CN106583966A - 一种用于核电的超低氮奥氏体不锈钢焊条 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于核电的超低N(氮)奥氏体不锈钢焊条。采用本发明焊条焊接的熔敷金属在焊态及热处理态下的抗拉强度达到520MPa以上，延伸率达到30％以上，焊态下室温及0℃的冲击值都能达到70J以上，符合核电行业对于焊接的要求。

Description

一种用于核电的超低氮奥氏体不锈钢焊条
技术领域
本发明属于焊接材料领域，特别涉及一种用于核电的超低氮奥氏体不锈钢焊条。
背景技术
核电应用的奥氏体不锈钢手焊条，要求熔敷金属中N(氮)的含量很低，同时对于熔敷金属中Co含量要求也比较严格。如果N含量过高，N在熔敷金属中不容易扩散，会发生强烈地氮化物析出，从而会显著降低熔敷金属的韧性及耐腐蚀性。
该类焊条主要用在压水堆核电厂的反应堆压力容器中，在碳钢板上作为堆焊过渡层。采用该类焊条焊接后的熔敷金属，在焊态及热处理条件下的机械性能要求都比较高，以保证堆焊层的强度。
发明内容
本发明提供一种用于核电的超低氮奥氏体不锈钢焊条，通过对焊条熔敷金属化学成分的优化，特别是控制熔敷金属中N的含量，使熔敷金属具有良好的综合力学性能和耐腐蚀性，各项工艺指标符合核电行业要求。
本发明的技术方案是，一种用于核电的超低氮奥氏体不锈钢焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂敷于焊芯外壁，所述药皮占焊条总重量的的40％～50％；
以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，所述焊芯各成分的组分如下：
C：0.008％～0.009％，Si：0.14％～0.16％，Mn：1.79％～1.89％，P：0.007％～0.008％，S：0.008％～0.009％，Cr：23.16％～23.5％，Ni：13.15％～13.5％，Mo：0.01％～0.03％，N：0.03％～0.035％，Co：0.026％～0.041％，余量为Fe；
以药皮总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：金红石：31％～40％；钛白粉：1％～5％；钾长石：5％～15％；云母：6％～13％；CaCO3：5％～10％；CaF2：4％～10％；NaF：3％～8％；电解锰：1％～6％；铬粉：3％～14％；硅铁：0.5％～4％；钼粉：1％～5％。
所述用于核电的超低氮奥氏体不锈钢焊条，其熔敷金属化学成分的重量百分比为：C：≤0.035％，Si：0.20～0.90％，Mn：1.0～2.50％，P：≤0.020％，S：≤0.010％，Cr：22.0～25.0％，Ni：12.0～14.0％，Mo：≤0.50％，N：≤0.06％，Co：≤0.05％，Fe余量。
所述超低氮奥氏体不锈钢焊条的熔敷金属的焊态以及热处理态下的抗拉强度达到520MPa以上，延伸率达到30％以上，焊态下室温及0℃的冲击值达到70J以上。
本发明焊条的熔敷金属化学成分中，对各成分的限定理由分别叙述如下：
C：≤0.035％，C是强的奥氏体形成元素，如果其含量过高对焊接性明显不利，容易形成碳化物降低耐蚀性。在保证焊缝的韧性及耐腐蚀性的前提下，将C限定在小于等于0.035％。理想的是C含量低于上述上限，并尽可能的低。
Si：0.20～0.90％，Si是焊接过程中有效的脱氧元素，当Si小于0.20％时焊缝中容易产生气孔、夹渣等焊接缺陷。在焊接过程中，通过药皮作为脱氧剂过渡到熔敷金属中是不成问题，但其含量(熔敷金属的量)控制在0.90％以下。
Mn：1.0～2.5％，Mn是良好的脱氧和脱硫及奥氏体形成元素，可提高熔敷金属的强度，当熔敷金属中的Mn含量＜1.00％时，熔敷金属的强度偏低。采用Mn来代替部分的Ni，当Mn含量过高时，Mn与熔敷金属中的S结合并形成MnS，从而使耐蚀性和机械性能变差，因此熔敷金属中的Mn含量应小于2.50％。
P：≤0.020％，P是对焊缝熔敷金属的机械性能带来恶劣的影响的杂质，在不锈钢中通过晶间析出降低不锈钢的耐腐蚀性，因此0.02％是作为杂质的允许上限，理想的是P含量小于上述上限并尽可能小。
S：≤0.010％，S也是对焊缝熔敷金属的机械性能带来恶劣影响的杂质，在不锈钢中通过晶间析出降低不锈钢的耐蚀性。因此，S的含量不能大于0.010％，并应尽可能小。
Cr：22.0～25.0％，Cr是铁素体形成元素，同时也是提高不锈钢耐腐蚀性的基本成分之一。如果其含量小于22.0％，则特别是在核电设备等苛刻腐蚀环境下的耐腐蚀性不够充分。但如果含量过多，则需要增加奥氏体构成元素，如C、N、Ni、Mn、N和Cu，增加奥氏体形成元素提高焊条成本，因此熔敷金属中的Cr含量应控制在25.0％以下。
Ni：12.0～14.0％，Ni与Mn和N一起为奥氏体稳定元素，本发明是一种超低N的不锈钢，因此熔敷金属中Ni含量要大于12％。为了降低成本，降低贵重金属Ni的含量，则通过提高奥氏体形成元素Mn和N来代替Ni的量，这使得耐蚀性和机械性能变差，因此熔敷金属中的Ni含量要小于14％。
Mo：≤0.50％，Mo是铁素体形成元素，能够改善熔敷金属的耐点腐蚀性。熔敷金属中适当添加Mo，可以提高焊接过程中的抗裂性。如果Mo含量太高容易形成σ相，因此熔敷金属中的Mo含量不能大于0.5％。
N：≤0.06％，N(氮)是一种强的奥氏体形成元素，同时可以抑制高温区形成δ-铁素体的奥氏体形成元素。在熔敷金属中适当提高N含量，可以降低贵重金属Ni的含量，同时由于N是小的间隙型元素，焊缝在快速冷却时，N没有充分的时间去扩散，容易在焊缝中析出氮化物。考虑到芯线在冶炼过程中N含量达到的极限，以及焊接过程中N的增加量，熔敷金属中的N含量不能大于0.06％。
Co：≤0.05％，Co是在芯线中不可避免的残余元素，不可能使其完全为零。Co在核电的管道中，主要是以杂质的形态存在，较容易沉积在设备的管线、排污管芯、阀门等杂质容易沉积区域。因此本发明中，熔敷金属的Co含量不能大于0.05％。
本发明焊条的药皮各组分在焊条中限定的理由分别叙述如下：
金红石的氧化性比较弱，热脱渣性好，电弧稳定，熔池平静，使金属以细雾状过度，方向焊接性好，可使焊缝成型美观，熔渣覆盖好，抗气孔性好，因此将金红石的用量定在药皮重量的31～40％；
钛白粉的主要作用稳定电弧，具有导电性。焊接过程中可使熔池平静，飞溅少，操作方便，可形成短渣，对于立、仰焊有显著效果，能产生活泼的熔渣，均匀覆盖在焊料上保护焊缝，脱渣方便，结晶速度快，使焊波细致，因此将钛白粉的用量定在药皮重量的1～5％；
钾长石的主要作用是稳弧、造渣，适量有利于脱渣，但过多会减慢焊速、增加渣的粘度，因此将钾长石的用量定在药皮重量的5～15％；
云母的主要作用是稳弧、造渣，富有弹性，可提高焊条的生产性，增加药皮透气性，可有效的防止药皮开裂和发红，但过多过粗的云母可使药皮疏松，焊条易破头及擦伤，同时会使药皮过于干粗，表面质量差，因此将云母的用量定在药皮重量的6～13％；
CaCO3属碳酸盐，其主要作用是造渣、造气，造渣的主要目的是保护焊接熔池及改善焊缝成型；造气的主要目的是在电弧高温作用下，能进行分解，放出气体，以保护电弧及熔池，防止周围空气中的氧和氮的侵入，因此将CaCO3的用量定在药皮重量的5～10％；
CaF2和NaF同属氟化物，其主要作用是造渣，脱氢，调节粘度，改善熔渣覆盖性，但氟化物加多会使焊接烟尘量明显增多；
电解锰的主要作用是脱氧和向焊缝中渗入合金元素；
金属铬的主要作用是向焊缝中过渡合金元素；
钼铁的主要作用是向焊缝中过渡合金元素。
本发明通过焊芯合金化结合药皮过渡部分金属合金化，得到了综合力学性能、耐腐蚀性良好的熔敷金属，特别是熔敷金属中的N含量达到了0.06％以下。
本发明通过选择合适的芯线及药皮，保证熔敷金属中的N含量达到超低的水平，同时还可以保证堆焊层在焊态及热处理态的机械性能和耐腐蚀性能。
本发明使用的焊条，其熔敷金属的强度、抗裂性及耐腐蚀性均处于优良的水平。熔敷金属在焊态及热处理态下的抗拉强度≥520MPa，延伸率≥30％，焊态下室温及0℃的冲击值都能达到70J以上，满足核电行业要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明用于核电的超低氮奥氏体不锈钢焊条，通过焊芯合金化结合药皮过渡部分金属合金化，得到了综合力学性能、耐腐蚀性良好的熔敷金属，特别是熔敷金属中的N(氮)含量达到了0.06％以下，特别适合用于核电行业。
按设定的成分要求，与某合作的冶炼厂共同开发冶炼了2炉钢，然后经浇注、锻造和轧制拉拔得到直径为4mm的不锈钢焊丝。焊芯的具体化学成分均列于表1，试验焊条的药皮配方见表2(通过药皮过渡对焊缝金属进行进一步的合金化)。焊条的制备是在通常的油压型焊条压涂机上压制的，然后经低温烘干和高温烘干。焊接前再将焊条经300℃×1h烘干后供焊接试板用，焊接用试板为304L不锈钢板，厚度为20mm；焊接坡口尺寸、取样位置及试验方法等均按国家标准GB/T5118的规定进行实施。本发明实施过程中的焊接条件如下：直流电源反接极性，道间温度为100℃以下，焊后热处理条件为595～620℃×30h。
实施例1：
采用焊条生产行业内通用的制造工艺，按表1-1的焊芯配方制作焊芯，按照表1-2的药皮配方进行配制并通过干混湿混制备出焊条涂料，把焊条涂料涂敷到焊芯上，使之成型：
表1-1 焊芯成分(单位：wt％)
C Si Mn P S Cr Ni Mo N Co Fe
0.009 0.16 1.89 0.007 0.009 23.16 13.4 0.01 0.035 0.026 余量
表1-2 药皮成分(单位：wt％)
其熔敷金属化学成分见表1-3，焊态和热处理后的力学性能见表1-4，焊态下室温和0℃时的冲击值见表1-5
表1-3 熔金成分(单位：wt％)
C Si Mn P S Cr Ni Mo N Co Fe
0.024 0.666 1.27 0.015 0.005 23.85 12.99 0.281 0.055 0.032 余量
表1-4 焊态及热处理后的力学性能
状态 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
焊态 530 645 38
热处理态 430 560 37
表1-5 焊态下的冲击值
冲击温度/℃ 冲击值/J
0 72.3(72/73/72/72/73)
室温 74.7(78/78/67/74/72)
实施例2：
采用与实施例1相同的焊条制造方法，按表2-1的焊芯成分及表2-2的药皮配方进行配制：
表2-1 焊芯成分(单位：wt％)
C Si Mn P S Cr Ni Mo N Co Fe
0.009 0.15 1.87 0.008 0.009 23.34 13.15 0.011 0.03 0.037 余量
表2-2 药皮成分(单位：wt％)
其熔敷金属化学成分见表2-3，焊态和热处理后的力学性能见表2-4，焊态下室温和0℃时的冲击值见表2-5。
表2-3 熔金成分(单位：wt％)
C Si Mn P S Cr Ni Mo N Co Fe
0.023 0.66 1.25 0.016 0.005 23.92 12.91 0.334 0.057 0.042 余量
表2-4 焊态及热处理后的力学性能
状态 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
焊态 495 595 37
热处理态 450 575 36.5
表2-5 焊态下的冲击值
冲击温度/℃ 冲击值/J
0 70.3(71/71/70/70/70)
室温 74.7(73/74/75/77/75)
实施例3：
采用与实施例1相同的焊条制造方法，按表3-1的焊芯成分及表3-2的药皮配方进行配制：
表3-1 焊芯成分(单位：wt％)
C Si Mn P S Cr Ni Mo N Co Fe
0.008 0.16 1.8 0.007 0.008 23.4 13.3 0.02 0.033 0.04 余量
表3-2 药皮成分(单位：wt％)
其熔敷金属化学成分见表3-3，焊态和热处理后的力学性能见表3-4，焊态下室温和0℃时的冲击值见表3-5。
表3-3 熔金成分(单位：wt％)
C Si Mn P S Cr Ni Mo N Co Fe
0.029 0.74 1.43 0.016 0.009 23.71 12.93 0.264 0.06 0.043 余量
表3-4 焊态及热处理后的力学性能
状态 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
焊态 490 595 37
热处理态 490 595 35
表3-5 焊态下的冲击值
冲击温度/℃ 冲击值/J
0 79.3(80/80/78/83/74)
室温 88.7(88/88/93/90/84)
实施例4：
采用与实施例1相同的焊条制造方法，按表4-1的焊芯成分及表4-2的药皮配方进行配制：
表4-1 焊芯成分(单位：wt％)
C Si Mn P S Cr Ni Mo N Co Fe
0.009 0.15 1.81 0.008 0.009 23.39 13.5 0.03 0.03 0.039 余量
表4-2 药皮成分(单位：wt％)
其熔敷金属化学成分见表4-3，焊态和热处理后的力学性能见表4-4，焊态下室温和0℃时的冲击值见表4-5。
表4-3 熔金成分(单位：wt％)
C Si Mn P S Cr Ni Mo N Co Fe
0.03 0.78 1.48 0.017 0.003 23.85 12.8 0.263 0.054 0.043 余量
表4-4 焊态及热处理后的力学性能
状态 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
焊态 465 575 38.5
热处理态 498 605 33.5
表4-5 焊态下的冲击值
冲击温度/℃ 冲击值/J
0 79.7(77/79/80/82/80)
室温 83.7(81/85/90/72/85)
实施例5：
采用与实施例1相同的焊条制造方法，按表5-1的焊芯成分及表5-2的药皮配方进行配制：
表5-1 焊芯成分(单位：wt％)
C Si Mn P S Cr Ni Mo N Co Fe
0.008 0.14 1.79 0.007 0.008 23.5 13.2 0.01 0.031 0.041 余量
表5-2 药皮成分(单位：wt％)
其熔敷金属化学成分见表5-3，焊态和热处理后的力学性能见表5-4，焊态下室温和0℃时的冲击值见表5-5。
表5-3 熔金成分(单位：wt％)
C Si Mn P S Cr Ni Mo N Co Fe
0.022 0.8 1.46 0.015 0.006 23.78 12.98 0.254 0.045 0.045 余量
表5-4 焊态及热处理后的力学性能
状态 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
焊态 555 660 34
热处理态 455 600 31.5
表5-5 焊态下的冲击值
冲击温度/℃ 冲击值/J
0 72.3(71/71/71/77/75)
室温 80(74/77/81/85/82)
上述实验可见，本发明的电焊条是用于核电的超低N奥氏体不锈钢手焊条，其熔敷金属中的N含量小于0.06％，Co含量小于0.05％。该焊条具有优异的焊接工艺性能，且其熔敷金属的机械性能稳定，熔敷金属的焊态以及热处理态下的抗拉强度达到520MPa以上，延伸率达到30％以上，焊态下室温及0℃的冲击值都能达到70J以上，符合核电行业对于焊接的要示，因此特别适合用于核电焊接。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于核电的超低氮奥氏体不锈钢焊条，包括焊芯和药皮，药皮涂敷于焊芯外壁，其特征是，所述药皮占焊条总重量的40％～50％；
以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，所述焊芯各成分的组分如下：
C：0.008％～0.009％，Si：0.14％～0.16％，Mn：1.79％～1.89％，P：0.007％～0.008％，S：0.008％～0.009％，Cr：23.16％～23.5％，Ni：13.15％～13.5％，Mo：0.01％～0.03％，N：0.03％～0.035％，Co：0.026％～0.041％，余量为Fe；
以药皮总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：金红石：31％～40％；钛白粉：1％～5％；钾长石：5％～15％；云母：6％～13％；CaCO3：5％～10％；CaF2：4％～10％；NaF：3％～8％；电解锰：1％～6％；铬粉：3％～14％；硅铁：0.5％～4％；钼粉：1％～5％。
2.根据权利要求1所述的用于核电的超低氮奥氏体不锈钢焊条，其特征是，所述超低氮奥氏体不锈钢焊条的熔敷金属化学成分的重量百分比为：C：≤0.035％，Si：0.20％～0.90％，Mn：1.0％～2.50％，P：≤0.020％，S：≤0.010％，Cr：22.0％～25.0％，Ni：12.0％～14.0％，Mo：≤0.50％，N：≤0.06％，Co：≤0.05％，Fe余量。
3.根据权利要求1所述的用于核电的超低氮奥氏体不锈钢焊条，其特征是，所述超低氮奥氏体不锈钢焊条的熔敷金属的焊态以及热处理态下的抗拉强度达到520MPa以上，延伸率达到30％以上，焊态下室温及0℃的冲击值达到70J以上。
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