CN104227265A

CN104227265A - 一种超高强度的全奥氏体不锈钢焊丝

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Publication number: CN104227265A
Application number: CN201410357157.XA
Authority: CN
Inventors: 朱珍彪
Original assignee: LUOYANG SHUANGRUI SPECIAL ALLOY MATERIAL Co Ltd
Current assignee: No 725 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corp
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2034-07-25
Also published as: CN104227265B

Abstract

一种超高强度的全奥氏体不锈钢焊丝，涉及一种不锈钢焊丝，组成该焊丝的化学成分及质量百分比为：C：0.05～0.3%、Si：0.50～1.20%、Mn：10～15.0%、Cr：16.0～20.0%、Ni：3.0～7.0%、Ti：0.01～0.03%、N：0.1～0.30%、V：0.15～0.30%、S≤0.010、P≤0.020%、余量为Fe；本发明适用于全位置焊接，焊接质量良好，同时也大幅提高了焊接效率，多次性能试验证明采用该焊丝焊接Mn13钢时，焊缝金属强度达到730MPa以上、韧性达到100J左右，满足性能指标要求，并且实现了不预热焊接，焊后无需热处理，简化了焊接工艺，且本发明的焊丝与合金含量相当的传统焊丝相比，熔敷金属的强度提高了150MPa，且低温冲击提高了20J，表明本焊丝熔敷金属综合性能优良，且成本较低，具有较高的性价比。

Description

一种超高强度的全奥氏体不锈钢焊丝

【技术领域】

本发明涉及一种不锈钢焊丝，具体涉及一种超高强度的全奥氏体不锈钢焊丝。

【背景技术】

公知的，目前焊接性较差的高硬化性钢其导热能力低、膨胀系数大使得焊接区温度梯度大，产生较大的内应力而容易发生裂纹；目前抗拉强度大于700MPa高硬化性钢用焊接材料有两类：第一类为低合金高强钢成分系，该类焊接材料焊接工艺复杂，需要焊前预热和焊后热处理，导致焊接效率低下、劳动强度增加、增加能源的消耗，虽然焊接材料成本较低，但是综合整个焊接过程性价比较低；第二类焊接材料为高合金成分系，典型焊接材料有ER307、ER307Si、ER309、ER309Mo等系列成分系，该类焊接材料熔敷金属为全奥氏体组织，具有良好的抗裂性，无需后热和焊后热处理，大大降低了劳动强度，但是该类成分系具有大量昂贵的合金元素，成本较高；该类焊接材料的另一缺点是熔敷金属力学性能较差，熔敷金属抗拉强度较低，约为600MPa左右，对于抗拉强度大于700MPa的母材，尤其焊接接头要求高强匹配或者等强匹配的焊接工艺，该类焊接材料不能满足焊接工艺的要求，另外，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。对于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700MPa以上，0℃KV2达到100J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200710025258.7，公开号101100021公开了车辆用奥氏体不锈钢气保焊焊丝，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；有的不锈钢焊丝熔敷金属为双相组织，如ER2209、ER2507、ER2594等超级双相不锈钢，具有良好的综合力学性能和焊接工艺性能，但是该系列焊丝含有大量昂贵金属，成本太高，性价比较低，很难得到广泛的应用。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200710100039.0，公开号101125397公开了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依然偏高，为8左右，但是由于焊丝中Mn含量偏低，用于焊接Mn13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，不能满足硬化性结构的焊接要求。

【发明内容】

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种超高强度的全奥氏体不锈钢焊丝，通过将N、Mn作为合金元素加入代替贵重金属镍、进一步降低昂贵Ni元素含量，实现了焊接效率高、工艺性优异、抗裂性良好且成本较低的目的。

为了实现上述发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种超高强度的全奥氏体不锈钢焊丝，组成该焊丝的化学成分及质量百分比为：C：0.05～0.3％、Si：0.50～1.20％、Mn：10～15.0％、Cr：16.0～20.0％、Ni：3.0～7.0％、Ti：0.01～0.03％、N：0.1～0.30％、V：0.15～0.30％、S≤0.010、P≤0.020％、余量为Fe。

由于采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、C是金属强化有效元素之一，为了获得超高强度等级，一定量的C元素是必不可少的，但过高的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，除此以外较高的C也使得焊丝的拉拔困难，为保证综合性能良好，规定其下限为0.1％，上限为0.3％。含碳量较高，加入微量元素Nb、Ti，稳定化元素；

2、Si一方面有助于改善熔融钢的流动性，同时还能改善熔滴金属的湿润性，这对焊丝的工艺性有重要影响；另一方面Si也有助于与氧结合形成熔渣上浮，从而降低焊缝中氧的含量，在活性气体保护焊工艺(MAG)中Si的脱氧作用是必要的。但是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，为此通常要限制Si的含量，因此Si的含量控制在0.5～1.2％；

3、Mn的作用有以下几方面：一是Mn可以使低熔点的铁硫化物转变为高熔点的锰硫化物，减少在全奥氏体焊缝中的热裂纹倾向；二是提高N的溶解度，加入Mn有利于含N焊丝的熔炼，在N含量较高的成分中必须加入高的Mn元素；三是Mn为强化元素，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，高锰焊丝还可以弥补锰的烧损，另外，Mn在熔池中也具有脱氧作用，对于采用活性气体的MAG工艺来讲Mn是重要的脱氧元素。最终确定Mn含量为,10％～15.0％，Mn含量的控制为本焊丝开发的关键技术之一；

4、Cr是为保证焊缝金属具有一定的抗腐蚀性能并控制焊缝组织而加入的，过高或者过低都不能达到很好的强韧性匹配，另外，Cr元素能够促进N在Ni-Cr-Mn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，因此确定Cr含量为16.0％～20.0％；

5、Ni是奥氏体形成元素，并且能够改善金属低温韧性，为了保证焊缝金属具有一定的塑韧性，成分体系中应加入适量的Ni元素，Cr、Ni元素的含量还用来控制焊缝中Creq与Nieq比值，保证焊缝金属为全奥氏体组织，确定Ni含量为3.0％～6.0％，Ni为稳定奥氏体元素，使得钢获得稳定的奥氏体组织，具有良好的强韧性，但是不锈钢快速需求打制镍资源匮乏，严重缺稀，几年来，开展节镍、以及无镍不锈钢研究的深入，为开展新型奥氏体焊材带来新的启发。

6、N元素是本焊丝具有超高强度的重要强化合金元素，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，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，目前，高氮钢为国际研究的热点，节镍含氮钢的屈服强度由三部分组成，即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、基体强度和固溶强化Pickering等研究表明，氮在奥氏体中的固溶，强烈增加了奥氏体的强度，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0.15～0.3％，另外，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，氮在高锰奥氏体不锈钢中有很高的溶解度，本成分系的设计恰恰为超高锰含量，高Cr、高Mn含量大大增加了N的溶解度，因此本焊丝成分系的设计更多考虑了增加Cr、Mn元素，N对组织有较大影响，其形成奥氏体能力与C相当，约为镍的30倍，可代替部分镍，使得奥氏体更加稳定，N的固溶强化作用对力学性能的贡献较大。本焊丝中N含量的控制为另一关键技术；

7、V元素具有较强的固溶强化作用，同时也能够提高N元素在奥氏体焊缝金属的溶解度，根据试验结果可控制V含量范围为0.15％～0.30％；

8、S、P元素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％、0.020％。

本发明的焊丝具有如下优越性：

1、本发明所述的该焊丝能够适用于全位置焊接，焊接质量良好，同时也大幅提高了焊接效率，多次性能试验证明采用该焊丝焊接Mn13钢时，焊缝金属强度达到730MPa以上、韧性达到100J左右，满足性能指标要求，并且实现了不预热焊接，焊后无需热处理，简化了焊接工艺；

2、由于焊丝具有高强度、高韧性的特点，焊接工艺性能良好，可用于高硬化性钢、高锰钢、不锈钢等接性较差的异种及同种钢焊接、高强度装甲钢的焊接，可用于大型机械、压力容器等大壁厚大刚性结构焊接以及高强度高硬度难焊接钢种的焊接；因此，本发明具有较好的市场前景，是一种值得推广的焊接材料；

3、本发明焊丝与合金含量相当的传统焊丝相比，熔敷金属的强度提高了150MPa，且低温冲击提高了20J，表明本焊丝熔敷金属综合性能优良，且成本较低，具有较高的性价比；

4、本发明焊丝的熔敷金属不但具有较高的抗拉强度，而且具有优良的韧性，抗拉强度Rm为730～780MPa，0℃KV2达到90～120J；

5、本发明焊丝采用氧化性较高的80％Ar+20％CO₂作保护气体，焊接工艺性能良好。

附图说明

图1为本发明实施例1的焊缝金相组织图；

图2为本发明实施例3的焊缝金相组织图；

【具体实施方式】

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进，本发明并不局限于下面的实施例：

本发明针对700MPa级高硬化性钢化学成分及熔化极气体保护焊工艺特点，对全奥氏体熔化极气体保护焊丝进行成分设计，在控制C含量情况下，主要采用N、Mn、Cr、Ni等元素进行强化；参照修正的WRC-1992相组分图，控制Creq与Nieq以保证焊接进行不同含量的设计，经过大量焊丝试制确定了焊丝的最终成分。

所述的超高强度的全奥氏体不锈钢焊丝，组成该焊丝的化学成分及质量百分比为：C：0.05～0.3％、Si：0.50～1.20％、Mn：10～15.0％、Cr：16.0～20.0％、Ni：3.0～7.0％、Ti：0.01～0.03％、N：0.1～0.30％、V：0.15～0.30％、S≤0.010，P≤0.020％、余量为Fe。

本发明焊丝的制备与现有不锈钢焊丝技术工艺相同，首先按照本发明设计成分系进行配料，采用感应炉冶炼后进行电渣重熔，然后对铸锭进行锻造、热轧与拉拔等加工其中锻造始锻温度为1050℃、终锻为900℃，热轧开轧温度为1100℃、终轧为950℃，经过数道次轧成40mm方坯，再经过数道次轧成5.5mm的盘条；冷拔时要经过2次退火处理(900～1050℃)、7次拉拔为1.2mm成品焊丝，成品丝表面采用电解酸洗、电解碱洗以及高压水等清洗工艺，焊丝表面质量优良，焊接工艺性能优良。

实施例

所用实施例焊丝的化学成分见表1，焊丝规格为φ1.2mm。试验用钢板为20mm厚为Mn13钢，焊接工艺见表2，采用80％Ar+20％CO₂作保护气体，表2为试板焊接规范，表3为熔敷金属力学性能表，为对比方便，本发明焊丝1、2、3为发明实例，焊丝4、5为现有技术ER307Si、ER309Mo焊丝对比为例，试验并对焊缝组织进行了分析，几种实施例的焊缝金相组织相同，均是奥氏体+少量碳化物。

表1 本发明实施例焊丝与现有技术对比例焊丝化学成分如表：(重量，％)

表2 焊接工艺参数

表3 本发明实施例焊丝与现有技术对比例焊丝熔敷金属力学性能对比表

由于氮的强化作用，本发明焊丝与合金含量相当的传统焊丝相比，熔敷金属的强度提高了150MPa，且低温冲击提高了20J，表明本焊丝熔敷金属综合性能优良，且成本较低，具有较高的性价比。

为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和本发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims

1.一种超高强度的全奥氏体不锈钢焊丝，其特征是：组成该焊丝的化学成分及质量百分比为：C：0.05～ 0.3%、Si：0.50 ～ 1.20%、Mn：10～ 15.0%、Cr：16.0 ～ 20.0%、Ni：3.0 ～ 7.0%、Ti：0.01 ～0.03%、N：0.1 ～ 0.30%、V：0.15 ～ 0.30%、S ≤ 0.010、P ≤ 0.020%、余量为Fe。