；在专利申请号为200510017982.6中国专利“一种抗晶间腐蚀高强度全奥氏体电焊条”的说明中，该焊条通过在药皮中添加稀土元素来提高熔敷金属抗晶间腐蚀能力。

奥氏体电焊条的专利中也有注重解决焊条的工艺性，如焊条药皮发红、开裂现象，抗气孔敏感性等，如：在专利申请号为92102650.l“超低碳奥氏体不锈钢焊条及其制备”的中国专利说明中，采用廉价的超低碳钢丝做焊芯，完全通过焊条药皮过渡合金元素，降低制造和使用成本的同时，较好地解决了药皮发红、开裂现象；在专利申请号为 96102361.9“一种奥氏体不锈钢电焊条”的中国专利说明中，该焊条通过在药皮中添加氧化镁和氧化稀土来改善奥氏体不锈钢电焊条的抗气孔敏感性。但到目前为止，还没有涉及到用高的锰含量、通过改变焊缝的凝固过程来解决高强度全奥氏体焊条热裂纹敏感性的实例。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高锰低热裂纹敏感性的高强度全奥氏体电焊条。通过新的成分设计，在焊缝金属中加入高含量的锰元素，通过改变焊缝的凝固过程，从而解决高强度全奥氏体焊条的热裂敏感性问题。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种高锰低热裂纹敏感性的高强度全奥氏体电焊条，焊条由焊芯和药皮两部分组成，焊芯的基本组成成分重量比为： C 0.005~0.03%，Si 0.01~1.0%，Mn 6.5~8.5%，Ni 16.0~18.5%，Cr 20.5~22.5%，Mo 3.0~5.0%，N 0.20~0.30%，S＋P≤0.040%，其余量为铁；焊条药皮的基本组成成分重量比为：大理石38～42 %，萤石32～38%，长石4～5%，金属锰4～6%，硅铁占4～6%，钛铁占4～6%，铁粉2～4%，纯碱1～2%，羧甲基纤维素1～2%；所述的硅铁中硅重量含量为40~47%，钛铁中钛重量含量大于27 %。进一步的，钛铁中钛重量含量为27-38 %。

将上述药皮原材料混合均匀后，加入占固体组分质量20-30%的20℃条件下40~50Be的钾钠水玻璃做粘接剂进行湿混，将混合均匀的药粉压涂在焊芯上，在焊条生产设备上进行焊条制备。所述的水玻璃重量组分含量为：SiO₂≥29%，KO₂≥3.5，NaO₂≥7.5，模数为：2.8~3.0M。

本发明焊条熔敷金属为全奥氏体组织，具有较高的强度，抗热裂纹敏感性十分优异。在按照GJB15.1－92中13.3.8抗热裂纹敏感性试验和横向可变拘束试验进行热裂敏感性评定时，焊缝金属没有产生任何裂纹。

研究表明，本发明焊条的焊芯中由于加入了6.5~8.5%的锰元素，熔池液态金属首先析出铁素体，当液态金属成分接近Fe-Cr-Ni三元合金相图中的共晶转变点时发生L→δ＋γ共晶反应，也就是说高的含锰量激发了熔池液态金属的凝固是以奥氏体和铁素体两种方式同时进行的。共晶反应生成的奥氏体随后冷却，枝晶界面较为光滑，而在较高温度凝固的铁素体溶解了较多的硫磷杂质，这些溶解了较多的硫磷杂质的铁素体随后冷却最终完全转变为奥氏体，此时形成的奥氏体枝晶界面较为粗糙。对枝晶界面进行的X射线能谱分析表明，粗糙界面处明显发生了铁素体化形成元素（如Si、Mo、Cr）的富集现象，而在光滑的枝晶上则没有这种现象。这种凝固方式将原来集中在凝固后期、焊缝中心的硫磷杂质，分散在铁素体转变成的奥氏体附近，改变了硫磷杂质的分布方式，而且先期凝固、到较低温度才发生转变的铁素体比奥氏体线膨胀系数小，对最终降低焊缝金属的拉伸应力也起到了十分有利的作用。

试验研究表明，在本发明焊条中当焊芯锰含量低于6.5％时，焊缝金属室温组织出现少量的铁素体组织，使得焊缝金属磁性增高；当锰含量大于8.5％时，焊缝金属的凝固过程为液相直接转变为奥氏体组织，凝固过程中不产生铁素体中间产物，这种焊缝组织的热裂敏感性较高。当锰含量在6.5~8.5%时，焊缝凝固过程发生上述变化，可以得到热裂敏感性极低的高强度全奥氏体焊缝金属。

这些技术方案，包括改进的技术方案以及进一步改进的技术方案也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

采用本发明的电焊条，焊缝金属为全奥氏体组织，具有极低的磁性，相对磁导率Ur≤1.01，焊缝金属屈服强度可达400MPa以上，抗拉强度可达到600MPa以上，焊接工艺性好，抗热裂纹敏感性尤为突出。

本发明焊条可用于建造具有磁隐身特性要求的军事装备，也可用于海洋工程、电力及机械工程等有高强度、低磁性要求的领域。

具体实施方式

以下给出具体实施例对本发明进行进一步说明：

按规定的质量比例配制药粉，将混合均匀的药粉用SiO₂=30.6%，KO₂=3.7%，NaO₂=8.1%，模数为：3.0M，用量为干粉重量的25.6%的钠钾混合水玻璃做粘接剂压涂在表1所列成分的焊芯上，制成电焊条。

表1 本发明焊条用焊芯化学成分

焊芯	化学成分（wt%）
												C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	N	S	P	Fe
实施例1	0.028	0.97	6.72	18.22	22.41	4.77	0.290	0.0098	0.0077	余量
											实施例2	0.022	0.53	7.61	17.43	20.92	4.03	0.276	0.0050	0.0086	余量
实施例3	0.014	0.26	8.46	16.22	21.56	4.24	0.211	0.0036	0.0086	余量
											实施例4	0.020	0.55	7.79	17.01	21.27	4.13	0.232	0.0082	0.015	余量
实施例5	0.030	1.01	6.50	18.51	22.50	5.02	0.304	0.0073	0.017	余量
											实施例6	0.005	0.01	8.50	15.98	20.50	2.98	0.199	0.0056	0.011	余量

其中，实施例1-2的质量比例为大理石42%，萤石32 %，长石5%，金属锰4%，硅铁占6%，钛铁占5%，铁粉3%，纯碱2%，羧甲基纤维素1%；实施例3-4的质量比例为大理石38%，萤石38 %，长石4%，金属锰6%，硅铁占4%，钛铁占6%，铁粉2%，纯碱1%，羧甲基纤维素1%；实施例5-6质量比例为大理石39%，萤石33 %，长石4%，金属锰6%，硅铁占5%，钛铁占6%，铁粉4%，纯碱1%，羧甲基纤维素2%；其中硅铁中硅含量为43.7 %，钛铁中钛含量为31 %。

对以上六种实施例焊条按照下列试验条件进行焊接：直流反接法，焊接电流90～100A，焊接电压20～24V，焊接速度14～16cm/min，焊前不预热，道间温度≤100℃，取样进行了熔敷金属力学性能试验、金相组织观察、磁导率测定，按照GJB15.1－92中13.3.8抗热裂纹敏感性试验和横向可变拘束试验进行热裂敏感性评定。六种实施例焊条的试验结果如表2所示。

表2 本发明焊条实施例性能

焊条	拉伸性能				磁导率μr		金相组织	热裂敏感性试验
										Rp_0.2	Rm	A	Z	4000A/m	8000A/m
实施例1	480	700	42.0	55.5	1.00132	1.00118	单一奥氏体	没有发现任何裂纹
									实施例2	475	685	42.0	60.0	1.00116	1.00124	单一奥氏体	没有发现任何裂纹
实施例3	445	680	44.5	62.5	1.00127	1.00122	单一奥氏体	没有发现任何裂纹
									实施例4	465	690	40.0	63.0	1.00121	1.00129	单一奥氏体	没有发现任何裂纹
实施例5	490	700	39.0	52.5	1.00118	1.00134	单一奥氏体	没有发现任何裂纹
									实施例6	435	675	45.0	64.0	1.00152	1.00133	单一奥氏体	没有发现任何裂纹

Claims

1.一种高锰低热裂纹敏感性的高强度全奥氏体电焊条，其特征是：焊条由焊芯和药皮两部分组成，焊芯的基本组成成分重量比为： C 0.005~0.03%，Si 0.01~1.0%，Mn 6.5~8.5%，Ni 16.0~18.5%，Cr 20.5~22.5%，Mo 3.0~5.0%，N 0.20~0.30%，S＋P≤0.040%，其余量为铁；焊条药皮的基本组成成分重量比为：大理石38～42 %，萤石32～38%，长石4～5%，金属锰4～6%，硅铁占4～6%，钛铁占4～6%，铁粉2～4%，纯碱1～2%，羧甲基纤维素1～2%；硅铁中硅重量含量为40~47%，钛铁中钛重量含量大于27 %。