CN102615450B

CN102615450B - 一种超级马氏体不锈钢用实芯焊丝及其制备方法

Info

Publication number: CN102615450B
Application number: CN201210111114.4A
Authority: CN
Inventors: 王红鸿; 吴开明; 张心保; 黄刚
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2032-04-17
Also published as: CN102615450A

Abstract

本发明涉及一种超级马氏体不锈钢用实芯焊丝及其制备方法。其技术方案是：该实芯焊丝的化学组分是：C≤0.02wt%，Mn为0.40~2.00wt%，Si为0.10~0.30wt%，Cr为10.00~13.00wt%，Ni为1.00~6.00wt%，Mo为0~2.50wt%，Cu为0.20~0.50wt%，Ti为≤0.30wt%，N≤0.05wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；该实芯焊丝的制备工艺为：先按照上述化学组分进行冶炼，浇注成方坯，再轧制成Φ5.5~Φ7.5mm盘条，轧制后进行正火+高温回火热处理，然后进行拉拔，拉拔过程中进行1~3次退火热处理，最后拉拔成Φ1.2mm的焊丝。本发明的合金元素含量相对较少，成本低；所制备的实芯焊丝能与超级马氏体不锈钢相匹配，且能满足对所焊接钢管的高强度和耐腐蚀性技术要求。

Description

一种超级马氏体不锈钢用实芯焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于实芯焊丝技术领域。具体涉及一种超级马氏体不锈钢用实芯焊丝及其制备方法。

背景技术

超级马氏体不锈钢(Supremartensitic Stainless Steel)是上世纪90年代研发的一种低成本不锈钢，主要替代奥氏体不锈钢和双相不锈钢，用于海底管线。该类钢相对于奥氏体和双相不锈钢，由于含铬、镍等合金元素较少，其成本大大降低。同时，由于其屈服强度可达到625~760MPa、抗拉强度可达到830~900 MPa和延伸率可达到18~32%，故相对于标准的马氏体不锈钢具有优良的力学性能。该类钢的碳含量为0.02 wt%以下，可形成低碳马氏体，具有较好的韧性和塑性；焊接后，焊态下热影响区的硬度值大约为300HV，不易产生氢致裂纹，可在焊态下使用，具有极佳的焊接性。因此，超级马氏体不锈钢因其低成本、性能优良和可焊性好，不仅使用于海底管线中替代奥氏体不锈钢和双相不锈钢，且广泛应用于石化行业中油、汽输送管线，特别是需要预先分离和处理的、含有较高CO₂和H₂S和油、汽介质的管线，其优势更加明显。

目前，超级马氏体不锈钢多采用双相不锈钢焊丝进行焊接。一种为2209双相不锈钢焊丝，该焊丝可形成韧性及塑性与母材相匹配的焊缝金属，但是焊缝金属的强度低于母材；一种为Cr含量为25%的高强双相不锈钢焊丝Zeron100，该焊丝可以形成与母材相近的抗拉强度，但该焊丝焊接完成的焊接接头需要长时间的焊后热处理，否则容易在焊接热影响区出现晶内腐蚀。另外，使用双相不锈钢焊丝成本较高。到目前为止，还没有可与超级马氏体钢不锈钢相匹配的焊丝。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种焊接接头力学性能能与超级马氏体不锈钢相匹配，且能满足对所焊接钢管的高强度和耐腐蚀性技术要求的超级马氏体不锈钢用实芯焊丝及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该实芯焊丝的化学组分是：C为≤0.02wt%，Mn为0.40~2.00wt%，Si为0.10~0.30wt%，Cr为10.00~13.00wt%，Ni为1.00~6.00wt%，Mo为0~2.50wt%，Cu为0.20~0.50wt%，Ti为≤0.30wt%，N≤0.05wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

该实芯焊丝的制备工艺为：先按照上述化学组分进行冶炼，浇注成方坯，再轧制成Φ5.5~Φ7.5mm盘条，轧制后进行正火+高温回火热处理，然后进行拉拔，拉拔过程中进行1~3次退火热处理，最后拉拔成Φ1.2mm的焊丝。

所述正火+高温回火热处理是先在1020~1050℃温度下正火，保温3~4小时；然后在760~780℃温度下高温回火，保温1.5~2小时。

所述退火热处理是在630~680℃条件下保温1.5~3小时。

由于采用了上述技术方案，本发明含有低于0.02wt%的碳含量，以保持同母材相当的碳含量，焊缝凝固形成低碳马氏体，使其具有较好的抵抗氢致腐蚀裂纹开裂的性能；Cr元素主要起到提高耐腐蚀性能的作用，同时也可提高强度；适当提高Ni含量，可扩大奥氏体相区，有助于提高材料的淬硬性；添加Mo元素以弥补因碳含量减少而引起强度的降低，同时可提高抗腐蚀性；添加微量元素Ti主要用以形成TiC来稳定碳元素，避免生成铬的碳化物，降低耐腐蚀性；同时TiC也可细化晶粒。

本发明以超低的碳含量、中等的铬元素含量、以及适量的镍元素和微量的钛元素的化学成分制成超级马氏体不锈钢用实芯焊丝，相对于奥氏体不锈钢焊丝或双相不锈钢焊丝，大大降低了生产成本，具有低成本的优势。

本发明所制备的实芯焊丝用于焊接超级马氏体不锈钢，焊缝金属形成低碳马氏体+少量铁素体+TiC的显微组织，马氏体组织保证了较高的强度，低碳马氏体具备了较好的塑性。焊接接头的抗拉强度达到845~863MPa，延伸率达到18~28%；-30℃时焊缝金属的冲击功A_kv为187~210J；无氢致腐蚀裂纹产生，具有较强的抵抗腐蚀的性能；实现了与超级马氏体不锈钢力学性能及耐腐蚀性能的匹配。

因此，本发明合金元素含量相对较少，成本低；所制备的实芯焊丝能与超级马氏体不锈钢相匹配，且能满足对所焊接钢管的高强度和耐腐蚀性技术要求。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本其保护范围的限制：

实施例1

一种超级马氏体不锈钢用实芯焊丝及其制备方法。该实芯焊丝的化学组分是：C为≤0.02wt%，Mn为1.20~2.00wt%，Si为0.10~0.30wt%，Cr为12.00~13.00wt%，Ni为1.00~1.80wt%，Cu为0.40~0.50wt%，Ti为≤0.30wt%，N≤0.05wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

该实芯焊丝的制备工艺为：该实芯焊丝的制备工艺为：先按照上述化学组分进行冶炼，浇注成方坯，再轧制成Φ5.5~Φ7.5mm盘条，轧制后进行正火+高温回火热处理，然后进行拉拔，拉拔过程中进行1~3次退火热处理，最后拉拔成Φ1.2mm的焊丝。

本实施例所述正火+高温回火热处理是先在1020~1050℃温度下正火，保温3~4小时；然后在760~780℃温度下高温回火，保温1.5~2小时。

本实施例所述退火热处理是在630~680℃条件下保温1.5~3小时。

本实施例所制备的实芯焊丝，采用气保护焊焊接方法，保护气体为100%Ar，焊接12.3mm厚的超级马氏体不锈钢管线钢板。该超级马氏体不锈钢管线钢板的化学组分是：C为0.005~0.009wt%，Si为0.20~0.35wt%，Mn为0.30~0.55wt%，Mo为2.20~2.80wt%，Ni为5.80~6.40wt%，Cr为12.00~12.50wt%，Ti为0.006~0.008wt%，N为0.005wt%，S为0.0007wt%，P为0.018wt%。该超级马氏体不锈钢管线钢板的力学性能是：抗拉强度为870MPa，屈服强度为560MPa，伸长率A=30%；硬度值为282(HV10)；-30℃时冲击功A_kv=210J。试板坡口型式为V型，单侧坡口角度为45°。焊接电流为280~320A，电弧电压为32~34V。

焊后进行焊接接头力学性能及腐蚀性能分析：焊接接头抗拉强度为845MPa，屈服强度为580MPa，拉伸试验断于母材，伸长率A=28%；焊接热影响区最大硬度值为305 (HV10)；-30℃时焊缝金属冲击功A_kv(-30℃)=210J、-30℃时热影响区粗晶区冲击功A_kv(-30℃)=224J；焊接接头的耐氢致腐蚀裂纹测试，分别在阴极保护(Cathodic Protection)和淡酸性腐蚀介质(H₂S)的情况下进行，经4点面弯和背弯试验后，无氢致腐蚀裂纹产生。

实验结果表明：采用本实施例所制备的超级马氏体不锈钢用实芯焊丝，经气保护焊接后，其焊接接头力学性能完全满足超级马氏体不锈钢的技术要求。

实施例2

一种超级马氏体不锈钢用实芯焊丝及其制备方法。该实芯焊丝的化学组分是：C为≤0.02wt%，Mn为0.60~1.20wt%，Si为0.10~0.30wt%，Cr为11.00~12.00wt%，Ni为1.80~4.80wt%，Mo为0.01~1.02wt%，Cu为0.40~0.50wt%，Ti为≤0.30wt%，N≤0.05wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例的制备工艺、所制备的焊丝焊接工艺和所焊接的钢板同实施例1。

焊后进行焊接接头力学性能及腐蚀性能分析：焊接接头抗拉强度为863MPa，屈服强度为568MPa，拉伸试验断于母材，伸长率A=18%；焊接热影响区最大硬度值为317 (HV10)；-30℃时焊缝金属冲击功A_kv(-30℃)=187J、-30℃时热影响区粗晶区冲击功A_kv(-30℃)=198J；焊接接头的耐氢致腐蚀裂纹测试，分别在阴极保护(Cathodic Protection)和淡酸性腐蚀介质(H₂S)的情况下进行，经4点面弯和背弯试验后，无氢致腐蚀裂纹产生。

实施例3

一种超级马氏体不锈钢用实芯焊丝及其制备方法。该实芯焊丝的化学组分是：C为≤0.02wt%，Mn为0.40~0.60wt%，Si为0.10~0.30wt%，Cr为10.00~11.00wt%，Ni为4.80~6.00wt%，Mo为1.02~2.50wt%，Cu为0.20~0.40wt%，Ti为≤0.30wt%，N≤0.05wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

焊后进行焊接接头力学性能及腐蚀性能分析：焊接接头抗拉强度为852MPa，屈服强度为562MPa，拉伸试验断于母材，伸长率A=22%；焊接热影响区最大硬度值为302 (HV10)；-30℃时焊缝金属冲击功A_kv(-30℃)=193J、-30℃时热影响区粗晶区冲击功A_kv(-30℃)=195J；焊接接头的耐氢致腐蚀裂纹测试，分别在阴极保护(Cathodic Protection)和淡酸性腐蚀介质(H₂S)的情况下进行，经4点面弯和背弯试验后，无氢致腐蚀裂纹产生。

本具体实施方式含有低于0.02wt%的碳含量，以保持同母材相当的碳含量，焊缝凝固形成低碳马氏体，使其具有较好的抵抗氢致裂纹开裂的性能；Cr元素主要起到提高耐腐蚀性能的作用，同时也可提高强度；适当提高Ni含量，可扩大奥氏体相区，有助于提高材料的淬硬性；添加Mo元素以弥补因碳含量减少而引起强度的降低，同时可提高抗腐蚀性；添加微量元素Ti主要用以形成TiC来稳定碳元素，避免生成铬的碳化物，降低耐腐蚀性；同时TiC也可细化晶粒。

本具体实施方式以超低的碳含量、中等的铬元素含量、以及适量镍元素和微量钛元素的化学成分制成超级马氏体不锈钢用实芯焊丝，相对于奥氏体不锈钢焊丝或双相不锈钢焊丝，具有低成本的优势。

本具体实施方式所制备的超级马氏体不锈钢用实芯焊丝，焊缝金属形成低碳马氏体+少量铁素体+TiC的显微组织，马氏体组织保证具有较高的强度，低碳马氏体具备了较好的塑性。抗拉强度达到845~863MPa，延伸率达到18~28%；-30℃时冲击功A_kv=187~210J；在阴极保护和淡酸性腐蚀介质(H₂S)的情况下进行焊接接头的耐氢致腐蚀裂纹测试，4点面弯和背弯试验后无氢致腐蚀裂纹产生，该焊缝金属具有较强的抵抗腐蚀的性能，实现了与超级马氏体不锈钢力学性能及耐腐蚀性能的匹配。

因此，本具体实施方式合金元素含量相对较少，成本低；所制备的实芯焊丝能与超级马氏体不锈钢相匹配，且能满足对所焊接钢管的高强度和耐腐蚀性技术要求。

Claims

1.一种超级马氏体不锈钢用实芯焊丝的制备方法，其特征在于该实芯焊丝的化学组分是：C为≤0.02wt%，Mn为0.40~2.00wt%，Si为0.10~0.30wt%，Cr为10.00~13.00wt%，Ni为1.00~6.00wt%，Mo为0~2.50wt%，Cu为0.20~0.50wt%，Ti为≤0.30wt%，N≤0.05wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；

2.根据权利要求1所述的超级马氏体不锈钢用实芯焊丝的制备方法，其特征在于所述正火+高温回火热处理是先在1020~1050℃温度下正火，保温3~4小时；然后在760~780℃温度下高温回火，保温1.5~2小时。

3.根据权利要求1所述的超级马氏体不锈钢用实芯焊丝的制备方法，其特征在于所述退火热处理是在630~680℃条件下保温1.5~3小时。

4.根据权利要求1~3项中任一项所述的超级马氏体不锈钢用实芯焊丝的制备方法所制备的超级马氏体不锈钢用实芯焊丝。