CN104759784A - 一种核i级2209双相不锈钢焊丝及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了核I级2209双相不锈钢氩弧焊丝及其制造方法，其成分及质量百分配比为：C 0～0.03％，Mn 0.5～2.0％，Si 0～0.90％，S 0～0.03％，P 0～0.03％，Cr 21.5～23.5％，Ni 7.5～9.5％，Mo 2.5～3.5％，N 0.08～0.20％，Cu 0～0.75％，余量的Fe。本发明的核I级2209双相不锈钢氩弧焊丝对合金系中各合金元素进行合理搭配，可使焊丝具有较好的工艺性能及机械性能，飞溅小，脱渣性能好，且具有优异的抗应力腐蚀开裂和抗点蚀能力，通过合金体系的设计，保证焊缝金属得到稳定的相比例；本发明的双相不锈钢氩弧焊丝的制造方法，制成的焊丝强度高、塑性好。

Description

一种核I级2209双相不锈钢焊丝及制造方法

技术领域

本发明属于焊接材料领域，涉及一种核I级2209双相不锈钢氩弧焊丝及制造方法。

背景技术

随着时间的推移，我国的核电事业将进入一个飞速发展的时代。随着金属制造和不锈钢行业的迅猛发展，对焊接工艺所用氩弧焊丝的产品技术要求也非常高。但是核电用焊接材料普遍依靠进口，为了实现核电焊材的国产化，有必要研制能够替代进口核电焊材的国产核电焊材。在核电领域中，双相不锈钢被广泛的用于反应堆压力容器、堆芯、堆内构件、控制棒驱动机构、一回路管道和冷却剂泵、蒸汽发生器和热交换器等设备中，且双相不锈钢焊材使用量也非常巨大。双相不锈钢焊材的国产化能有利于国家节省成本，控制质量，保证核电工程进度。双相不锈钢有以下性能特点：双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能；含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能；具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能；综合力学性能好；可焊性良好，热裂倾向小，一般焊前不需预热，焊后不需热处理。广泛用于核电、炼油、化肥、造纸、石油、化工等耐海水耐高温浓硝酸等热交换器和冷淋器及器件。

目前国内核电关键设备制造及安装中用到的焊接材料以进口为主。使用的焊接材料全部被国外公司所垄断，不仅价格昂贵，采购周期长，质量控制难，而且存在因政治原因而被封锁的风险，不利于我国核电事业的发展。国内核电大批量建设期间，迫切需要开展核级焊接材料的国产化。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种核I级2209双相不锈钢氩弧焊丝及制造方法，使其具有优良的焊接性能，飞溅小，脱渣性能好，提高了双相不锈钢焊丝的焊接工艺性能，特别是且具有优异的抗应力腐蚀开裂和抗点蚀能力，通过调整微量的合金元素，能够有效的控制铁素体和奥氏体比列。

技术方案：为实现上述目的，一种核I级2209双相不锈钢焊丝，其成分及质量百分配比为：C 0～0.03％，Mn 0.5～2.0％，Si 0～0.90％，S 0～0.03％，P 0～0.03％，Cr 21.5～23.5％，Ni 7.5～9.5％，Mo 2.5～3.5％，N 0.08～0.20％，Cu 0～0.75％，余量的Fe。

作为优选，所述Cu的质量百分比为0.10～0.75％。

作为优选，所述Si的质量百分比为0.20～0.90％

根据上述的一种核I级2209双相不锈钢焊丝的制造方法，其步骤为：

(1)将配方中含量的纯铁与Ni、Cr、Mo很难被氧化的元素混合，然后在真空感应炉进行熔化，熔化期真空度控制在7.83Pa以下，然后再向炉中加入配方中含量的Si、N、Cu，全熔后充分搅拌；

(2)当熔炼温度至1580℃钢液平静时，停电抽至真空20～25分钟，再送电升温，结膜熔清后，加入配方中含量的C进行精炼，精炼温度保持在1580℃～1600℃，精炼时间25～30分钟；

(3)出钢前10分钟降温，充分均匀搅拌后充Ar320～420Pa，加入配方中含量的Mn，再充分搅拌后，于1580℃出钢；

(4)钢液浇注在预抽真空下进行，开始时小流，钢液充满钢模模底后，适当加大流速使钢液在模内平稳地上升，当浇至冒口线上时，细流填充；

(5)浇注完15分钟后充气破真空，拉开炉体，45分钟后钢锭可脱模空冷；

(6)将钢锭装入锻造炉中，炉中温度小于750℃，预热时间45min，然后加热温度达到1130℃～1140℃，加热时间35min，保温时间20min，从锻造炉中取出进行锻造，制成钢坯；

(7)钢坯装入锻造炉中，温度小于700℃，预热时间25min，然后加热温度达到1125℃，加热时间30min，保温时间10min，取出钢坯，进行热轧开坯得到铸锭；

(8)铸锭经过表面清理后，先锻造成方坯，将方坯轧制成Φ8.0mm盘条后，盘条采用机械方法剥去热轧盘条表层附着的氧化皮，并使残存的氧化铁皮组织疏松，Φ8.0mm坯料加热4h到600～650℃，保温2.5h，缓冷2h出炉，加热保温期间充入氮气；

(9)退火处理后的坯料经过酸洗之后冷拔加工至Φ5.0mm，再次酸洗之后进一步冷拔加工至Φ4.0mm；

(10)再次按照步骤(8)中退火和酸洗之后进一步冷拔加工至Φ2.4mm，再次按照步骤(8)中退火和酸洗之后进一步冷拔加工至Φ2mm；

(11)将拉制合格的焊丝通过双相不锈钢氩弧焊丝抛光机进行抛光；

(12)将该抛光后的核Ⅰ级2209双相不锈钢氩弧焊丝通过不锈钢氩弧焊丝切割机进行切丝，得到本产品。

作为优选，所述步骤(8)中加热保温期间充氮压力要大于0.07Mpa。

作为优选，所述步骤(8)中在690～450℃之间冷却时应控制冷却速度为2～4℃/min。

具体对本发明的理化分析如下：

C用作提高焊丝和熔敷金属的强度。当外皮中C的含量增加时，焊接时的飞溅量也增加。当含量超过0.03wt％时，焊接时的飞溅量增多。因此，外皮中C的含量，相对于金属外皮的总重量，限制为0.03wt％以下。

Mn是去氧元素和奥氏体稳定化元素，其用于调整焊接金属的微细结构。当Mn含量低于0.5wt％时，不能充分莸得其效果。当Mn含量超过2.0wt％时，无法在耐点蚀性和强度方面获得良好的效果。因此，Mn含量设在焊丝总重量的0.5～2.0wt％范围内。。

Si是熔渣生成和焊接金属的强化元素。铁素体利用Si增加坚硬度、弹性系数和张力，减少伸长度和冲击值。当Si含量低于0.20wt％时，得不到适当的强度。因此难以获得到预期效果。当Si含量超过0.90％时，韧性减少的效果大于强度增加的效果。因此，Si含量设在焊丝总质量的0.20～0.90％wt％范围内。

S：在双相不锈钢中，硫是主要的有害杂质，它对焊缝的热塑性、耐蚀性均会产生不利的影响，因此，一般硫的含量应限制在0.03％以下；对于高强、高韧可控相变的钢，应将硫含量限制在更低的水平。

P：是双相不锈钢中的有害杂质，一般规定钢中磷的含量要控制在0.03％以下。

Cr是焊接金属中的铁素体稳定化元素，其用于改善耐点蚀性、耐晶间腐蚀性和抗裂性。当Cr含量低于21.5wt％时，不能充分地获得这种效果。当Cr含量超过23.5wt％时，σ相被析出和溴化，由此降低了韧性及伸长度。因此，Cr的含量设在焊丝总重量的21.5～23.5wt％范围内。

Ni是焊接金属中的奥氏体稳定化元素，其用于避免在焊接金属部分中形成铁素体相，并提高焊接金属的韧性，以及提高耐点蚀性、耐晶间腐蚀性和抗裂性。当Ni含量低于7.5wt％时，不能充分地获得其效果。当Ni含量超过9.5wt％时，奥氏体的百分比变得过多，由此在降低强度的同时，韧性的增加效果也接近其极限，也就是说其效果变得不明显。因此将Ni含量设在焊丝总重量的7.5～9.5wt％范围内。

Mo用于改善焊接金属的耐点蚀性以及其在高强度和高温下的抗回火性。当Mo含量低于2.5wt％时，不能充分地莸得其效果。同时，当Mo含量超过3.5wt％时，σ相被析出和溴化，由此降低了韧性。因此，将Mo含量设在焊丝总重量的2.5～3.5wt％范围内。

N是固溶体强化元素，其用于提高焊接金属的强度，以及改善耐点蚀性。当N含量低于0.08wt％时，不能充分获得到其效果。当N含量超过0.20wt％时，容易出现例如气孔等焊接缺陷，并降低韧性使冲击值减少。而且，N含量超过0.20wt％可导致生成焊接气孔和时效硬化。因此N含量设在焊丝总重量的0.08～0.20wt％范围内。

Cu用于提高耐点蚀性，特别是提高耐酸腐蚀性。在低pH的环境中，例如含有H₂S0₄或者硅化氢的环境，Cu可提高耐腐蚀性。然而，当Cu含量低于0.lwt％时，不能充分地获得其效果。另一方面，当Cu含量超过0.75wt％时，抗张强度和屈服点增加，且韧性、伸长度和表面收缩率的比例减少。因此，Cu含量设在焊丝总重量的0.1～0.75wt％范围内。

有益效果：本发明相对于现有技术而言，具备如下优点：对合金系中各合金元素进行合理搭配，可使焊丝具有较好的工艺性能及机械性能，飞溅小，脱渣性能好，且具有优异的抗应力腐蚀开裂和抗点蚀能力通过合金体系的设计，保证焊缝金属得到稳定的相比例。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

一种核I级2209双相不锈钢焊丝，其成份包括：0～0.03％C，0.5～2.0％Mn，0.20～0.90％Si，0～0.03％S，0～0.03％P，21.5～23.5％Cr，7.5～9.5％Ni，2.5～3.5％Mo，0.08～0.20％N，0.10～0.75％Cu，余量的Fe。

下面通过实施例1～5来进一步说明。

表1为焊丝的组分分布(重量百分比％)

针对上面实施例1～5，一种核I级2209双相不锈钢焊丝的制造方法，其步骤为：

(1)将配方中含量的纯铁与Ni、Cr、Mo很难被氧化的元素混合，然后在真空感应炉进行熔化，熔化期真空度控制在7.83Pa以下，然后再向炉中加入配方中含量的Si、N、Cu，全熔后充分搅拌；

(2)当熔炼温度至1580℃钢液平静时，停电抽至真空20～25分钟，再送电升温，结膜熔清后，加入配方中含量的C进行精炼，精炼温度保持在1580℃～1600℃，精炼时间25～30分钟；

(3)出钢前10分钟降温，充分均匀搅拌后充Ar320～420Pa，加入配方中含量的Mn，再充分搅拌后，于1580℃出钢；

(4)钢液浇注在预抽真空下进行，开始时小流，钢液充满钢模模底后，适当加大流速使钢液在模内平稳地上升，当浇至冒口线上时，细流填充；

(5)浇注完15分钟后充气破真空，拉开炉体，45分钟后钢锭可脱模空冷；

(6)将钢锭装入锻造炉中，炉中温度小于750℃，预热时间45min，然后加热温度达到1130℃～1140℃，加热时间35min，保温时间20min，从锻造炉中取出进行锻造，制成钢坯；

(7)钢坯装入锻造炉中，温度小于700℃，预热时间25min，然后加热温度达到1125℃，加热时间30min，保温时间10min，取出钢坯，进行热轧开坯得到铸锭；

(8)铸锭经过表面清理后，先锻造成方坯，将方坯轧制成Φ8.0mm盘条后，盘条采用机械方法剥去热轧盘条表层附着的氧化皮，并使残存的氧化铁皮组织疏松，Φ8.0mm坯料加热4h到600～650℃，保温2.5h，缓冷2h出炉，加热保温期间充入氮气，加热保温期间充氮压力要大于0.07Mpa，在690～450℃之间冷却时应控制冷却速度为2～4℃/min；

(9)退火处理后的坯料经过酸洗之后冷拔加工至Φ5.0mm，再次酸洗之后进一步冷拔加工至Φ4.0mm；

(10)再次按照步骤(8)中退火和酸洗之后进一步冷拔加工至Φ2.4mm，再次次按照步骤(8)中退火和酸洗之后进一步冷拔加工至Φ2mm。

(11)将拉制合格的焊丝通过双相不锈钢氩弧焊丝抛光机进行抛光；

(12)将该抛光后的核Ⅰ级2209双相不锈钢氩弧焊丝通过不锈钢氩弧焊丝切割机进行切丝，得到本产品。

其中，多次退火的目的为了消除拉拔过程中产生的冷作硬化和降低钢丝硬度，用以恢复材料的韧性和加工能力。对于本文中研制的核Ⅰ级2209双相不锈钢氩弧焊丝用钢可采用井式炉进行高温软化退火处理，选择退火温度900士10℃，保温2.5h，空冷至室温。酸洗的目的在于在冷拔工序前去除钢材表面的氧化层，以保证冷拔钢丝的质量。为了在拔制过程中减小摩擦、降低拔制力、提高拉模寿命、保证获得良好、光洁的表面，在进行冷拔前需进行润滑处理，还要选择适宜的润滑剂和润滑方式。冷拔的道次变形量直接影响钢材的强度、硬度及塑性。一般道次减面率要控制在小于28％，以避免拉拔过程中的表面划伤和拔裂。

核Ⅰ级2209双相不锈钢氩弧焊丝制备流程主要有熔炼、热成型和冷成型三个主要的过程。

核Ⅰ级2209双相不锈钢氩弧焊丝熔炼工艺如下，制备的具体过程是先把纯铁与Ni、Cr、Mo很难被氧化的元素混合，然后在真空感应炉进行熔化。然后再与Mn、Si、N、Cu易被氧化的元素混合。装炉时纯铁装入坩埚的四周，Ni、Cr、Mo依次装入坩埚中部。装料要密实，为防止熔炼过程中“架桥”，坩埚应装成上松下紧。易氧化元素装在料槽中，其顺序为：C、Mn。整个熔炼过程尽量避免破坏真空，熔化期真空度控制在7.83Pa以下，使钢液充分脱气，全熔后充分搅拌。当熔炼温度至1580℃钢液平静时，可停电抽空20～25分钟，再送电升温，结膜熔清后，加入配方中含量的C进行精炼，精炼温度保持在1580℃～1600℃，精炼时间25～30分钟。出钢前10分钟降温，充分均匀搅拌后充Ar320～420Pa，加入Mn，再充分搅拌后，于1580℃出钢。浇注在预抽真空下进行，开始时小流，钢液充满模底后，适当加大流速使钢液在模内平稳地上升。当浇至冒口线上时，细流填充以防缩孔。浇注完15分钟后充气破真空，拉开炉体，45分钟后钢锭可脱模空冷。冶炼后观察钢锭表面，双相不锈钢的冶金质量良好，无明显的疏松、孔洞、裂纹等缺陷。从冶炼过程现场分析来看，该种合金的冶炼过程正常，较易控制和合金化，冶炼难度适中。

核Ⅰ级2209双相不锈钢氩弧焊丝热成型工艺如下，热加工分为钢锭的锻造开坯、热轧开坯及盘条轧制三部份。锻造开坯的工艺参数：装炉温度小于750℃，预热时间45min，加热温度达到1130℃，加热时间35min，保温时间20min；热轧开坯的工艺参数:装炉温度小于700℃，预热时间25min，加热温度达到1125℃，加热时间30min，保温时间10min；经过以上工序后，盘条轧制，这个过程温度维持在850℃左右，冷却方式采用堆垛空冷的方式。

核Ⅰ级2209双相不锈钢氩弧焊丝冷成型工艺如下，铸锭经过表面清理后，先锻造成方坯，将方坯轧制成Φ8.0mm盘条后，进行钢盘条预处理工序，主要的目的是去鳞并改善润湿条件，主要方法是化学法和机械法相结合。先采用机械方法剥去热轧盘条表层附着的氧化皮，并使残存的氧化铁皮组织疏松，有利于在酸洗时加快化学反应速度，彻底清除盘条表面的氧化铁皮。Φ8.0mm坯料在进行冷加工之前必须进行中间退火处理，消除拉拔内应力，以降低材料硬度，使其可以适用于冷成型工艺，退火处理要在还原性气氛中(充氮)中进行，先将焊丝加热4h到600～650℃，保温2.5h，缓冷2h出炉，加热保温期间充氮压力要大于0.07Mpa，在690～450℃之间冷却时应控制冷却速度为2～4℃/min。退火处理后的坯料经过酸洗之后冷拔加工至Φ5.0mm，再次酸洗之后进一步冷拔加工至Φ4.0mm。再次退火和酸洗之后进一步冷拔加工至Φ2.4mm，再次退火和酸洗之后进一步冷拔加工至Φ2mm。其中，多次退火的目的为了消除拉拔过程中产生的冷作硬化和降低钢丝硬度，用以恢复材料的韧性和加工能力。对于本文中研制的核Ⅰ级2209双相不锈钢氩弧焊丝用钢可采用井式炉进行高温软化退火处理，选择退火温度900士10℃，保温2.5h，空冷至室温。酸洗的目的在于在冷拔工序前去除钢材表面的氧化层，以保证冷拔钢丝的质量。为了在拔制过程中减小摩擦、降低拔制力、提高拉模寿命、保证获得良好、光洁的表面，在进行冷拔前需进行润滑处理，还要选择适宜的润滑剂和润滑方式。冷拔的道次变形量直接影响钢材的强度、硬度及塑性。一般道次减面率要控制在小于28％，以避免拉拔过程中的表面划伤和拔裂。将拉制合格的焊丝通过双相不锈钢氩弧焊丝抛光机进行抛光，最后将抛光好的焊丝在双相不锈钢氩弧焊丝切割机上按照一定的长度进行切割。将切割好的焊丝在软态下进行检验，涂油包装。

具体实施例效果之一：

熔敷金属化学成分％

焊缝金属中铁素体含量％

观察位置	打底焊道	中间焊道	盖面焊道
				铁素体含量	47.6	48.7	50.2

熔敷金属力学性能

根据以上1～5的实施例制备的焊丝，发现2号的焊接效果比较理想，操作工艺性能良好，电弧稳定，脱渣容易，焊缝成型良好；经金相观察，焊缝组织中铁素体的含量为40～50％，相比例满足工程应用要求；焊接出的焊缝具有优异的力学性能，焊缝耐腐蚀性能良好，抗拉强度满足相应的要求，具有良好的低温韧性；焊缝的耐应力腐蚀性、耐点蚀性能优异。

本发明的一种核I级2209双相不锈钢焊丝，通过对合金系统的选定，对微量元素的调整，取得优良的焊接工艺和熔敷金属性能。通过对核电用2209双相不锈钢焊在合金成分方面进行调整，并严格控制焊丝中的残余元素，如：Co、As、Sn等，使焊缝金属在机械性能、耐腐蚀、耐热裂纹和耐辐照脆化等方面获得优异的性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种核I级2209双相不锈钢焊丝，其特征在于：其成分及质量百分配比为：C 0～0.03％，Mn 0.5～2.0％，Si 0～0.90％，S 0～0.03％，P 0～0.03％，Cr 21.5～23.5％，Ni 7.5～9.5％，Mo 2.5～3.5％，N 0.08～0.20％，Cu 0～0.75％，余量的Fe。

2.根据权利要求1所述的核I级2209双相不锈钢焊丝，其特征在于：所述Cu的质量百分比为0.10～0.75％。

3.根据权利要求2所述的核I级2209双相不锈钢焊丝，其特征在于：所述Si的质量百分比为0.20～0.90％。

4.根据权利要求3所述的一种核I级2209双相不锈钢焊丝的制造方法，其特征在于，其步骤为：

(1)将配方中含量的纯铁与Ni、Cr、Mo很难被氧化的元素混合，然后在真空感应炉进行熔化，熔化期真空度控制在7.83Pa以下，然后再向炉中加入配方中含量的Si、N、Cu，全熔后充分搅拌；

(2)当熔炼温度至1580℃钢液平静时，停电抽至真空20～25分钟，再送电升温，结膜熔清后，加入配方中含量的C进行精炼，精炼温度保持在1580℃～1600℃，精炼时间25～30分钟；

(3)出钢前10分钟降温，充分均匀搅拌后充Ar320～420Pa，加入配方中含量的Mn，再充分搅拌后，于1580℃出钢；

(4)钢液浇注在预抽真空下进行，开始时小流，钢液充满钢模模底后，适当加大流速使钢液在模内平稳地上升，当浇至冒口线上时，细流填充；

(5)浇注完15分钟后充气破真空，拉开炉体，45分钟后钢锭可脱模空冷；

(6)将钢锭装入锻造炉中，炉中温度小于750℃，预热时间45min，然后加热温度达到1130℃～1140℃，加热时间35min，保温时间20min，从锻造炉中取出进行锻造，制成钢坯；

(7)钢坯装入锻造炉中，温度小于700℃，预热时间25min，然后加热温度达到1125℃，加热时间30min，保温时间10min，取出钢坯，进行热轧开坯得到铸锭；

(8)铸锭经过表面清理后，先锻造成方坯，将方坯轧制成Φ8.0mm盘条后，盘条采用机械方法剥去热轧盘条表层附着的氧化皮，并使残存的氧化铁皮组织疏松，Φ8.0mm坯料加热4h到600～650℃，保温2.5h，缓冷2h出炉，加热保温期间充入氮气；

(9)退火处理后的坯料经过酸洗之后冷拔加工至Φ5.0mm，再次酸洗之后进一步冷拔加工至Φ4.0mm；

(10)再次按照步骤(8)中退火和酸洗之后进一步冷拔加工至Φ2.4mm，再次按照步骤(8)中退火和酸洗之后进一步冷拔加工至Φ2mm。

(11)将拉制合格的焊丝通过双相不锈钢氩弧焊丝抛光机进行抛光；

(12)将该抛光后的核Ⅰ级2209双相不锈钢氩弧焊丝通过不锈钢氩弧焊丝切割机进行切丝，得到本产品。

5.根据权利要求4所述的一种核I级2209双相不锈钢焊丝的制造方法，其特征在于：所述步骤(8)中加热保温期间充氮压力要大于0.07Mpa。

6.根据权利要求5所述的一种核I级2209双相不锈钢焊丝的制造方法，其特征在于：所述步骤(8)中在690～450℃之间冷却时应控制冷却速度为2～4℃/min。