CN111185652A - 一种奥氏体系不锈钢埋弧焊剂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种奥氏体系不锈钢埋弧焊剂，按重量百分比计算含有：以F换算值的氟化物：10～35％、MgO：10～35％、Al2O3：7～17％、SiO2：10～25％、P2O5：0.05％以下、SO3：0.05％以下、CaO：15～30％、ZrO2：0.5％～10％、BaO：0.2％～3％、稀土元素：0.015～0.40％，其余是无法避免的杂质。本发明焊剂在具有优异的焊接作业性的同时，还可以减少焊接缺陷并提高焊缝金属的纯净度，使用本发明焊剂所得的焊缝金属在经过400～600℃的热处理之后，依然具有优异的极低温冲击韧性及抗裂性能。

Description

一种奥氏体系不锈钢埋弧焊剂
技术领域
本发明属于焊接材料领域，具体的，本发明是关于一种奥氏体系不锈钢用埋弧焊剂。
背景技术
以304等为代表的奥氏体系不锈钢，由于其具有优秀的耐腐蚀性、抗拉强度及韧性，因此被广泛地用于化学品储罐、化学品储罐车及建筑结构中。奥氏体系不锈钢由于其组织结构，具有着良好的极低温韧性，加上含有适当的铁素体数，因此也具有着良好的抗裂性能。
但这种奥氏体系不锈钢在经过500～800℃的热处理温度之后，其铁素体会转变为σ铁素体而导致极低温韧性降低。为了提高焊缝金属的韧性，一般是将过去为了防止高温裂纹而设定的含量在7～10左右的铁素体量降低至3～5左右来提高冲击韧性，这种低铁素体化的技术是唯一一种确保极低温下的韧性的技术。然而，焊缝金属的低铁素体化会提高焊接部位的高温裂纹敏感性，同时还有强度降低等问题。因此，如何在保持低铁素体化的同时，还能确保抗裂性能优异性成为了本行业研究的重点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种奥氏体系不锈钢的埋弧焊剂，其焊缝金属在400～600℃的热处理之后，具有优异的极低温冲击韧性及抗裂性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案是，一种奥氏体系不锈钢埋弧焊剂，含有以F换算值的氟化物：10～35％、MgO：10～35％、Al2O3：7～17％、SiO2：10～25％、P2O5：0.05％以下、SO3：0.05％以下、CaO：15～30％、ZrO2：0.5％～10％、BaO：0.2％～3％、稀土元素：0.015～0.40％，其余是无法避免的杂质。
优选的，按重量百分比计算，所述奥氏体系不锈钢埋弧焊剂含有：以F换算值的氟化物：18～25％、MgO：15～30％、Al2O3：8～15％、SiO2：12～23％、P2O5：0.015％以下、SO3：0.015％以下、CaO：17～27％、ZrO2：2％～7％、BaO：0.5％～1.5％、稀土元素：0.017～0.035％，其余是无法避免的杂质。
优选的，所述奥氏体系不锈钢埋弧焊剂含有：以F换算值的氟化物：11.3～32.1％、MgO：12.5～33.6％、Al2O3：8.4～14.6％、SiO2：13.7～24.5％、P2O5：0.0271％以下、SO3：0.0197％以下、CaO：16.1～28.2％、ZrO2：０.67～4.33％、BaO：1.12％～2.12、稀土元素：0.014～0.034％，其余是无法避免的杂质。
优选的，所述奥氏体系不锈钢埋弧焊剂含有：以F换算值的氟化物：18～25％、MgO：18～28％、Al2O3：9～14％、SiO2：15～20％、P2O5：0.010％以下、SO3：0.010％以下、CaO：20～25％、ZrO2：2～5％、BaO：0.5％～1％以下、稀土元素：0.020～0.030％，其余是无法避免的杂质。
优选的，所述奥氏体系不锈钢埋弧焊剂还含有合金剂、脱氧剂及稳弧剂。
优选的，所述奥氏体系不锈钢埋弧焊剂还含有0.5～2％的稳弧剂、0.15～1％的脱氧剂和/或0.25～1％的合金剂。
在本发明的奥氏体系不锈钢埋弧焊剂中，按重量百分比来计算，规定氟化物的F换算值、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、SO3、CaO、ZrO2、BaO及稀土元素的范围来形成高碱度的焊渣系统，在具有优异的焊接作业性的同时，还可以减少焊接缺陷并提高焊缝金属的纯净度。
通过使用上述的奥氏体系不锈钢埋弧焊剂来搭配焊丝进行焊接后，将所得到的焊缝金属在575℃的温度下保温1～5小时，依然可以得到极低温冲击韧性及抗裂性能的焊缝金属。
本发明各元素的选择及含量描述如下。
氟化物是一种造渣剂，其能够调整焊渣的熔点，有着提高流动性并改善焊道形状的作用。此外，氟化物还能够降低焊缝金属中的氢含量，同时其还是强碱性的化合物，能够有效的提高焊缝金属的纯净度。氟化物的F换算值含量过少的话，会无法得到上述的效果。另一方面，氟化物的F换算值含量较高的话，会使电弧变得不稳，在焊道表面发生压坑等缺陷，造成焊道形状变差。因此，在本发明中，氟化物的F换算值应控制在10～35％。氟化物的F换算值较为优选的范围是15～30％、更好的范围是18～25％。氟化物可以以氟化钠、硅氟化钾、氟化铝、冰晶石及萤石等选择添加。
MgO能够调整焊渣的熔点及黏性，有着改善焊渣脱渣性的效果。此外，MgO还是高熔点的化合物，在含有大量氟化物的本发明中，其能够调整熔融特性并改善焊道形状。MgO还是强碱性化合物，其能够使焊缝金属纯净化。MgO的含量过少的话，会无法得到上述的效果。另一方面，MgO的含量过多的话，黏性会显著的降低、熔点会显著的上升并导致焊道形状变差。因此，在本发明中，MgO的含量应控制在10～35％。MgO较为优选的范围是15～30％，更好的是18～28％。MgO可以在氧化镁、菱镁矿及白云石等中来选择添加。
Al2O3能够调整焊渣的熔点，有着改善焊道形状的效果。Al2O3的含量较低的话，会因为焊渣的熔点较低而导致焊缝金属和焊渣的凝固变得不均等，从而造成焊道形状变差。另一方面，Al2O3的含量较高的话，焊渣的熔点会变得较高，从而导致焊道的形状变差。因此，在本发明中，Al2O3的含量应控制在7～17％。Al2O3的含量较为优选的范围是在8～15％，更好的是在9～14％。Al2O3可以在矾土、氧化铝、刚玉等中来选择添加。
SiO2能够调整焊渣的黏性，其有着改善焊渣的包覆性及使焊道形状良好的效果。SiO2的含量较低时，焊渣的黏性会较高，从而导致无法维持良好的焊道形状。另一方面，SiO2的含量较高时，焊渣的黏性会变得过高，从而导致焊道外观变差，还会发生焊渣的脱渣性变差的问题。此外，SiO2含量过高还会导致焊缝金属中过度进行过多的Si，从而导致焊缝金属热处理之后的极低温冲击变差。焊剂在制造的过程中，会添加水玻璃(硅酸钠或是硅酸钾)来充当粘结剂，而水玻璃中也含有SiO2，故在本发明的焊剂中添加过多的SiO2原料的话，会导致发生上述的问题。因此，在本发明中，SiO2的含量应控制在10～25％。SiO2的含量较为优选的范围是在12～23％，更好的是在15～20％。SiO2可以在硅砂、硅灰石、长石等中来选择添加。
P2O5和SO3在本发明中都属于杂质，其含量过多的话会过度进焊缝金属中并导致发生热裂纹及冲击韧性降低。因此，P2O5的含量应控制在0.05％以下，SO3的含量应控制在0.05％以下。P2O5的含量较为优选的范围是在0.015％以下，更好的是在0.010％以下。SO3的含量较为优选的范围是在0.015％以下，更好的是在0.010％以下。
CaO和MgO相同，都能够调整焊渣的熔点及黏性，有着改善焊渣脱渣性的效果。此外，CaO还是高碱性的化合物元素，能够使焊缝金属纯净化。CaO的含量较低时，会无法得到上述的效果。另一方面，CaO的含量较高时，焊渣的熔点会提高并影响流动性，从而导致焊道形状变差。因此，在本发明中，CaO的含量应控制在15～30％。CaO的含量较为优选的范围是在17～27％，更好的是在20～25％。CaO可以在方解石、钛酸钙、硅灰石等中来选择添加。
ZrO2能够调整焊渣的碱度和熔点，还有着改善焊渣包覆性的效果。ZrO2的含量较高时，会导致焊道形状和脱渣性变差。因此，在本发明中，ZrO2的含量应控制在10％以下。ZrO2的含量较为优选的范围是在7％以下，更好的是在5％以下。考虑到上述的效果，ZrO2的含量下限最好在０.5％以上，更好的是在2％以上。ZrO2可以在锆砂、氧化锆等中来选择添加。
BaO和ZrO2相同，都够调整焊渣的碱度和熔点，还有着改善焊渣包覆性的效果。BaO的含量较高时，会导致焊道形状和脱渣性变差。因此，在本发明中，BaO的含量应控制在3％以下。BaO的含量较为优选的范围是在1.5％以下，更好的是在1％以下。考虑到上述的效果，BaO的含量下限最好在0.2％以上，更好的是在0.5％以上。BaO可以在氧化钡、碳酸钡等中来选择添加。
稀土类元素(REM)能够使微细析出物稳定，还能够和低熔点物质结合并使其分散，从而提高了冲击性能。然而，含量过高的话，稀土类元素会和氧结合并降低焊缝金属的纯洁性。因此，稀土类元素的含量应控制在0.015～0.040％。REM较为优选的范围是0.017～0.035％、更好的是在0.020～0.030％。
REM可以以金属合金或是氧化物的方式来进行添加。REM以金属合金的方式来添加时，其效果会比Al、Si等活性金属的合金还大。而REM以氧化物的方式来添加时，虽然其效果和以金属合金的方式来添加时相同，但却会受到氧化物的种类不同而产生差异。因此，在本发明中主要是以金属合金的形式来进行添加。本发明中的REM指的是镧系元素及钇(Y)、钪(Sc)等。
此外，在焊剂中还可以添加合金剂(包含铁粉)、脱氧剂及稳弧剂。
和现有的技术一样，可以添加金属粉或是合金粉来作为合金剂。然后，可以在焊剂中添加Fe-Si、Fe-Mn、Fe-Si-Mn等来作为脱氧剂。此外，通过添加0.02％以上的以氟化物、碳酸盐或是氧化物形态存在的Li、Na及K来作为稳弧剂，可以使电弧非常稳定。上述的稳弧剂较为优选的范围是在0.5～2％。
关于焊剂的粒度，在本发明中是粒度控制在12～40目。粒度太粗的话，在焊接过程中会无法充分的产生反应，从而导致焊道成型变差或是发生压坑、气孔等缺陷。另一方面，粒度太细的话，则会造成回收困难，导致使用成本增加。因此，在本发明中，粒度应控制在12～40目。
关于焊剂的制造，是先将各个原料依照本发明规定的范围来进行混合后，再加入水玻璃(粘结剂)来进行粘结并造粒，之后再以600～650℃的温度来进行烘干，烘干时间为1～1.5个小时，最后再依照本发明的粒度范围来进行过筛。
本发明焊剂以适当的原料和比例搭配形成高碱度的焊渣系统，在具有优异的焊接作业性的同时，还可以减少焊接缺陷并提高焊缝金属的纯净度，使用本发明焊剂所得的焊缝金属在经过400～600℃的热处理之后，依然具有优异的极低温冲击韧性及抗裂性能。
附图说明
图1所示的是测试焊材焊接作业性的坡口形式示意图。
图2所示的是测试焊材力学性能的熔敷试板坡口形式示意图。
图3所示的是测试焊材抗裂性能的坡口形式示意图。
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。
实施例
本发明实施例中所用的奥氏体系不锈钢埋弧焊剂，具体成分及含量见表5所示。
关于本发明焊剂的作业性测试，是使用成分组成如表4所示、规格为Φ3.2mm的焊丝及成分组成如表5所示的奥氏体系不锈钢埋弧焊剂，根据表1所示的焊接条件，在由304不锈钢钢板所制成、坡口形式如图1(板厚厚度t1＝20mm、坡口角度单边β1＝30°)所示的母材内进行平焊焊接一道，并以目视观察的方式来针对高温裂纹、润湿性、焊道形状、波纹粗细、脱渣性以及压坑有无来进行评定。
关于高温裂纹、润湿性、焊道形状、波纹粗细、脱渣性以及压坑有无的评定方法如以下所述。
(1)高温裂纹
高温裂纹的评定，是在去除了起弧和收弧部分的300mm长的焊道中，以每60mm的方式来取焊道的断面来做宏观测试。全部5个焊道断面都没有发生裂纹的话评定为○，有发生裂纹的话则评定为×。
(2)润湿性
润湿性的评定，是在去除了起弧和收弧部分的300mm长的焊道中，以每60mm的方式来取焊道的断面来做宏观测试，5个焊道的断面都是润湿性优异的话评定为○，除此之外都判定为×。
(3)焊道形状
焊道形状的评定，是以目视的方式来观察焊道的余高，焊道的余高是平滑圆整的话评定为○，若焊道的余高较为粗糙且呈凹凸不平整的话则评定为×。
(4)波纹粗细
波纹粗细的评定，是在去除了起弧和收弧部分的300mm长的焊道中，以目视的方式来观察焊道表面的波纹粗细，波纹较为细致的话评定为○，波纹较为粗糙的话则评定为×。
(5)脱渣性
脱渣性的评定，是将焊后附着在焊道表面的焊渣以铁锤来敲击3次，焊渣容易剥离的话评定为○，不容易剥离的话则评定为×。
(6)压坑
压坑的评定，是在去除了起弧和收弧部分的300mm长的焊道中，以目视的方式来观察焊道表面的压坑数量，压坑在5个以下的话评定为○，6个以上的话则评定为×。
关于焊剂的焊接作业性的综合评定，上述的每一项都是○的话评定为○，其中有一项是×的话则评定为×。
各个实施例及比较例的高温裂纹、润湿性、焊道形状、波纹粗细、脱渣性及压坑的评定结果如表6所示。
关于熔敷金属的力学测试，使用304的不锈钢钢板来作为母材，依照GB/T25774.11.6顶的标准来制成如图2所示的坡口形式(板厚厚度t2＝20mm、试板宽度a＝200mm、背垫板厚度u＝6mm、根部间隙b2＝20mm、坡口角度单边β2＝25°)。使用成分组成如表4所示、规格为Φ3.2mm的焊丝及成分组成如表5所示的焊剂，根据表2所示的焊接条件来进行埋弧焊接。
关于焊缝金属的抗裂性能，是用304的不锈钢钢板来作为母材，制成如图3所示的坡口形式(板厚厚度t3＝40mm、根部间隙b3＝0～1mm、坡口角度单边β3＝30°)。使用成分组成如表4所示、规格为Φ3.2mm的焊丝及成分组成如表5所示的焊剂，根据表3所示的焊接条件来进行埋弧焊接。
将焊接后所得到的焊缝金属，先分别依照GB/T 1954的标准来测量铁素体测试之后，再放在575℃的温度下保温1～5个小时。热处理之后，依照GB/T 25774.1所规定的进行取样，依照GB/T 2652来进行拉伸试验，依照GB/T 2650来进行-196℃冲击试验，依照GB/T2563来进行弯曲试验。上述的结果汇总在表7中。
关于熔敷金属铁素体(FN)的评定，FN在3以下的话评定为○，FN超过3的话则评定为×。
关于抗拉强度的评定，抗拉强度在550MPa以上的话评定为○，在550MPa以下的话则评定为×。
关于-196℃冲击的评定，是每个焊缝金属测试1组5片，去掉最大及最小值后，单值在50J以上且平均值在55J以上的话评定为○，单值不满足50J或是平均值没超过55J的话则评定为×。
关于焊缝金属力学性能的综合评定，上述的每一项都是○的话评定为○，其中有一项是×的话则评定为×。
表1
Figure BDA0002411548410000091
表2
Figure BDA0002411548410000092
表3
Figure BDA0002411548410000093
Figure BDA0002411548410000101
表4
Figure BDA0002411548410000102
Figure BDA0002411548410000111
表6
Figure BDA0002411548410000121
Figure BDA0002411548410000131
Figure BDA0002411548410000141
表5至表7中的焊剂编号No.Y-1～Y-5是本发明的实施例，No.Y-6～Y-10则是比较例。从表6及表7可以看出，本发明的实施例焊剂No.Y-1～Y-5的成分都满足本发明的范围，其搭配成分如表4所示的焊丝来进行埋弧焊接时，都有着良好的焊接作业性、力学性能及抗裂性能。
在比较例No.Y-6中，由于SiO2及P2O5的含量超过了本发明的范围，因此其焊道的脱渣性、润湿性及焊道形状都较差。而由于脱渣较为困难，因此在焊接熔敷试板时造成焊接困难，从而无法进行力学性能。
在比较例No.Y-7中，由于BaO的含量超过了本发明的范围，因此其脱渣性及焊道形状较差。而由于脱渣较为困难，因此在焊接熔敷试板时造成焊接困难，从而无法进行力学性能。
在比较例No.Y-8中，由于氟化物的F换算值的含量超过了本发明的范围，因此其焊道形状较差，还有压坑缺陷产生。在焊接熔敷试板的过程中，虽然焊道表面有压坑缺陷，但其力学性能却是可以符合本发明的要求。虽然No.Y-8的力学性能可以符合本发明的要求，但其焊接作业性较差，因此综合来看，其性能还是不如本发明的实施例。
在比较例No.Y-9中，由于ZrO2和BaO的含量都超过了本发明的范围，因此其焊道形状和脱渣性都较差。而由于脱渣较为困难，因此在焊接熔敷试板时造成焊接困难，从而无法进行力学性能。
在比较例No.Y-10中，由于MgO和Al2O3的含量都超过了本发明的范围，因此其焊道的脱渣性、润湿性及焊道形状都较差。而由于脱渣较为困难，因此在焊接熔敷试板时造成焊接困难，从而无法进行力学性能。
在比较例No.Y-11中，由于其氟化物的F换算值低于本发明的范围、SiO2的含量超过了本发明的范围，因此其焊道的润湿性及形状较才，此外还有压坑缺陷产生。在焊接熔敷试板的过程中，其焊道表面也存在这压坑缺陷，而由于No.Y-11的SiO2含量较多，导致Si过多的过渡进焊缝金属中，从而导致冲击性能较差。
在比较例No.Y-12中，由于MgO和Al2O3的含量都低于本发明的范围，因此其焊道的脱渣性及润湿性较差，此外焊道的波纹也较粗。而由于脱渣较为困难，因此在焊接熔敷试板时造成焊接困难，从而无法进行力学性能。
在比较例No.Y-13中，由于其CaO的含量超过了本发明的范围，因此其焊道的脱渣性及成型较差。而由于脱渣较为困难，因此在焊接熔敷试板时造成焊接困难，从而无法进行力学性能。
在比较例No.Y-14及Y-15中，虽然这些焊剂的P2O5含量超过了本发明的范围，但其焊接作业性并没有出现问题。而在熔敷试板的力学测试中，由于其P2O5的含量超过了本发明的范围且没有添加REM，从而导致其冲击性能及弯曲性能较差。
如同以上所述的，由于本发明适当地规范了含量成分的范围，因此除了有着良好的焊接作业性之外，还可以得到在热处理之后依然具有着高韧性及抗裂性能的焊缝金属。
本发明焊剂以适当的原料和比例搭配形成高碱度的焊渣系统，在具有优异的焊接作业性的同时，还可以减少焊接缺陷并提高焊缝金属的纯净度，使用本发明焊接材料所得的焊缝金属在经过热处理之后，依然具有着良好的极低温冲击韧性及抗裂性能。
以上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，还可以做出若干变化和改进，而这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种奥氏体系不锈钢埋弧焊剂，其特征在于，按重量百分比计算，所述奥氏体系不锈钢埋弧焊剂包含有：以F换算值的氟化物：10～35％、MgO：10～35％、Al2O3：7～17％、SiO2：10～25％、P2O5：0.05％以下、SO3：0.05％以下、CaO：15～30％、ZrO2：0.5％～10％、BaO：0.2％～3％、稀土元素：0.015～0.40％，其余是无法避免的杂质。
2.如权利要求1所述的奥氏体系不锈钢埋弧焊剂，其特征在于，按重量百分比计算，所述奥氏体系不锈钢埋弧焊剂含有：以F换算值的氟化物：18～25％、MgO：15～30％、Al2O3：8～15％、SiO2：12～23％、P2O5：0.015％以下、SO3：0.015％以下、CaO：17～27％、ZrO2：2％～7％、BaO：0.5％～1.5％、稀土元素：0.017～0.035％，其余是无法避免的杂质。
3.如权利要求1所述的奥氏体系不锈钢埋弧焊剂，其特征在于，按重量百分比计算，所述奥氏体系不锈钢埋弧焊剂含有：以F换算值的氟化物：18～25％、MgO：18～28％、Al2O3：9～14％、SiO2：15～20％、P2O5：0.010％以下、SO3：0.010％以下、CaO：20～25％、ZrO2：2～5％、BaO：0.5％～1％以下、稀土元素：0.020～0.030％，其余是无法避免的杂质。
4.如权利要求1～3任一所述的奥氏体系不锈钢埋弧焊剂，其特征在于，所述奥氏体系不锈钢埋弧焊剂还含有0.5～2％的稳弧剂、0.15～1％的脱氧剂和/或0.25～1％的合金剂。
5.如权利要求1～3任一所述的奥氏体系不锈钢埋弧焊剂，其特征在于，所述奥氏体系不锈钢埋弧焊剂的粒度在12～40目。
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