CN107617830B - 高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝及其制备方法和应用 - Google Patents
高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝及其制备方法和应用，属于焊接材料技术领域。按重量百分比计，其基本化学成分组成为：C：0.04‑0.12％；Cr：24.0～26.0％；Ni：19.0～21.0％；Mn：≤2.0％；Si：≤1.0％；Nb：0.3‑1.0％；N≤0.1％；Fe余量。焊丝制备过程为：采用真空熔炼制备母合金钢锭，经过1100～1200℃保温1～3h后锻造成方坯；方坯经过1100～1150℃保温1～2h后热连轧成盘条；最后，盘条经过连续冷拉拔后制成焊丝。该焊丝用于高放废物玻璃固化体容器的焊接，能够满足产品容器材料性能需求，其具有较好的高温强度以及良好的冲击韧性。
Description
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域，具体涉及一种高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝及其制备方法和应用。
背景技术
由于能源利用和环境保护之间的矛盾日益加剧，核能作为一种绿色、清洁的能源正逐步替代化石能源，成为当今世界电力来源的重要组成部分，是我国新型能源结构调整的重要发展方向。然而，核能的开发利用在带来巨大社会经济效益的同时，将伴随产生大量放射性废物，如果处置不当将对人类的生存环境产生严重破坏。这些废物含有放射性强、发热量高、毒性大、半衰期长的核素，需要把它们与人类生存环境进行长期、可靠地隔离。迄今为止，世界上公认的最合理的放射性废物处置方法为：首先将放射性废物进行固化处理，然后再对得到的放射性废物固化体进行地质处置。固化处理是将液态放射性物质通过减容转变成固化体，以达到便于安全运输、储存和处置操作的目的；同时也将放射性废物中的核素固结在固化体中，阻挡核素进入生物圈，以避免其对生态环境造成污染。
放射性废物玻璃化是指将放射性废液转化为玻璃固化体的过程，这是一种已达到商用规模的放射性废液固化方法。通过将放射性废液在高温下熔制成玻璃体，使放射性核素固定在玻璃体内，再将熔铸好的玻璃体浇注到贮罐内。玻璃体贮罐用耐热耐蚀材料制成，如309s不锈钢、310s不锈钢、镍基合金等。玻璃体贮罐完成浇注后，冷却到罐表面温度低于100℃后，在保护气氛中焊接封盖，封盖后送去贮存。
由于放射性废物玻璃化工艺决定需要将熔融的高放废物在1100℃浇注到容器(玻璃体贮罐)中进行固化，因而，高放废物玻璃固化体产品容器需要承受约1100℃的高放液体高温浇注冲击不发生变形，且产品容器运输过程中需要一定抵抗外界冲击开裂的性能。普通的310s不锈钢焊材无法满足该容器的焊接要求，需要进一步提高其高温力学性能。
发明内容
针对目前高放废物玻璃固化工艺对固化体产品容器焊接材料带来的苛刻要求，本发明的目的在于提供一种高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝及其制备方法和应用，所制备的焊丝适用于高放废物玻璃固化体产品容器的焊接，高温强度高，冲击韧性好。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝，按重量百分比计，该焊丝化学成分如下：
C：0.04-0.12％；Cr：24.0～26.0％；Ni：19.0～21.0％；Mn：≤2.0％；Si：≤1.0％；Nb：0.3-1.0％；N≤0.1％；Fe余量。
该焊丝化学成分中，杂质元素含量按重量百分比计控制为：S＜0.001％；P＜0.008％；O≤0.004％；H≤2ppm；Ca＜0.005％；Mg＜0.005％；Ta＜0.02％；Cu＜0.02％；Co＜0.02％。
该焊丝化学成分中，C元素含量优选为0.082-0.10wt.％，Ni元素含量优选为20.0～21.0wt.％，N元素含量优选为0.06-0.10wt.％。
所述的高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝的制备方法，该方法首先按照所述焊丝成分进行配料，然后采用真空熔炼制备母合金钢锭，母合金钢锭经过1100～1200℃保温1～3h后锻造成方坯；锻造后的方坯经过1100～1150℃保温1～2h后热连轧成Φ5.5-6.5mm盘条；最后，盘条经过连续冷拉拔后制成Φ1.17-1.23mm焊丝，即得到所述高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝。焊丝抗拉强度为1300～1500MPa。
本发明中所述高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝用于高放废物玻璃固化体容器的焊接，所述高放废物玻璃固化体容器的材质为309s、310s、HR3C等耐热奥氏体不锈钢；焊接过程为：取规格为Φ1.17-1.23mm焊丝，采用半自动送丝钨极氩弧焊，焊接参数为：焊接电流140～220A，电弧电压12～14V，送丝速度900～1200mm/min，焊接速度80～110mm/min，电流极性DCSP(直流电极接负)，电弧保护采用99.99％高纯度氩气；焊接后获得焊缝熔敷金属。
所获得的焊缝熔敷金属的室温抗拉强度σb>580MPa，屈服强度σp0.2＞360MPa，室温冲击韧性W＞90J；1000℃高温抗拉强度σb>90MPa，屈服强度σp0.2＞70MPa。
本发明的奥氏体不锈钢焊丝能够防止1100℃高温浇注中产品受热变形，同时具有较高的冲击韧性防止运输过程中产受碰撞发生开裂失效。能够满足玻璃固化体浇注工艺中对材料高温性能的需求，保障产品容器的安全服役。节约成本，经济方便。
本发明中，主要元素设计思想如下：
C、N在奥氏体不锈钢中是比较重要的固溶强化元素。提高C，N含量能够有效的通过固溶强化以及碳化物析出强化提高材料的高温强度，但C含量过高，在热作用下会与Cr、Fe等形成晶间碳化物M23C6，造成晶界附近贫Cr，会降低材料的晶间腐蚀等耐蚀敏感性以及室温韧性。因而提高C元素的同时，需要加入C稳定化元素。Nb作为稳定化元素在奥氏体不锈钢中起时效强化作用，在焊缝中能提高原子间结合力。它与C的结合能力比Cr强，高温阶段生成NbC减少晶界上C的偏析从而减少M23C6和M7C3的形成，降低晶界贫Cr程度，从而降低晶间腐蚀倾向。Nb元素形成的MC型细小碳化物能钉扎晶界，提高材料高温强度。但C、N和Nb元素过高时会在焊接过程中会产生较多大尺寸的一次Nb(C,N)相，会严重降低焊缝金属的韧塑性。同时，N含量过高会增加焊接过程中气孔的产生。本发明Nb含量控制在0.3-1.0wt.％；C含量控制在0.04～0.12wt.％；N含量≤1.0％为宜。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明提供的焊丝焊接后，熔敷金属高温强度高，耐腐蚀性好，且焊接过程稳定，缺陷少，工艺性能好，成品率高。
2、本发明的焊丝不仅可以用在玻璃固化体容器的制备加工中，还可以用在化工要求高温高强耐腐蚀抗氧化器件的制备加工中。
3、本发明能够满足核电站发展要求和提高核电设备材料性能，其高温强度高于目前普通的310s奥氏体不锈钢焊材，能够保障高放废物玻璃固化体产品容器的安全服役。
具体实施方式
在具体实施方式中，本发明玻璃固化体容器用耐高温强韧化奥氏体不锈钢焊丝的制备方法，通过真空熔炼制备的母合金钢锭，经过1150℃保温2h后锻造成方坯；锻造后的方坯经过1150℃保温1.5h后热连轧成Φ6mm盘条；盘条经过连续冷拉拔(进行中间充氢退火)后制成Φ1.2mm焊丝，其抗拉强度在1300～1500MPa之间。按重量百分比计，所述奥氏体不锈钢焊丝的化学成分组成为：
C：0.04-0.12％，Cr：24.0～26.0％，Ni:19.0～21.0％，Mn：≤2.0％，Si：≤1.0％，Nb：0.3-1.0％，S：＜0.001％，P：＜0.008％，O≤0.004％，H≤2ppm，N≤0.1％，Ca：＜0.005％，Mg：＜0.005％，Ta：＜0.02％，Cu：＜0.02％，Co：＜0.02％，Fe余量。
在使用过程中，母材采用310s不锈钢板，采用半自动送丝钨极氩弧焊进行堆焊，焊接参数为：焊接电流：180A，电弧电压：13V，送丝速度：1000mm/min，焊接速度：100mm/min，电流极性：DCSP(直流电极接负)，电弧保护：99.99％高纯度氩气，获得焊缝熔敷金属，焊缝熔敷金属的室温抗拉强度σb>580MPa，屈服强度σp0.2＞360MPa，室温冲击韧性W＞90J；1000℃高温抗拉强度σb>90MPa，屈服强度σp0.2＞70MPa。按重量百分比计，焊接接头熔敷金属的化学成分最终为：
C：0.04-0.12％，Cr：24.0～26.0％，Ni:19.0～21.0％，Mn：≤2.0％，Si：≤1.0％，Nb：0.3-1.0％，S：＜0.001％，P：＜0.008％，O≤0.004％，H≤2ppm，N≤0.1％，Ca：＜0.005％，Mg：＜0.005％，Ta：＜0.02％，Cu：＜0.02％，Co：＜0.02％，Fe余量。
焊丝中主要合金元素的作用以及控制范围如下：
Ni是奥氏体稳定化元素；Cr主要起固溶强化作用，也是碳化物形成元素，Cr是稳定合金表面重要的元素，它在基体材料的表面形成抗氧化和抗腐蚀的保护层。Ni、Cr元素是奥氏体不锈钢具有优异的耐蚀性及耐热性能的重要基础。从性能以及经济角度考虑，Cr含量控制在24.0～26.0％，Ni含量控制在19.0～21.0％。
Nb在奥氏体不锈钢中主要起时效强化作用，在焊缝中能提高原子间结合力。Nb也是碳化物形成元素，它与C的结合能力比Cr强，生成NbC减少晶界上C的偏析从而减少M23C6和M7C3的形成，降低晶界贫Cr程度，从而降低晶间腐蚀倾向。形成的MC型细小碳化物能钉扎晶界，提高材料的高温变形能力，Nb含量控制在0.3-1.0％。
C在奥氏体不锈钢中是重要的固溶强化元素，C的添加会显著提高材料的高温强度，但C和Cr易形成碳化物(主要为(Cr,Fe)23C6型)在晶界析出，会导致晶界处贫Cr，降低材料的耐蚀性能以及冲击韧性。因此需要对C含量加以限制，C含量应控制在0.04-0.12％。
N在奥氏体中同C一样属于间隙原子，具有较强的固溶强化能力。加入N元素能够有效的提高焊缝金属高温强度以及耐蚀性能，但是N元素过高，会增加焊接过程中气孔的出现。本发明中N含量应≤1.0％
Si在奥氏体不锈钢中应控制在较低含量。一方面Si的加入主要与Mn联合作用控制不锈钢中的O含量，但是Si在焊接凝固过程会发生偏析形成低熔点共晶，增加不锈钢的热脆倾向。同时Si是铁素体形成元素，Si含量过高时会降低奥氏体的稳定性。因此，Si含量要控制在≤1％。
Mn既是奥氏体稳定化元素又是重要的脱氧元素。Si、Mn联合作用可以有效的控制奥氏体不锈钢中氧的含量。同时，Mn能够与O结合控制钢中O含量。Mn在稳定奥氏体方面能够部分代替Ni的作用，可以降低奥氏体不锈钢中Ni含量，降低成本。Mn能够扩大N在奥氏体不锈钢中的溶解度，对提高奥氏体不锈钢高温强度有利。另一方面，Mn相比Fe更易于S形成MnS，提高了奥氏体不锈钢凝固裂纹敏感性。Mn含量控制在≤2％。
S是奥氏体不锈钢中有害元素。S极易形成晶界偏析，产生低熔点共晶的硫化物，偏析于晶界，在热应变的作用下形成晶界开裂，即结晶裂纹。S含量控制应低于0.001％。
P对奥氏体不锈钢的影响与硫、铅相似。它在合金中虽含量很少，但不能低估它的有害作用。P在合金中主要是与Ni形成低熔点共晶物，偏析于晶界，增大半熔化区宽度，促使裂纹倾向增大，P含量控制在低于0.008％。
本发明提供的焊丝，只要化学成分以及焊丝强度控制在发明要求范围内即可。
实施例与比较例采用的焊丝基本成分以及实验结果与试验参数如表1、表2和表3所示。
实施例和比较例结果表明，本发明成分控制范围内，实施例1、2获得的焊缝金属性能室温抗拉强度σb>580MPa，屈服强度σp0.2＞360MPa；1000℃高温抗拉强度σb>90MPa，屈服强度σp0.2＞70MPa；室温冲击性能AKv>90J。比较例1中Nb含量过低，室温跟高温强度不足。比较例2、3由于Nb含量过高，室温冲击均达不到要求。该发明奥氏体不锈钢焊丝能够很好的满足高放废物玻璃固化体产品容器用，保障产品容易的长期服役。
表1实施例与比较例焊丝的基本化学成分(wt.％)
| 合金元素 | 实施例1 | 实施例2 | 比较例1 | 比较例2 | 比较例3 |
| Cr | 26.05 | 25.97 | 26.51 | 26.16 | 25.93 |
| Ni | 21.0 | 20.8 | 21.0 | 20.8 | 21.0 |
| C | 0.088 | 0.089 | 0.086 | 0.089 | 0.051 |
| Mn | 1.71 | 1.71 | 1.70 | 1.74 | 1.77 |
| Si | 0.48 | 0.43 | 0.47 | 0.47 | 0.47 |
| Nb | 0.41 | 0.80 | 0 | 1.19 | 1.59 |
| S | 0.001 | ＜0.001 | 0.0013 | 0.001 | 0.001 |
| P | 0.005 | 0.005 | 0.005 | 0.005 | 0.005 |
| O | 0.0022 | 0.0008 | 0.0022 | 0.0011 | 0.0007 |
| H | 1.6ppm | 1ppm | 2.7ppm | 1.2ppm | 1.0ppm |
| N | 0.094 | 0.10 | 0.098 | 0.10 | 0.087 |
| Ca | <0.005 | <0.005 | <0.005 | <0.005 | <0.005 |
| Mg | <0.005 | <0.005 | <0.005 | <0.005 | <0.005 |
| Ta | <0.02 | <0.02 | <0.02 | <0.02 | <0.02 |
| Cu | <0.02 | <0.02 | <0.02 | <0.02 | <0.02 |
| Fe | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 |
表2实施例与比较例试验测试结果
表3实施例与比较例所采用的试验参数
Claims (3)
1.一种高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于：按重量百分比计，该焊丝的化学成分如下：
C：0.088％、Cr：26.05％、Ni：21.0％、N：0.094％、Mn：1.71％、Si：0.48％、Nb：0.41％、P：0.005％、S：0.001％，O：0.0022%，H：1.6ppm，Ca＜0.005%，Mg＜0.005％，Ta＜0.02％，Cu＜0.02％，余量为铁和不可避免的杂质；熔敷金属室温条件下性能为：屈服强度Rp0.2：364MPa，抗拉强度Rm：590MPa，冲击功Akv：145J；
熔敷金属高温拉伸性能为：1000℃高温下：屈服强度Rp0.2：73MPa，抗拉强度Rm：91MPa；
所述高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝的制备方法为：首先按照所述焊丝成分进行配料，然后采用真空熔炼制备母合金钢锭，母合金钢锭经过1150℃保温2h后锻造成方坯；锻造后的方坯经过1150℃保温1.5h后热连轧成Φ6mm盘条；最后，盘条经过连续冷拉拔后制成Φ1.2mm焊丝，即得到所述高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝。
2.一种高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于：按重量百分比计，该焊丝的化学成分如下：
C：0.089％、Cr：25.97％、Ni：20.8％、N：0.10％、Mn：1.71％、Si：0.43％、Nb：0.80％、P：0.005％、S<0.001％，O：0.0008%，H：1ppm，Ca＜0.005%，Mg＜0.005%，Ta＜0.02%，Cu＜0.02%，余量为铁和不可避免的杂质；熔敷金属室温条件下性能为：屈服强度Rp0.2：398MPa，抗拉强度Rm：622MPa，冲击功Akv：99J；
熔敷金属高温拉伸性能为：1000℃高温下：屈服强度Rp0.2：98MPa，抗拉强度Rm：114MPa；
所述高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝的制备方法为：首先按照所述焊丝成分进行配料，然后采用真空熔炼制备母合金钢锭，母合金钢锭经过1150℃保温2h后锻造成方坯；锻造后的方坯经过1150℃保温1.5h后热连轧成Φ6mm盘条；最后，盘条经过连续冷拉拔后制成Φ1.2mm焊丝，即得到所述高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝。
3.根据权利要求1或2所述的高放废物玻璃固化体容器用奥氏体不锈钢焊丝的应用，其特征在于：该焊丝焊接过程为：采用半自动送丝钨极氩弧焊，焊接参数为：焊接电流140～220A，电弧电压12～14V，送丝速度900～1200mm/min，焊接速度80～110mm/min，电流极性DCSP，电弧保护采用99.99%高纯度氩气；焊接后获得焊缝熔敷金属。
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