CN109967916A - 一种耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝，包括不锈钢外皮以及填充在不锈钢外皮内的药粉，所述药粉的各成分及其含量占药粉质量百分比如下：天然金红石20～25％；石英砂2～5％；金属铬19～22％；镍粉23～27％；钼粉9～11％；铜粉6～8％；电解锰2～4％；氮锰合金3～5％；烧结剂4～6％。该发明通过药粉补充部分Cr、Ni、Mo合金元素的烧损，过渡Si、Mn合金元素以及Cu、N等合金元素，通过控制药芯焊丝中各粉料的含量，控制药芯焊丝熔敷金属中合金元素的含量和比例，从而保证了药芯焊丝熔敷金属化学成分的稳定性，解决了采用市售普通奥氏体不锈钢药芯焊丝焊接新型Cr‑Ni‑Mo‑Cu‑N系耐酸性奥氏体不锈钢时出现的化学成分不一致、抗腐蚀能力不足的问题。

Description

一种耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝及其应用

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝及其应用。

背景技术

不锈钢在中性或者弱氧化性酸环境中具有较强的抵抗腐蚀能力，但在含有非氧化性酸、强氧化性酸或者氯化物的环境中则会出现不同程度的腐蚀现象。因此，耐酸性不锈钢及其焊接材料必须根据其应用的环境进行开发。目前，针对化学工业中的各种酸溶液环境，主要采用奥氏体不锈钢制造各种耐酸设备。然而，在化学药品、化肥、纤维、纸浆等领域，对于硫酸、乙酸、醋酸等非氧化性酸，需要不断提高不锈钢中Ni元素的含量，其耐酸性能以及经济性均较差。随着科学研究的不断深入，人们逐渐弄清了Si、Mn、Ni、Cr、Mo等合金元素对不锈钢耐非氧化性酸腐蚀能力的影响规律，一味地提高Cr、Ni、Mo等合金元素的含量，不但增加了制造成本，反而降低了不锈钢对硫酸等环境下的耐腐蚀性能。因此，通过降低碳含量、添加Cu、Si、N等合金元素，既能改善这类不锈钢的焊接加工性能，获得优良的力学性能，也能提高其对非氧化性酸的耐腐蚀性能。

目前，市场上成熟的不锈钢药芯焊丝产品以E308/308L、E309/309L和E316/316L等普通奥氏体不锈钢药芯焊丝为主，以及含有N元素的双相不锈钢药芯焊丝如2209型药芯焊丝、2507型药芯焊丝等产品。对于耐非氧化性酸腐蚀能力更加优异的Cr-Ni-Mo-Cu-N系奥氏体不锈钢，则还未开发出相应的药芯焊丝产品。因此，此类新型耐酸型奥氏体不锈钢在应用过程中，特别是焊接加工中，存在化学成分不匹配、焊缝金属耐非氧化性酸腐蚀能力不足的问题，大大限制了Cr-Ni-Mo-Cu-N系耐酸性奥氏体不锈钢的应用范围。

发明内容

本发明的目的是克服现有Cr-Ni-Mo-Cu-N系奥氏体不锈钢在应用过程中采用现有奥氏体不锈钢药芯焊丝产品焊接时出现的化学成分不一致和抗腐蚀能力不足的问题。

为此，本发明提供了一种耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝，包括不锈钢外皮以及填充在不锈钢外皮内的药粉，所述药粉的各成分及其含量占药粉质量百分比如下：天然金红石20～25％；石英砂2～5％；金属铬19～22％；镍粉23～27％；钼粉9～11％；铜粉6～8％；电解锰2～4％；氮锰合金3～5％；烧结剂4～6％。

进一步的，所述药粉质量占药芯焊丝总质量的24～25％。

进一步的，所述烧结剂为钾长石、钛酸钾及氟化钡按质量比1:(0.8～1.5):(1.0～2.5)混合，并添加质量分数为10％的助溶剂LiF后烧结而成；所述烧结温度为850℃，烧结时间为4h。

进一步的，所述烧结剂的粒度为60～80目。

进一步的，所述氮锰合金中各化学成分含量百分比为Mn75％，N8.0％，Si≤3.0％，C≤0.05％，S≤0.03％，P≤0.03％。

进一步的，所述药粉的各成分及其含量占药粉质量百分比如下：天然金红石20％；石英砂4％；金属铬22％；镍粉27％；钼粉10％；铜粉8％；电解锰2％；氮锰合金3％；烧结剂4～6％。

进一步的，所述药粉的各成分及其含量占药粉质量百分比如下：天然金红石21％；石英砂5％；金属铬20％；镍粉25％；钼粉9％；铜粉6％；电解锰4％；氮锰合金4％；烧结剂6％。

进一步的，所述药粉的各成分及其含量占药粉质量百分比如下：天然金红石25％；石英砂2％；金属铬19％；镍粉23％；钼粉11％；铜粉7％；电解锰3％；氮锰合金5％；烧结剂5％。

进一步的，所述不锈钢外皮采用304L奥氏体不锈钢薄钢带，其厚度为0.35mm，宽度为10mm，不锈钢外皮经轧辊轧制成U型槽后于其内部填充药粉。

另外，上述耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝用于Cr-Ni-Mo-Cu-N系耐酸性奥氏体不锈钢的CO₂气体保护焊接。

本发明提供的这种耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝的设计原则如下：

天然金红石：主要作用为造渣、稳弧、调节熔渣的物理性能，改善焊缝成形和焊接工艺性能。在本发明的药芯焊丝中，当天然金红石加入量小于20％时，焊接工艺性能较差，体现在电弧稳定性差、电弧爆炸声音明显，立焊时熔渣流淌严重；加入量大于25％时，焊缝金属含氧量增加，即氧化物夹杂增加，导致焊缝金属力学性能特别是韧性下降；焊渣脱渣过早，导致焊缝表面氧化严重，导致表面质量变差。

石英砂：主要作用是造渣，增加电弧稳定性并改善渣的活泼性，其含量过高则导致焊缝增Si严重，本发明中将石英砂的含量控制在2～5％。

金属铬、镍粉、钼铁、铜粉等几种分类均为补充焊缝金属合金元素，保证焊缝金属中Cr、Ni、Mo、Cu等合金元素含量的稳定性。根据Cr、Ni、Mo等合金元素含量的控制，可以在焊缝金属中形成一定含量的铁素体，有利于提高焊缝金属的力学性能和抗裂性能。

电解锰和氮锰合金：二者配合使用可起到脱氧作用、向焊缝金属中过渡Mn和N，起到合金化的作用。N元素的含量过低则合金化效果不明显，N元素含量过高会增大焊缝金属中形成气孔的倾向。因此，氮锰合金的添加量控制在3～5％，此外再补充2～4％的电解锰。

烧结剂：钾长石、钛酸钾与氟化钡按质量比1:(0.8～1.5):(1.0～2.5)混合，并添加质量分数为10％的助溶剂LiF后烧结而成，烧结工艺为850℃/4h，烧结后经破碎筛分制备成粒度为60～80目的烧结剂。将钾长石、钛酸钾以及氟化钡等粉料进行烧结可提高药芯焊丝产品的抗吸潮能力，减小焊缝中出现氢气孔的倾向，提高焊接接头力学性能。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的这种耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝通过药粉补充部分Cr、Ni、Mo合金元素的烧损，过渡Si、Mn合金元素以及Cu、N等合金元素，通过控制药芯焊丝中各粉料的含量，控制药芯焊丝熔敷金属中合金元素的含量和比例，从而保证了药芯焊丝熔敷金属化学成分的稳定性，为保障焊缝金属耐酸性能提供了基础。

(2)本发明提供的这种耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝中将药粉中的易吸潮粉料如钾长石、钛酸钾以及氟化钡等先通过预烧结方法进行处理，控制了原材料中矿物粉的粒度，提高了其抗吸潮性能，提高药芯焊丝的质量稳定性和抗气孔能力。

(3)本发明提供的这种耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝通过药粉添加氮锰合金，向焊缝金属中过渡N元素，N元素为强奥氏体化元素，可替代部分Ni元素起到奥氏体化的作用，且能促进奥氏体晶粒细化，提高焊缝金属的力学性能。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝，包括不锈钢外皮以及填充在不锈钢外皮内的药粉，所述药粉的各成分及其含量占药粉质量百分比如下：天然金红石20～25％；石英砂2～5％；金属铬19～22％；镍粉23～27％；钼粉9～11％；铜粉6～8％；电解锰2～4％；氮锰合金3～5％；烧结剂4～6％。

其中，不锈钢外皮采用304L不锈钢薄钢带外皮(10mm×0.35mm)，不锈钢外皮经轧辊轧制成U型槽后于其内部填充药粉，药粉填充率为24～25％；然后经过轧辊轧制合缝、拉拔减径等加工工序和表面处理后制成成品药芯焊丝。

下面通过具体实施例来说明本发明耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝的组成及性能；实施例1～3的药粉成分及其占药粉总质量的百分比含量％如表1所示。

表1：药粉成分及其含量(wt.％)

药粉组成	实施例1	实施例2	实施例3
				天然金红石	20	21	25
石英砂	4	5	2
				金属铬	22	20	19
镍粉	27	25	23
				钼粉	10	9	11
铜粉	8	6	7
				电解锰	2	4	3
氮锰合金	3	4	5
				烧结剂	4	6	5
共计	100	100	100

采用上述三个实施例所制备的药芯焊丝分别进行熔敷金属化学成分、熔敷金属力学性能检测，检测结果分别如表2和表3所示。

表2：熔敷金属化学成分(wt.％)

化学成分	C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Mo	Cu	N
											实施例1	0.015	0.55	1.13	0.006	0.013	20.7	14.58	2.50	1.93	0.16
实施例2	0.020	0.50	1.37	0.005	0.011	19.15	14.15	2.23	1.49	0.21
											实施例3	0.022	0.48	1.50	0.007	0.014	18.86	13.90	2.71	1.70	0.23

表3：熔敷金属力学性能

由表2和表3的检测结果可知，本发明的耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝熔敷金属化学成分完全满足20Cr-15Ni-3Mo-1.7Cu-0.2N耐酸性奥氏体不锈钢的焊接要求。其中，C元素含量控制在0.03％以下，Cr、Ni、Mo、Cu、N等合金元素的含量与新型耐酸性奥氏体不锈钢母材的化学成分相一致。

上述实施例中耐非氧化性酸腐蚀奥氏体不锈钢药芯焊丝熔敷金属采用5％H₂SO₄溶液进行耐腐蚀试验。具体过程如下：先将耐非氧化性酸腐蚀奥氏体不锈钢药芯焊丝熔敷金属试样进行称重，然后将试样放入5％H₂SO₄溶液进行腐蚀试验，腐蚀试验结束后取出试样清洗并称重，测量腐蚀前后的重量差值并计算其腐蚀速率。为了进行对比，试验中同时检测了316L不锈钢的耐腐蚀性能，检测结果如表4所示。

表4：耐酸性腐蚀试验测试结果

种类	酸溶液	测试温度/℃	腐蚀速率(mm/a)
				316L	5％H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>溶液	100	0.947
实施例1	5％H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>溶液	100	0.0861
				实施例2	5％H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>溶液	100	0.0904
实施例3	5％H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>溶液	100	0.0753

由表4可知，本发明的Cr-Ni-Mo-Cu-N系耐酸性奥氏体不锈钢药芯焊丝的耐腐蚀性能优异，在100℃下的5％H₂SO₄溶液中，其腐蚀速率小于0.1mm/a，其耐腐蚀性能远远优于316L不锈钢，完全满足非氧化性酸环境下的耐腐蚀要求。

综上所述，本发明提供的这种耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L奥氏体不锈钢带作为外皮，内部填充全新设计的药芯粉料，使药芯焊丝具有优异的焊接工艺性能、熔敷金属力学性能和抗非氧化性酸腐蚀的性能，解决了采用市售普通奥氏体不锈钢药芯焊丝焊接新型Cr-Ni-Mo-Cu-N系耐酸性奥氏体不锈钢时出现的化学成分不一致、抗腐蚀能力不足的问题，在化学工业、有机合成等领域具有广阔的应用前景。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝，包括不锈钢外皮以及填充在不锈钢外皮内的药粉，其特征在于：所述药粉的各成分及其含量占药粉质量百分比如下：天然金红石20～25％；石英砂2～5％；金属铬19～22％；镍粉23～27％；钼粉9～11％；铜粉6～8％；电解锰2～4％；氮锰合金3～5％；烧结剂4～6％。

2.如权利要求1所述的耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于：所述药粉质量占药芯焊丝总质量的24～25％。

3.如权利要求1所述的耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于：所述烧结剂为钾长石、钛酸钾及氟化钡按质量比1:(0.8～1.5):(1.0～2.5)混合，并添加质量分数为10％的助溶剂LiF后烧结而成；所述烧结温度为850℃，烧结时间为4h。

4.如权利要求3所述的耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于：所述烧结剂的粒度为60～80目。

5.如权利要求1所述的耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于：所述氮锰合金中各化学成分含量百分比为Mn75％，N8.0％，Si≤3.0％，C≤0.05％，S≤0.03％，P≤0.03％。

6.如权利要求1所述的耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于：所述药粉的各成分及其含量占药粉质量百分比如下：天然金红石20％；石英砂4％；金属铬22％；镍粉27％；钼粉10％；铜粉8％；电解锰2％；氮锰合金3％；烧结剂4～6％。

7.如权利要求1所述的耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于：所述药粉的各成分及其含量占药粉质量百分比如下：天然金红石21％；石英砂5％；金属铬20％；镍粉25％；钼粉9％；铜粉6％；电解锰4％；氮锰合金4％；烧结剂6％。

8.如权利要求1所述的耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于：所述药粉的各成分及其含量占药粉质量百分比如下：天然金红石25％；石英砂2％；金属铬19％；镍粉23％；钼粉11％；铜粉7％；电解锰3％；氮锰合金5％；烧结剂5％。

9.如权利要求1所述的耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于：所述不锈钢外皮采用304L奥氏体不锈钢薄钢带，其厚度为0.35mm，宽度为10mm，不锈钢外皮经轧辊轧制成U型槽后于其内部填充药粉。

10.如权利要求1～9任一项所述的耐非氧化性酸腐蚀的奥氏体不锈钢药芯焊丝的应用，其特征在于：所述药芯焊丝用于Cr-Ni-Mo-Cu-N系耐酸性奥氏体不锈钢的CO₂气体保护焊接。