CN102363251A

CN102363251A - 一种高强韧性全奥氏体不锈钢焊丝

Info

Publication number: CN102363251A
Application number: CN2011103083430A
Authority: CN
Inventors: 霍光瑞; 付学满
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2012-02-29

Abstract

本发明介绍了一种高强韧性全奥氏体不锈钢焊丝，焊丝组成为：C：0.03～0.10%，Si：0.3～0.90%，Mn：2.0～4.5%，Cr:13.0～16.0%，Ni：21～25%，Mo：3.5～5.5%，N：0.10～0.30%，S≤0.010，P≤0.015%，H≤5ppm，其余为Fe。本发明的焊丝工艺性良好，焊缝金属Rm为670～715MPa，-20℃KV2达到112～144J；焊接效率提高100％以上，实现0℃以上不预热焊接，简化了焊接工艺。

Description

一种高强韧性全奥氏体不锈钢焊丝

技术领域

本发明涉及一种焊丝领域技术，特别是一种高强韧性全奥氏体不锈钢焊丝。

背景技术

10CrNi3MoV钢为590MPa级高强度低合金钢，由于其具有优良的综合性能常用于大刚性、大拘束结构的建造。为保证结构的安全，预防焊接冷裂纹产生，大刚性、大拘束部位的焊接须采用全奥氏体焊材。目前10CrNi3MoV钢的配套用全奥氏体焊材为同种强度级别的手工电焊条，该焊条存在以下几方面问题：

（1）焊接效率低；

（2）焊接工艺性差，在平焊以外的焊接位置易产生夹渣气孔等缺陷，焊接质量难以保证；

（3）焊接工艺复杂，焊前须预热80～120℃。

采用气体保护焊工艺能够解决这几方面问题，而该工艺的关键是配套用奥氏体不锈钢焊丝的研制。10CrNi3MoV钢为低合金铁素体钢，用奥氏体焊材填充属于异质接头焊接，而气体保护焊工艺的熔合比较大，若焊丝成分设计不当由于母材的稀释作用焊缝金属中会形成马氏体组织，进而影响到接头的抗裂性能。另外，这种大刚性结构对焊缝金属有很高的强韧性要求，要求强度达到610MPa以上、-20℃KV₂达到83J以上。检索目前不锈钢焊丝的专利，尚未查到能够满足该强韧性要求的全奥氏体焊丝。

现有奥氏体不锈钢焊丝的专利，多数是强度较低并且焊缝金属不是全奥氏体组织。如申请号为200710025258.7的“车辆用奥氏体不锈钢气保焊焊丝”专利，焊丝中采用合适的C、Si、Mn、Cr等合金元素形成一定量的针状铁素体来改善焊接韧性，其焊缝组织不是全奥氏体，并且强度较低（545MPa），不能满足高强度的要求；申请号为200710039751.4的“一种铁素体不锈钢焊丝盘条、焊丝及其制造方法和应用”的专利，焊丝的熔敷金属抗拉强度、屈服强度以及延伸率等性能均达到铁素体不锈钢焊接接头的强度要求，但其强度较低，只能达到490MPa，同时该焊丝不是奥氏体焊丝；申请号为99117834.3的“一种低Cr高Mn奥氏体钢焊丝”的专利，该焊丝采用低Cr高Mn，并添加Mo、Ti等元素来减小和抑制焊接Cr5Mo钢时接头熔合界面两侧增C层（焊缝一侧）、贫C层（母材一侧）的产生，提高构件的使用寿命，但其强度较低，只能达到345MPa。

现有的焊丝专利中，另一类较多的专利是针对特定钢种开发出的专用焊丝，如申请号为200710100039.0的专利“一种节镍型奥氏体不锈钢焊丝”，在焊丝中加入氮后，焊丝中镍含量降低了2%，降低了焊丝成本，并且使熔敷金属的强度提高了150MPa，低温冲击韧性提高了30J以上，但该焊丝是针对高Cr含量的铁素体不锈钢开发的，其Ni_eq很低，仅为9左右，用于焊接10CrNi3MoV钢时由于母材的稀释作用焊缝中会出现马氏体组织，对焊接冷裂纹很敏感，不能满足大钢性结构的焊接要求；专利申请号为200710023342.5的“奥氏体不锈钢用焊丝材料”专利，通过添加稀土元素开发出了针对含有稀土不锈钢焊接用的焊丝材料，该专利没有对焊丝的熔敷金属强度进行说明。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高强韧性全奥氏体不锈钢焊丝，能够具有焊接效率高，工艺性优异，抗裂性良好等特点。

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：

本发明的一种高强韧性全奥氏体不锈钢焊丝，化学成分组成为（wt％）：C：0.03～0.10%，Si：0.3～0.90%，Mn：2.0～4.5%，Cr:13.0～16.0%，Ni：21～25%，Mo：3.5～5.5%，N：0.10～0.30%，S≤0.010，P≤0.015%，H≤5ppm，其余为Fe。

本发明针对10CrNi3MoV钢成分及气体保护焊工艺特点，对全奥氏体气体保护焊丝进行成分设计，通过限制C含量来改善韧性，采用N、Mo等元素进行强化以弥补低C引起的强度损失；采用较高的Ni、Mn等扩大γ相区元素含量以保证焊接10CrNi3MoV钢时焊缝组织能够得到全奥氏体，同时配合适当的Cr、Mo等缩小γ相区元素含量以控制焊缝中Creq与Nieq比值，防止Creq/Nieq值过小，降低焊缝金属热裂纹敏感性。另外，焊丝中对H的含量做了限制以提高焊接接头的抗冷裂性能。

焊丝中合适的C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、N等合金元素，均是在对各元素作用的分析的基础上，进行元素含量的设计，经过大量焊丝试制确定了焊丝的最终成分。

适量的C是焊缝金属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的腐蚀性能，而且冲击性能也受一定影响，同时过高的C含量在焊接过程中也会有热裂倾向。为保证综合性能良好，规定其下限为0.030%，上限为0.10%；

Si是一种强铁素体形成元素，含Si较高的奥氏体也需要更多的Ni才能形成奥氏体组织，并且Si含量较高时易形成Ni-Si低熔点相，对焊缝金属中的热裂纹有重要影响，为此通常将Si的含量保持在0.10％以下。另外，由于Si能改进熔融钢的流动性，尤其是奥氏体不锈钢在熔融状态下很粘滞，需要在焊丝中加入一定量Si以改善熔池金属的流动性，因此Si的含量控制在0.30～0.90％。

Mn的作用有以下几方面：一是提高N的溶解度，加入Mn有利于含N焊丝的熔炼，二是Mn可以使低熔点的铁硫化物转变为高熔点的锰硫化物（这种锰硫化物的熔点为1620℃），可以减少在全奥氏体焊缝中的因硫引起的热裂纹。另外，Mn是强化元素，能够弥补低C含量引起的强度损失，同时Mn又是奥氏体稳定化元素，能够促使高温下的奥氏体保持到常温。由于Mn的这些有益作用，控制其下限为2.0%，但Mn含量过高时，会在奥氏体晶界上形成碳化物弱化晶界，大大降低焊缝强度和塑韧性，所以控制其上限为4.5%。

Mo是重要的强化元素，其强化效果要高于Mn，其下限控制为3.5%，但Mo含量高出其在奥氏体焊缝中的固溶度时，会在奥氏体晶界上形成碳化物弱化晶界，大大降低焊缝强度和韧性，所以根据其溶解度控制Mo上限为5.5%。另外，增加Mo含量也会降低热裂纹的敏感性。Mo对γ相区有强烈的缩小作用，与含Mo较低的材料相比，含Mo较高的焊缝金属中需要更多的Ni才能形成奥氏体组织。

Cr和Ni含量是为了使焊缝组织为全奥氏体，并用来控制焊缝中Creq与Nieq比值，根据Schaeffler组织图和实际的焊缝金属中其它各元素的含量范围，确定了Cr含量为13.0%～16.0%，Ni含量为21～25%。另外，Cr元素能够促进N在Fe-Ni-Cr合金中的溶解度，N的溶解度随着Cr含量的增加而快速增加。

N是本焊丝具有高强度的重要强化合金元素。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为Ni的20～30倍，在1973年修订的Delong图、WRC-1992图中镍当量的计算公式均考虑的N的作用：

Delong图中的镍当量： Ni_eq＝％Ni+30×％C+30×％N+0.5×％Mn

WRC-1992图的镍当量： Ni_eq＝％Ni+35×％C+20×％N+0.25×％Cu

氮在奥氏体不锈钢中有很高的溶解度，高铬和高锰含量会增大其溶解度。氮对钢的机械性能有重要的强化作用，研究表明，加入0.10%氮可使Cr、Ni奥氏体不锈钢的室温强度提高约60～100MPa。近十年的研究表明，氮的大量加入可使奥氏体不锈钢达到非常高的强度，使其应用范围更加广泛。含氮钢的屈服强度由三部分组成，即基体强度、氮原子间隙固溶在奥氏体面心立方晶格中而导致的晶界强化和固溶强化。Pickering等研究表明，在奥氏体钢中，氮的强化能力约为碳的1.6倍、钛的18倍、钼的45倍，氮在奥氏体中的固溶，强烈增加了奥氏体的强度。可以认为，氮在奥氏体不锈钢中是非常有效的固溶强化元素。在本发明焊丝中根据其强化效果和溶解度控制其含量在0.10～0.30%；

S、P是对热裂纹最有害的元素，应尽量降低其含量，考虑到焊丝冶炼成本，控制上限分别为0.010%、0.015%。

本发明的全奥氏体不锈钢焊丝的冶炼及加工过程与普通焊丝相同，只要能够保证焊丝成分和表面质量，对生产过程不作具体要求。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

试验结果表明，采用95％Ar+5％CO2作保护气体时，该焊丝工艺性良好，焊缝金属强韧性满足要求：抗拉强度Rm为670～715MPa，-20℃KV2达到112～144J。与原配套手工电焊条相比，采用该焊丝焊接效率提高100％以上，并且实现了0℃以上不预热焊接，简化了焊接工艺。

具体实施方式

下面用实施例对本发明作进一步详述，但是本发明并不局限于这些实施例。

所用实施例焊丝的制备工艺为：配料→感应炉冶炼→电渣重熔→热锻→热轧→热处理→中间退火→酸洗→冷拔→清洗→装盘，其中钢坯热锻始锻温度为1100℃、终锻为960℃，锻造成50mm方坯；热轧时开轧温度为1140℃、终轧为1000℃，经过6道次轧成30mm方坯，再经过12道次轧成φ5.5mm的盘条；冷拔时要经过4次900～1000℃的中间热处理、7次拉拔为φ1.0mm成品焊丝，最后几个道次冷拔时进行表面清洗，以保证焊丝表面洁净。

所用实施例焊丝的化学成分见表1，焊丝规格为φ1.0mm。试验用钢板为26mm厚10CrNi3MoV钢（长600mm），焊接工艺见表2，焊接效率提高对比数据见表3。

表1 本发明焊丝的化学成分（wt％）

	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	N	S	P	Fe
											实施例1	0.03	0.42	2.90	15.55	22.43	4.26	0.215	0.0095	0.011	余量
实施例2	0.084	0.90	2.0	13.0	21.0	3.50	0.10	0.0067	0.006	余量
											实施例3	0.072	0.30	3.65	15.05	23.36	3.86	0.147	0.010	0.012	余量
实施例4	0.090	0.75	4.50	16.0	25.0	5.30	0.184	＜0.001	0.014	余量
											实施例5	0.10	0.61	1.62	14.52	23.37	5.50	0.30	0.005	0.009	余量

表2 试板焊接规范

焊接电流/A	焊接电压/V	焊接速度/cm·min^-1	保护气体	气体流量/l
					170～200	26～28	32～34	Ar+5％CO₂	10～20

表3 焊接效率对比

Figure 2011103083430100002DEST_PATH_IMAGE001

试验对焊缝组织进行了分析，几种实施例的焊缝金相组织相同，均是全奥氏体。

试验进行了焊缝金属力学性能试验、接头韧性试验与窗形拘束焊接裂纹试验，结果如表4所示。窗形拘束焊接裂纹试验结果表明，该焊丝在0℃＋80％RH环境、不预热条件下未出现裂纹，实现了0℃以上不预热焊接，简化了焊接工艺。

表4 试验测试结果

Figure 2011103083430100002DEST_PATH_IMAGE002

注：焊缝金属力学性能试验、接头韧性试验采用26mm10CrNi3MoV钢板；抗裂性试验采用60mm10CrNi3MoV钢板与Φ150mm×40mm×250mm（外径×壁厚×长度）配套锻钢的杯形管节抗裂性试验。接头韧性试验数据分别为三个测试值和一个平均值。

Claims

1.一种高强韧性全奥氏体不锈钢焊丝，其特征是：焊丝化学成分重量百分比组成为：C：0.03～0.10%，Si：0.3～0.90%，Mn：2.0～4.5%，Cr:13.0～16.0%，Ni：21～25%，Mo：3.5～5.5%，N：0.10～0.30%，S≤0.010，P≤0.015%，H≤5ppm，其余为Fe。