CN108971795A - 一种高锰奥氏体低温钢用电焊条 - Google Patents

Abstract

一种高锰奥氏体低温钢用电焊条，由高锰焊芯和涂覆于焊芯表面的药皮组成；以高锰焊芯的总重量为基准，高锰焊芯按重量比包括：C：0.20～0.50%，Si：0.15～0.45%，Mn：23.0～30.0%，Cr：4.0～8.0%，S≤0.008，P≤0.010%，其余为Fe和不可避免的杂质；以药皮总重量为基准，药皮按重量比包括：大理石45～52%，萤石25～30%，石英2～7%，长石3～5%，钛白粉2～4%，金红石2～7%，金属锰4～8%，稀土硅铁1～3%，钛铁2～5%，纯碱1～2%；将各粉料按比例混合均匀后、加入粉料重量23～29%的钠钾水玻璃做粘接剂将粉料压涂在焊芯上，药皮重量系数为0.35～0.45%。本发明满足‑196°低温环境下韧性的要求，以解决现有高锰焊条组织稳定性差、低温韧性不足问题，填补国内空白。

Description

一种高锰奥氏体低温钢用电焊条

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种高锰奥氏体低温钢用电焊条。

背景技术

面对巨大的环保压力，各国对液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）等清洁能源的需求日益旺盛，促进了LNG储运市场迅速发展。目前，LNG储罐用材主要有因瓦合金、9Ni钢、铝合金和奥氏体不锈钢，其中9Ni钢应用最为广泛。该类材料虽然具有良好的低温性能，但存在成本高、强度低等问题。为降低LNG储罐建造成本，提高市场竞争力，国内外钢铁企业积极研发适用于超低温环境的高锰奥氏体钢。韩国浦项公司首先成功开发出用于LNG储罐的新型高锰奥氏体低温钢，国内舞阳钢铁有限责任公司、鞍钢股份有限公司等也先后研制出低温性能良好的高锰奥氏体钢。研究表明，高锰钢的低温韧性、耐疲劳性能等与9Ni钢相当，而由于金属锰的价格仅为镍的1/10，采用高锰钢建造LNG储罐的综合成本约为9Ni钢的1/3。因此，借助巨大的成本优势，高锰钢作为新一代LNG储罐用材料具有广阔的应用前景。

手工电弧焊为LNG储罐制造中常用的焊接方法，但目前为止还没有配套的低温用高锰电焊条，现有的高锰焊条多为耐磨材料，硬度较高但低温韧性较差，如D266、D286、D296焊条等。而采用9Ni钢配套焊条存在价格昂贵、成分不兼容等问题。现有高锰钢用焊条的专利，强度较低或者低温韧性达不到要求。如专利CN1439481A“高锰钢焊接焊条及其焊接方法” 焊缝金属Mn含量较低，强度水平也较低，该焊条采用H08A焊芯，主要靠药皮向焊缝过渡合金元素；专利CN205917U“高锰钢整铸辙岔专用焊条” 的技术原理是利用冲击作用使不稳定奥氏体转变为马氏体而提高强度与耐磨性，其组织稳定性差，低温韧性难以保证；专利CN1431081A“锻扎制高锰钢丝的电焊芯” 用于制备焊条芯、埋弧焊焊丝，未对药皮及熔敷金属成分做成要求，其要求的C含量较高（1～1.3%）、而Mn含量较低（11～14%）；专利CN102218622A“一种高锰钢堆焊实芯焊丝及其制造方法”要求的Mn含量较低（13～18%），未对焊接方法及熔敷金属成分做成要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种高锰奥氏体低温钢用电焊条，满足-196°低温环境下韧性的要求，以解决现有高锰焊条组织稳定性差、低温韧性不足问题，填补国内空白。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种高锰奥氏体低温钢用电焊条，由高锰焊芯和涂覆于焊芯表面的药皮组成；焊条熔敷金属按重量比包括：C：0.25～0.55%，Si：0.15～0.50%，Mn：24.0～30.0%，Cr：4.0～8.0%，S≤0.010，P≤0.012%，其余为Fe和不可避免的杂质；

以高锰焊芯的总重量为基准，高锰焊芯按重量比包括：C：0.20～0.50%， Si：0.15～0.45%，Mn：23.0～30.0%，Cr：4.0～8.0%， S≤0.008，P≤0.010%，其余为Fe和不可避免的杂质；

以药皮总重量为基准，药皮按重量比包括：大理石45～52%，萤石25～30%，石英2～7%，长石3～5%，钛白粉2～4%，金红石2～7%，金属锰4～8%，稀土硅铁1～3%，钛铁2～5%，纯碱1～2%；将各粉料按比例混合均匀后、加入粉料重量23～29%的钠钾水玻璃做粘接剂将粉料压涂在焊芯上，药皮重量系数为0.35～0.45%。

本发明的有益效果是：（1）采用高锰焊芯过渡合金元素，保证了焊缝金属成分的均匀稳定；（2）采用与母材成分一致的高锰合金系，成分匹配性好，避免了熔合区因合金元素扩散导致的组织与性能变化；（3）接头强韧性匹配良好，熔敷金属屈服强度可达420～488MPa，-196℃KV₂在90J以上；（4）采用高锰、无镍合金系，大幅降低了焊条生产成本。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能够予以实施，但所列举实施例不作为本发明的限定。

本发明焊条由高锰焊芯和涂覆于高锰焊芯表面的药皮两部分组成，主要采用焊芯过渡合金元素。以焊芯总重量为基准，所述焊芯化学成分为（重量比）：C：0.20～0.50%， Si：0.15～0.50%，Mn：23.0～30.0%，Cr：4.0～8.0%， S≤0.008，P≤0.010%，其余为Fe和不可避免的杂质。焊芯的生产无特殊要求，只是由于高锰钢加工硬化强，在拉拔减径过程中注意增加退火次数，参照如下工艺拉拔：φ8.0mm（1050℃×8min退火）→6.0mm（1050℃×5min退火）→φ5.0mm（1050℃×3min退火）→φ4.0mm。

以药皮总重量为基准，所述药皮的基本组成为（重量比）：大理石45～52%，萤石25～30%，石英2～7%，长石3～5%，钛白粉2～4%，金红石2～7%，金属锰4～8%，稀土硅铁1～3%，钛铁2～5%，纯碱1～2%，各粉料的总量为100%；将各粉料按比例混合均匀，加入粉料总重量23～29%的钠钾水玻璃混合均匀，然后送入压涂机内按照常规生产方法将其裹覆于所述焊芯上，控制焊条外径使药皮重量系数为0.35～0.45%。在经过低温、中温及高温烘焙后制成所示高锰焊条。所述低温烘焙为（50～90）℃×（4～5）h、中温烘焙为（120～180）℃×（2～3）h、高温烘焙（290～300）℃×（1～1.5）h。

焊条熔敷金属化学成分为（重量比）：C：0.25～0.55%，Si：0.15～0.40%，Mn：24.0～30.0%，Cr：4.0～8.0%，S≤0.010，P≤0.012%，其余为Fe和不可避免的杂质。熔敷金属中各合金元素，均是在对其作用的分析的基础上，进行不同含量的设计，经过大量试验确定了最终成分。

本发明所述的药皮最优重量配比包括：大理石45～52%，萤石25～38%，石英2～5%，长石3～5%，钛白粉2～3%，金红石2～5%，金属锰4～8%，稀土硅铁1～2%，钛铁2～3%，纯碱1～2%。

本发明所述的高猛焊芯最优重量配比包括：C：0.22～0.495%，Si：0.18～0.42%，Mn：23.35～29.5%，Cr：4.12～7.82%， S≤0.008，P≤0.010%，其余为Fe和不可避免的杂质。

各合金元素的特性及组成范围要求进行说明如下：

碳（C）：碳是钢中最重要的强化元素，也是高锰钢中重要的奥氏体形成元素，一定的碳含量是保证焊缝金属在极低温冲击下奥氏体稳定性的重要因素。但碳元素在容易以碳化物形式析出，且很较难消除，当碳化物在一些晶界上以薄膜或片层形式析出时，对韧性劣化效果严重。根据试验结果，本发明中优选将碳的含量控制在0.25～0.55%。

硅（Si）：硅在焊接过程中起到脱氧、改善熔池金属流动性作用，同时是高锰钢中的固溶强化元素。硅含量低于0.15%时会使焊缝脱氧不充分、焊接工艺性变差，但超过0.40%时会使焊缝韧性下降，并使焊接裂纹敏感性增加。因此，本发明确定碳的含量范围为0.15～0.40%。

锰（Mn）：锰是形成低温稳定相奥氏体的主要元素，是本发明最重要的合金元素。高锰钢层错能随锰含量增加而变化，锰含量为15%附近达到最低，继续增加锰含量使奥氏体的层错能升高。层错能极低时塑性变形诱发马氏体相变，奥氏体变形以马氏体相变为主。随着层错能升高，变形机制由马氏体相变/变形孪生结合向变形孪生过渡。当层错能继续提高时，不发生变形孪生，变形机制为全位错滑移。选择合适的锰含量是保证高锰钢发生变形孪生效应并具有高塑性高韧性的关键。通常锰含量在22-30%时，马氏体相变可以得到有效抑制，其他元素的加入也会影响奥氏体的层错能，使其发生小范围变化。因此，本发明采用较高的锰含量结合合金成分设计避免马氏体相变发生，确保焊缝低温韧性。另一方面，锰含量过高时会产生较多的偏析，焊接过程中产生较多的有害焊接烟尘。根据试验结果，本发明最终确定锰含量范围为23.0～30.0%。

铬（Cr）：铬在高锰钢中具有强化基体中的C-Mn簇团和扩大簇团区的作用，因而能够有效提高焊缝金属的强度与硬度。另外，添加一定铬能够提高焊缝的耐腐蚀性能。但是当铬含量较高时会形成(FeCr)₃C或M₂₃C₆型碳化物使韧性降低。结合母材的铬含量范围，本发明确定铬含量为4.0～8.0%。

硫（S）、磷（P）：硫、磷为焊缝中有害元素，硫易形成FeS低熔点化合物增加焊接热裂纹敏感性，磷易在晶界上形成脆性化合物恶化焊缝韧性。因此尽量降低硫、磷含量，根据试验结果确定硫、磷上限分别为0.010%、0.012%。

大理石：本发明中大理石既作为造渣剂又作为造气剂，其分解产生的CaO能提高渣系的碱度，增加了冶金除硫、磷能力；生成的CO₂在电弧区形成保护气氛，同时降低了氢分压，降低了焊缝中的含氢量。

萤石、长石、金红石：主要为造渣、调整熔渣特性为目的，其中萤石在反应中生成HF，降低焊缝氢含量，同时萤石能够降低熔渣表面张力，调整熔渣粘度及流动性；长石与金红石可改善熔渣碱度，控制熔渣的凝固温度范围，改善全位置焊接焊道成形。

稀土硅铁：本发明采用稀土硅铁过渡稀土元素，起到净化焊缝金属、抑制碳化物在晶界析出作用。稀土能与硫形成高熔点的稀土硫化物（RES）、稀土氧化物（REO₂、RE₂O₃）和稀土硫氧化物（RE₂O₂S），并以细小颗粒弥散分布于晶内。稀土元素溶入高锰钢中大多以内吸附的形式存在于晶界，降低晶界的界面能，使碳化物在晶界形核困难，并且由于稀土元素在晶界的富集，填充了晶界上空穴等缺陷，阻碍了原子借空穴进行跃迁式扩散，阻碍了碳化物沿晶界长大。

以下为本发明中不同粉料配方、不同成分焊芯的5个实施例。

1#～5#实施例焊芯直径均为φ4.0mm，所用药皮配方和焊芯成分如表1、表2所示。按照现有技术采用普通油压式焊条生产设备制备焊条，按照行业标准焊制熔敷试板，焊接电流为（165±5）A，焊接速度为（17±2）cm/min。熔敷金属化学成分与基本力学性能见表3、表4所示。

表1 实施例焊条的药皮粉料配比（重量%）

表2 实施例焊条用焊芯成分（重量%）

表3 实施例焊条的熔敷金属化学成分（重量%）

表4 实施例焊条的熔敷金属力学性能

。

Claims (1)

1.一种高锰奥氏体低温钢用电焊条，其特征在于：由高锰焊芯和涂覆于焊芯表面的药皮组成；焊条熔敷金属按重量比包括：C：0.25～0.55%，Si：0.15～0.50%，Mn：24.0～30.0%，Cr：4.0～8.0%，S≤0.010，P≤0.012%，其余为Fe和不可避免的杂质；

以高锰焊芯的总重量为基准，高锰焊芯按重量比包括：C：0.20～0.50%， Si：0.15～0.45%，Mn：23.0～30.0%，Cr：4.0～8.0%， S≤0.008，P≤0.010%，其余为Fe和不可避免的杂质；

以药皮总重量为基准，药皮按重量比包括：大理石45～52%，萤石25～30%，石英2～7%，长石3～5%，钛白粉2～4%，金红石2～7%，金属锰4～8%，稀土硅铁1～3%，钛铁2～5%，纯碱1～2%；将各粉料按比例混合均匀后、加入粉料重量23～29%的钠钾水玻璃做粘接剂将粉料压涂在焊芯上，药皮重量系数为0.35～0.45%。