CN105792981B

CN105792981B - 耐冲击性及耐磨性优异的药芯焊丝电弧焊接材料

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Publication number: CN105792981B
Application number: CN201480066680.5A
Authority: CN
Inventors: 李奉根; 韩一煜; 金正吉; 李相哲; 李东烈; 金克
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2019-05-28
Anticipated expiration: 2034-10-02
Also published as: US20160279742A1; CN105792981A; CA2929524A1; KR20150066369A; US10279436B2; WO2015083930A1; CA2929524C

Abstract

本发明涉及一种耐冲击性及耐磨性优异的药芯焊丝电弧焊接材料。本发明的一实施方式提供一种耐冲击性及耐磨性优异的药芯焊丝电弧焊接材料，所述焊接材料以重量％计，包含0.1～0.75％的C，0.2～1.2％的Si，15～27％的Mn，2～7％的Cr，0.01％以下的S，0.018％以下的P，4.3～15％的TiO₂，总和为0.01～9％的SiO₂、ZrO₂及Al₂O₃，余量的Fe及其它不可避免的杂质。根据本发明能够提供可进行全位置焊接，且焊接性、低温冲击韧性及耐磨特性优异的焊接接头，从而能够提供可非常优选地适用于油砂产业领域等中所利用的管道制造的焊接材料。

Description

耐冲击性及耐磨性优异的药芯焊丝电弧焊接材料

技术领域

本发明涉及一种耐冲击性及耐磨性优异的药芯焊丝电弧焊接材料。

背景技术

最近，随着油价持续升高的趋势，人们集中关注低费用的石油生产方法。在此过程中，随着开发出大规模原油分离工序技术，对油砂产业的需要剧增。油砂最初为表示含有原油的沙子或砂岩的词，但是，目前为用作含有油层中存在的原油的沉积岩等所有岩石的称呼的术语。这种从油砂中提取原油的石油生产方法为代替现有的从油井中提取原油的方式的新型石油生产方法，是在降低生产费用方面所期待开发的领域。

然而，就油砂而言，原油中通常包含大量的杂质。因此，在从油砂获得原油的过程中，必须包括去除这种杂质的工序。为了从采集的油砂中提取原油，会将油砂运送到有分离装置的一定距离的地方，并且需要一种用于从运送的油砂中分离杂质和原油的分离管。所述管道起到的作用为，用水将装在其内部的原油和杂质(岩石、砂砾、沙子等)进行旋转，使原油漂浮上来，从而将原油分离出来。对于这种管，不仅必须要求强度高，而且为了承受由内部的岩石或砂砾等引起的冲击而还要求耐冲击性及耐磨性，并且还要确保在-29℃的外部温度下也能承受的冲击韧性，尤其，比母材相对差的焊接接头更需要这样的物理性质。这是因为母材可通过各种热处理或轧制及控制冷却等来控制适合其用途的物理性质，从而能够通过所添加的合金组成来最大限度地获得耐磨性及冲击韧性，然而，焊接接头主要受焊接材料的影响，而且由于焊接，其内部组织变得与铸造形成的组织非常相似。因此，难以确保有希望得到的物理性质。

另外，目前为了采集油砂而通常使用的管道有无缝钢管(API)X65和X70等，而为了在现场将这种管道相互连接，需要可进行全位置焊接的焊接材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题

本发明欲提供一种焊接材料，所述焊接材料能够提供焊接性优异，且低温冲击韧性及耐磨性优异的焊接接头。

解决技术问题的技术手段

本发明的一实施方式提供一种耐冲击性及耐磨性优异的药芯焊丝电弧焊接材料，所述焊接材料以重量％计，包含0.1～0.75％的C，0.2～1.2％的Si，15～27％的Mn，2～7％的Cr，0.01％以下的S，0.018％以下的P，4.3～15％的TiO₂，总和为0.01～9％的SiO₂、ZrO₂及Al₂O₃，余量的Fe及其它不可避免的杂质。

发明的效果

根据本发明能够提供可进行全位置焊接，且焊接性、低温冲击韧性及耐磨特性优异的焊接接头，从而能够提供可非常优选地适用于油砂产业领域等中所利用的管道制造的焊接材料。

最佳实施方式

本发明人对适合用于通过油砂获得原油的过程等中使用的油砂分利用高锰管的具有优异的低温耐冲击性及耐磨性的焊接接头进行研究的过程中，认识到适当控制合金组成，不仅能够确保焊接性，而且还能够确保上述特性，还认识到对于全位置焊接优选的焊接材料的种类为药芯焊丝电弧焊接材料，从而完成了本发明。

以下，对本发明的合金组成进行说明。另外，具有如下所述的合金组成的本发明的药芯焊丝电弧焊材料同时包含作为焊丝的外壳部分的金属带和填充在其内部的助焊剂。

C：0.1～0.75重量％

碳(C)是作为能够确保焊接金属的强度且能够确保焊接金属的极低温冲击韧性的现有的奥氏体稳定化元素中最强有力的元素，该元素为本发明中所必需的元素。但是，当C的含量少于0.1重量％时，会因没有形成奥氏体而导致韧性降低。另一方面，当C的含量超过0.75重量％时，会因在焊接时产生二氧化碳气体等而导致焊接接头的缺陷，并且会因与Mn、Cr等的合金元素结合而形成MC、M₂₃C₆等的碳化物而导致在低温下冲击韧性降低。因此，C的含量优选具有0.1～0.75重量％的范围。

Si：0.2～1.2重量％

硅(Si)为为了实现焊接金属内脱氧效果而添加的元素，当该元素的含量少于0.2重量％时，所述脱氧效果不充分，并且会降低焊接金属的流动性。另一方面，当Si的含量超过1.2重量％时，在焊接金属内会诱发偏析等，从而会降低低温冲击韧性，并且对焊接裂纹敏感性方面产生负面影响。因此，所述Si的含量优选具有0.2～1.2重量％的范围。

Mn：15～27重量％

锰(Mn)作为提高加工硬化度，且在低温下也稳定地生成奥氏体的主要元素，是本发明的焊接材料中必须包含的成分。另外，与C一同起到生成碳化物的元素的作用，并且，类似于镍，起到奥氏体稳定化元素的作用。当所述Mn的含量少于15重量％时，因没有生成足够的奥氏体而导致低温冲击韧性降低，当Mn的含量超过27重量％时，焊接时会发生大量的烟雾(Fume)，并且塑性变形时，不产生孪晶(twining)，而是产生滑移(Slip)，从而降低耐磨特性。因此，所述Mn的含量优选具有15～27重量％的范围。

Cr：2～7重量％

铬(Cr)为铁素体稳定化元素，通过添加Cr能够降低奥氏体稳定化元素的含量。另外，Cr对生成MC、M₂₃C₆等的碳化物方面起到核心成分的作用。即，当添加一定量的Cr时，能够得到更高水平的析出硬化的程度的同时，还能够降低奥氏体稳定化元素的含量，因此，优选添加一定量的Cr。此外，Cr还有一个优点，即，其作为强有力的抗氧化元素，能够提高对应于外部的氧化气氛的耐氧化性(resistance to oxidation)。当所述Cr的含量少于2重量％时，在焊接接头的MC、M₂₃C₆等的碳化物生成受到抑制，从而导致耐磨特性降低，由此导致磨耗度增加。另一方面，当Cr的含量超过7重量％时，价格上升的同时，耐磨特性急剧降低。因此，优选将Cr的含量限定为2～7重量％以下。

S：0.01重量％以下

硫(S)为与磷一起在焊接时引起高温裂纹(Crack)的杂质元素，因此，优选尽可能地减少其含量。尤其，当该含量超过0.01重量％时，会形成FeS等的低熔点化合物，从而会诱发高温裂纹(Crack)，因此不优选。因此，为了防止高温下的裂纹，优选将S的含量控制在0.01重量％以下。

P：0.018重量％以下

磷(P)为在焊接时引起高温裂纹(Crack)的杂质元素，因此，优选尽可能地减少其含量。因此，为了防止高温下的裂纹，优选将该上限控制在0.018重量％以下。

TiO₂：4.3～15重量％

二氧化钛(TiO₂)为造渣剂，其起到的作用为，在液态的焊接金属凝固之前被凝固，使得全位置焊接能够进行，从而抑制液态的焊接金属流淌。为了实现这种效果，优选添加4.3重量％以上的TiO₂。但是，当该含量超过15重量％时，焊接金属内的氧化物含量急剧增加，导致超低温冲击韧性降低。因此，TiO₂的含量优选具有4.3～15重量％的范围。

SiO₂、ZrO₂及Al₂O₃总和为：0.01～9重量％

当SiO₂、ZrO₂及Al₂O₃的总含量少于0.01重量％时，渣的熔敷性及剥离性和弧的稳定性恶化，导致全位置焊接操作性及焊珠(weld bead)的形成恶化，而当超过9重量％时，熔渣(molten slag)的量急速增加，并且炉渣粘度也增加，导致全位置焊接和珠形状恶化。另外，Si、Al等转变为熔敷金属的量增加，导致冲击韧性降低。因此，SiO₂、ZrO₂及Al₂O₃的总含量优选具有0.01～9重量％的范围。

本发明提出的药芯焊丝电弧焊接材料除了可以包含前述的合金组成外，还可以包含余量的Fe和其它制造工序方面不可避免地混入的杂质而形成，通过满足前述的合金组成，能够提供不仅可确保对于焊接材料的基本要求的焊接性，还具有优异的耐冲击性及耐磨性的焊接接头。另外，能够进行全位置焊接，从而在工业现场能够容易地实现管道焊接。此外，本发明的焊接材料除了包含前述的成分外，还可以进一步包含下述说明的合金材料，从而能够确保更加优异的物理性质。

N：0.5重量％以下

氮(N)为添加时能够提高耐蚀性的同时，使奥氏体稳定化的成分，是带来与碳几乎相似的物理性质的元素。因此，所述N可以直接代替碳成分。此外，当N与其它合金成分结合而形成氮化物时，能够获得提高耐磨特性的效果。添加少量的N也能够获得所述效果。但是，当该含量超过0.5重量％时，冲击韧性会大幅度降低，因此，所述N的含量优选具有0.5重量％以下的范围。

Ni：10重量％以下

镍(Ni)为通过固溶强化形成奥氏体，从而对提高低温下的韧性有利的成分。如果添加Ni，则促进奥氏体的生成，从而增加焊接接头的韧性，因此，其优点为抑制硬化度高的焊接接头的脆性破坏。但是，当超过10重量％时，虽然韧性大幅度提高，但是增加了堆垛层错能，因此具有使耐磨特性急剧降低的效果。另外，由于Ni价格高，因此当大量添加时，在经济性方面不利。因此，所述Ni的含量优选具有10重量％以下的范围。

V：5重量％以下

钒(V)为固溶于钢中，并延迟铁素体及贝氏体的相变速度，从而使得马氏体的形成变得容易的成分。另外，起到引起固溶强化效果及析出强化的主要元素的作用。但是，当该含量过多时，该效果将饱和，并且会导致韧性及焊接性的恶化现象，而且会成为增加钢材的制造成本的原因，因此，所述V的含量优选具有5重量％以下的范围。

Nb：5重量％以下

铌(Nb)为能够通过析出强化效果来提高焊接接头的强度的成分。但是，当该含量过多时，会生成粗大的析出物，这时反而会减少耐磨，并且会成为增加钢材的制造成本的原因，因此，所述Nb含量优选具有5重量％以下的范围。

Mo：7重量％以下

钼(Mo)为能够通过基体的固溶强化来提高焊接接头的强度的成分。此外，类似于所述铌(Nb)、钒(V)，其起到引起析出强化的主要元素的作用。但是，当Mo的含量过多时，不仅使该效果饱和，而且会导致韧性及焊接性的劣化，并且会显著增加钢材的制造成本。因此，所述Mo的含量优选具有7重量％以下的范围。

W：6重量％以下

钨(W)为能够通过基体的固溶强化来提高焊接接头的强度的成分。此外，类似于所述铌(Nb)、钒(V)、钼(Mo)，其起到引起析出强化的主要元素的作用。但是，当W的含量过多时，不仅使该效果饱和，而且会导致韧性及焊接性的劣化，并且会显著增加钢材的制造成本。因此，所述W的含量优选具有6重量％以下的范围。

选自K、Na及Li中的一种以上：0.01～1.7重量％

在焊接中，诸如上述K、Na及Li等的碱金属降低弧的电离势，使得弧的产生变得容易，并且能够维持稳定的弧。为了实现所述效果，优选添加0.01重量％以上的K、Na及Li。另一方面，当该含量超过1.7重量％时，会因高的蒸汽而使焊接烟雾过度发生。

F及Ca中的一种以上：0.01～1.5重量％

在焊接中，氟(F)和钙(Ca)在高温弧条件下与氢进行反应，从而引起脱氢反应，因此发挥出有效地减少扩散性氢的效果，并且，通过这些可以更加提高本发明所预期的效果。为了实现所述效果，在焊丝内部优选包含0.01重量％以上的所述F及Ca。但是，当超过1.5重量％时，因高的蒸汽压特性，将过度产生焊接烟雾，并且，TiO₂在作为主要渣成分的金红石类中过度减少熔池的渣粘度，从而形成不稳定的珠。因此，所述F及Ca中的一种以上的含量优选具有0.01～1.5重量％的范围。

所提供的如上所述的本发明的焊接材料不仅能够进行全位置焊接，而且能够确保优异的焊接性，以及在-29℃下能够确保27J以上的优异的低温冲击韧性。此外，根据美国材料试验协会(ASTM)的G65规定进行磨耗试验的结果为，能够提供磨耗量为2g以下的具有高耐磨特性的焊接接头，通过这些，能够非常优选地适用于所述物理性质非常受重视的油砂产业领域等中。

具体实施方式

下面，将通过实施例更加详细地说明本发明。然而，下述实施例仅是用于更加详细地说明本发明的示例，本发明的权利范围并不限定于此。

制造具有下述表1及2中记载的合金组成的药芯焊丝后，利用所述焊丝焊接哈德菲尔德(Hadfield)类钢材来制造了管道。对于所述制造的管道的焊接接头的焊接性、低温冲击韧性及耐磨性进行了测定，并将其结果示于下述表2中。此时，通过观察是否发生裂纹或气孔的方式来完成上述焊接性评价，并且将没有发生上述裂纹或气孔缺陷的情况用良好来表示，而将出现气孔或裂纹等，或具有脱渣问题的情况用不良来表示。另外，通过根据美国材料与试验协会的G65规定进行磨耗试验后，测定磨耗量的方式来完成上述耐磨性评价。另外，油砂产业领域中通常使用的API-X70钢材的磨耗量为2.855g。

表1

表2

如上述表1及2中所示，可以确认满足本发明提出的合金组成的发明例1～11能够提供不仅具有优异的焊接性，而且在-29℃下的低温冲击韧性为27J以上而具有非常优异的耐冲击性的焊接接头。另外，可以知道，与现有技术中使用的API-X70钢材相比，磨耗量为2g以下而具有优异的耐磨性。

另一方面，可以知道不满足本发明提出的合金组成的比较例1～3与本发明例相比，低温冲击韧性或耐磨性为低水平，尤其，可以确认比较例7～9的焊接性不良，在焊接接头中产生气孔或裂纹，或脱渣困难。另外，比较例10～13因产生了不稳定的电弧或过度的喷溅，从而给焊接本身带来困难，因此无法对低温冲击韧性及耐磨性进行评价。

Claims

1.一种耐冲击性及耐磨性优异的药芯焊丝电弧焊接材料，其特征在于，所述焊接材料以重量％计，包含0.1～0.75％的C；0.2～1.2％的Si；15～27％的Mn；2～7％的Cr；0.01％以下的S；0.018％以下的P；4.3～15％的TiO₂；总和为0.01～9％的SiO₂、ZrO₂及Al₂O₃；选自5％以下且不包括0％的V、5％以下且不包括0％的Nb和6％以下且不包括0％的W中的一种以上；余量的Fe及其它不可避免的杂质，根据美国材料试验协会(ASTM)的G65规定进行磨耗试验时的磨耗量为2g以下。

2.根据权利要求1所述的耐冲击性及耐磨性优异的药芯焊丝电弧焊接材料，其特征在于，所述焊接材料进一步包含0.5％以下的N。

3.根据权利要求1所述的耐冲击性及耐磨性优异的药芯焊丝电弧焊接材料，其特征在于，所述焊接材料进一步包含0.01～1.7％的选自K、Na及Li中的一种以上。

4.根据权利要求1所述的耐冲击性及耐磨性优异的药芯焊丝电弧焊接材料，其特征在于，所述焊接材料进一步包含0.01～1.5％的F及Ca中的一种以上。