CN102658440A - 一种铁道车辆用高耐蚀型的耐候埋弧焊丝及盘条 - Google Patents

Abstract

一种铁道车辆用高耐蚀型的耐候埋弧焊丝及盘条，其化学成分为重量百分比为：C≤0.05％，Si≤0.10％，Mn0.3～0.7％，S≤0.015％，P≤0.020％，Cr1.3～2.0％，Ni 3.3～5.0％，Cu0.10～0.25％，Ti0.02～0.10％，B0.001～0.01％，O≤0.0060％，N≤0.0070％，其余为Fe及不可避免的杂质元素，焊态下所得熔敷金属的综合力学性能：下屈服强度ReL≥500MPa，抗拉强度Rm≥650MPa，伸长率A≥17％，-40℃时的Akv≥47J。其熔敷金属的耐腐蚀性能，即相对腐蚀率不大于10％。本发明解决了第三代铁道车辆用新型高耐蚀型耐候钢系列(S450EW、S350EW)的配套埋弧焊丝问题；焊态下，满足对第三代耐候钢焊接材料的技术要求。

Description

一种铁道车辆用高耐蚀型的耐候埋弧焊丝及盘条

技术领域

本发明涉及焊接材料，特别涉及一种铁道车辆用高耐蚀型的耐候埋弧焊丝及盘条。

背景技术

耐候钢是指通过添加少量的合金元素如Cu、P、Cr、Ni等，使其在金属基体表面上形成保护层，以提高耐大气腐蚀性能的钢。耐候钢可分为高磷铜加铬、镍的CorTen A系列以铬锰合金化为主的CorTen B系列。

第一代铁道车辆用耐候钢为Cu-P系，与普碳钢相比，典型耐候钢的化学成分及相对腐蚀水平如表1所示。强度级别最高的为Q345级，其力学性能具体为：下屈服强度ReL≥345MPa，抗拉强度Rm≥480MPa，断后伸长率A≥24％，20℃时，A_kv≥47J，-40℃时，A_kv≥21J。

表1第一代耐候钢的牌号、主要化学成分以及腐蚀性能

第二代铁道车辆用耐候钢为Cu-Cr-Ni系，抛弃了传统铁道车辆耐候钢Cu-P作为耐候元素的思路，将P作为有害元素，添加更多的Cu和Cr元素来保证耐候性。第二代钢耐候性在保证与第一代的相当的同时，也提高了钢材的低温冲击性能和焊接性能。第二代钢的强度指标大幅提高，成为增加载重量，提高速度的铁道车辆的首选用耐候钢。与普碳钢相比，典型耐候钢的化学成分及相对腐蚀水平如表2所示。第二代耐候钢的力学性能指标如表3所示。

表2第二代耐候钢的牌号、主要化学成分以及腐蚀性能

表3第二代耐候钢的力学性能

第三代耐候钢主要采用高Cr的耐候体系，将P作为有害元素，Cu和Ni元素与第二代的相同。第三代钢耐候性基本上比第二代提高一倍，化学成分及相对腐蚀水平如表4所示；第三代钢的力学性能基本与第二代的相同，力学性能指标如表5所示。

表4第三代耐候钢牌号及化学成分

表5第三代耐候钢的力学性能

与第一代、第二代耐候钢相匹配的埋弧焊丝的化学成分、力学性能及腐蚀性能指标如表6、表7所示。耐候埋弧焊丝及盘条的腐蚀性能，需与母材的耐腐蚀性能等同，即相对腐蚀率不大于10％。

表6第一代、第二代耐候钢相匹配的埋弧焊丝的化学成分

表7第一代、第二代耐候钢相匹配的埋弧焊丝的力学性能及腐蚀性能

从上述分析可知：第一代用于铁道车辆的耐候钢主要为CorTen A。第二代铁道车辆用耐候钢主要为不含P的Cu-Cr-Ni合金系的高强耐候钢。二者的耐候性能相当。但随着国家对铁道相关领域的大力投入，认为现有的耐侯钢不能满足铁道车辆的重载与长寿命的要求。为此小批量试制了铝合金与不锈钢车辆。这两种材料制成的车辆，其耐腐蚀性能大大提高，但同时也存在着其它问题。如二者均均在成本过高，制作成本过高，同时铝合金车的强度与耐磨的能力还不足。为此铁道部希望可以开发出大大提升其耐候性能的第三代的耐候钢，同时具有良好的经济性与可制造性。

针对铁道部的需求，宝钢开发了第三代铁道车辆用新型高耐蚀型耐候钢，其合金含量属于中合金，介于低合金钢和不锈钢之间。本发明的埋弧焊丝及盘条是专门为第三代铁道车辆用新型高耐蚀型耐候钢而开发的，也属于中合金体系，材料的综合力学性能和耐腐蚀性能满足铁道部对第三代耐候钢焊接材料的技术要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁道车辆用高耐蚀型的耐候埋弧焊丝及盘条，主要解决第三代铁道车辆用新型高耐蚀型耐候钢系列(S450EW、S350EW)的配套埋弧焊丝问题。焊态下，埋弧焊丝熔敷金属的综合力学性能和耐腐蚀性能可以满足铁道部对第三代耐候钢焊接材料的技术要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种铁道车辆用高耐蚀型的耐候埋弧焊丝及盘条，其化学成分为重量百分比为：C≤0.05％，Si≤0.10％，Mn 0.3～0.7％，S≤0.015％，P≤0.020％，Cr 1.3～2.0％，Ni 3.3～5.0％，Cu 0.10～0.25％，Ti 0.02～0.10％，B 0.001～0.01％，O≤0.0060％，N≤0.0070％，其余为Fe及不可避免的杂质元素，焊态下所得熔敷金属的综合力学性能，可达到如下指标：下屈服强度ReL≥500MPa，抗拉强度Rm≥650MPa，伸长率A≥17％，-40℃时的Akv≥47J。

其熔敷金属的耐腐蚀性能，与第三代铁道车辆用新型高耐蚀型耐候钢S450EW相比，其相对腐蚀率不大于10％。

本发明的中合金耐蚀型耐候埋弧焊丝是在焊态下使用，为了达到良好的耐腐蚀性能和综合力学性能，因此需要一定的合金成分，同时要保证良好的低温冲击韧性、可焊性及经济性，合金成分应尽可能简单且必须使用洁净钢技术。其合金系为Ni-Cr-Mn-Ti-B，通过固溶强化、析出强化、细晶强化等手段来提高熔敷金属的强度和低温韧性。

在本发明的化学成分设计中：

C：碳含量增加，会使强度增加，延伸率降低，塑性、冷变形能力变差，这对焊丝盘条的拉拔性能不利。因此本发明C的选择的范围是≤0.05％。

Si：为脱氧元素，同时含量太高，会通过固溶强化提高强度，并影响熔敷金属的韧性，合理的范围是≤0.10％。

Mn：也为脱氧元素，但在本合金体系中，含量太高时，在提高焊缝金属强度的同时，也会使塑韧性变差，因此锰的合理的范围是0.30～0.70％。

Cr：是本发明的主要耐候性元素之一，但铬具有很强的淬透性，可使C曲线右移。如果含量过高，会降低钢板韧性，增加脆性相产生的可能性，对焊接不利，其合理范围是1.3～2.0％。

Ni：也是本发明的主要耐候性元素之一，Ni可促进奥氏体向针状铁素体转变，同时降低奥氏体向铁素体的相变温度，抑制共析铁素体的形成；为了避免Cr所产生的脆性组织，需要加入一定量的Ni含量来平衡；随着焊缝金属中Ni含量的提高，焊缝金属的低温韧性趋于稳定；因此其合理范围是3.3～5.0％。

Cu：一定量的铜含量可有效防止氢脆的发生，这一点对于中合金焊丝比较重要。同时Cu也可以在一定程度上提高焊缝金属的耐候性。基于这些因素本发明限定铜的范围是0.10～0.25％。

Ti与B：在焊缝金属中主要起到脱氧、脱氮作用；Ti与B复合微合金化，可以显著改焊缝金属的冲击性能，减小先共析铁素体的数量与比例，增加针状铁素体与细小二次相组织，从而提高焊缝金属的强韧性与塑性；但较多的Ti、B会大幅提高焊缝金属的强度，并有可能形成粗大夹杂物，降低其延伸率，所以Ti含量限定在0.02～0.1％、B含量限定在0.001～0.01％。

P、S：杂质元素含量越低，钢质就越纯净，韧性会越好。综合炼钢成本的因素，分别控制在P≤0.020％，S≤0.015％。

综上所述，本发明是与第三代耐候钢相匹配的埋弧焊丝及盘条，它必须保持与母材具有等同的耐候性，因此，它必须也含有一定的Cr含量，由于Cr元素的淬透性很好，强度很易大幅提高，同时Cr元素又易脆化，造成冲击性能大幅降低，因此，Cr元素不能与母材一样那么高，必须限定Cr处于1.3％～2.0％。焊丝中与母材差异的Cr含量对耐候性的减弱，通过增加Ni元素含量来弥补，根据二者对耐候性的当量关系，增加了Ni含量到3.3％～5.0％。这样埋弧焊丝的耐候性基本上可以达到与母材的耐候性相当。在埋弧焊丝及盘条中含有这么高的合金元素前提下，要保证焊缝金属或熔敷金属具有良好的冲击性能，必须材料采用超低碳，即本发明的碳含量C≤0.05％。为了控制埋弧焊丝及盘条焊缝金属或熔敷金属与母材力学性能相当，必须把焊缝金属或熔敷金属的强度降下来，因此Mn含量降到0.3％～0.7％。焊剂中会过渡一部分Si，起到脱氧作用，同时Si会通过固溶强化提高强度，因此埋弧焊丝及盘条中的Si含量不宜太高，应限定不大于0.10％。一定量的铜含量可有效防止氢脆的发生，这一点对于中合金焊丝比较重要；同时Cu也可以在一定程度上提高焊缝金属的耐候性；但铜含量太高时，会引起铜脆及冶炼困难，因此焊丝及盘条中铜的范围是0.10％～0.25％。

本发明的有益效果：

本发明盘条、焊丝与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明焊丝及盘条匹配SJ101或SJ102后，所得熔敷金属及焊接接头在焊态条件下，具有良好的耐候性和综合力学性能，尤其是良好的耐候性。其耐候性能指标为，与第三代铁道车辆用新型高耐蚀型耐候钢S450EW相比，其相对腐蚀率不大于10％。

2.本发明埋弧焊丝及盘条匹配SJ101或SJ102后，所得熔敷金属及焊缝金属属于低碳中合金系列，且采用Ti、B复合微合金化，使得其综合力学性能优异。本发明盘条、焊丝所得熔敷金属的综合性能为：屈服强度：≥500MPa；抗拉强度：≥650MPa；伸长率：≥17％；-40℃条件下Akv大于47J。

具体实施方式

下面就和实施例对本发明做进一步说明。

根据本发明焊丝的化学成分范围，采用50kg、500kg的真空感应炉、40t电炉、300t的转炉冶炼、热轧成

的盘条，再进行粗拉拔、中间退火处理、精拉拔工艺和镀铜工艺，最终生成出和

的焊丝，焊丝的化学成分列于表1。

焊接试板采用铁道车辆用新型耐候钢，牌号为S450EW，板厚20mm，坡口形式为30°单面V型对接，底面间隙12mm。采用埋弧焊方式，焊剂使用SJ101和SJ102，焊机为林肯DC1000。焊前不预热，层间温度控制在150℃左右，焊接热输入在23kJ/cm左右。焊后在这个焊接试板中切取熔敷金属的拉伸试样和冲击试验，进行性能测试，结果列于表2，参照标准TB/T2375《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》进行腐蚀试样，72h的腐蚀试验结果列于表3。

表1      单位：重量百分比

表2实施例焊丝熔敷金属的力学性能

注：A_kv*是五个熔敷试样CVN试验的冲击数值平均值。

表3实施例焊丝熔敷金属的腐蚀性能

本发明的焊丝适合抗拉强度550MPa以上的的中合金结构钢的埋弧焊接，可应用于新型铁路车辆的罐车、重载车辆、工程机械、起重运输设备、矿山机械等重要结构的埋弧焊接的生产与制造。

Claims (1)

1.一种铁道车辆用高耐蚀型的耐候埋弧焊丝及盘条，其化学成分为重量百分比为：C≤0.05％，Si≤0.10％，Mn 0.3～0.7％，S≤0.015％，P≤0.020％，Cr 1.3～2.0％，Ni 3.3～5.0％，Cu 0.10～0.25％，Ti 0.02～0.10％，B 0.001～0.01％，O≤0.0060％，N≤0.0070％，其余为Fe及不可避免的杂质元素，焊态下所得熔敷金属的综合力学性能如下：下屈服强度ReL≥500MPa，抗拉强度Rm≥650MPa，伸长率A≥17％，-40℃时的Akv≥47J。