CN112496592A - 一种15-5ph马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝 - Google Patents

一种15-5ph马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝 Download PDF

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Abstract

一种高韧性15‑5PH沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，属于材料加工工程领域，主要用于15‑5PH沉淀硬化不锈钢的焊接和堆焊。采用430不锈钢带作为包覆层，粉芯中各合金成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分含量为15.5－22％，金属镍粉的质量百分含量为15－20％，电解金属锰的质量百分含量为1－3％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为0－2％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为1－3％，纯铜粉的质量百分比为8－13％，45％硅铁的质量百分比为0－2％。碳酸钠的质量百分比为1－3％，大理石的质量百分比为1－2％。余量为还原铁粉。药芯焊丝的填充率为28－35％。焊接接头具有优良的韧性和力学性能。

Description

一种15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝
技术领域
本发明属于金属芯焊丝领域，具体涉及一种15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，主要用于15-5PH沉淀硬化不锈钢的焊接及耐蚀耐磨堆焊场合。
背景技术
15-5PH是一种沉淀硬化马氏体不锈钢，相当于中国牌号05Cr15Ni5Cu4Nb。15-5PH不锈钢为降低其组织中的铁素体含量，是在17-4PH基础上，通过增加Ni含量和减少Cr含量而发展的一种低碳马氏体沉淀硬化不锈钢，其耐蚀性与17-4PH相当，横向韧性性能和热加工性能明显优于17-4PH钢，适用于制造大截面尺寸零件和复杂锻件。15-5PH低碳沉淀硬化不锈钢广泛应用于航空航天、核工业、海洋工业及精密模具等行业。
15-5PH不锈钢碳含量不高于0.07％，合金元素含量高，淬硬倾向小，是一种低碳沉淀硬化马氏体不锈钢。15-5PH不锈钢的导热系数为低碳钢的1/3，电阻率是碳钢的3倍。采用传统熔化焊方法焊接时，产生的问题主要有：焊接热影响区的软化、接头强度降低及成分偏析等。为改善焊接接头力学性能，通常需要焊后热处理。采用固相焊接和高能束焊接可以解决这些问题，但使用这两类焊接方法不适于结构复杂的工件场合，且焊接制造成本相对较高，应用受到一定限制。
15-5PH沉淀硬化不锈钢采用传统的熔化焊方法有：激光焊、等离子弧焊、氩弧焊、气保护焊等。
15-5PH沉淀硬化不锈钢采用激光焊时，通常为自熔焊接，并不采用填充材料。激光焊也可以采用粉末进行焊接，但主要用于堆焊的场合，但就堆焊而言，由于激光斑点一般较小，扫描速度较慢，仅适合于堆焊层厚度不超过3mm的场合。激光焊也可以采用粉末材料焊接15-5PH不锈钢，但对焊缝的装配间隙要求非常严格，对工装夹具提出了较高要求，从而增加了工作量，目前仅适用于精密零部件的焊接。此外，由于激光焊设备价格昂贵，维护成本高，使得其应用受到一定限制。
目前国内尚无15-5PH沉淀硬化不锈钢专用焊接材料。15-5PH沉淀硬化不锈钢焊接时，采用的焊接材料主要是17-7PH不锈钢用的焊接材料，如E0-Cr16-Ni5-Mo-Cu4-Nb焊条和ER630实芯焊丝。采用E0-Cr16-Ni5-Mo-Cu4-Nb焊条和ER630实心焊丝焊接15-5PH不锈钢时，带来的问题有：
(1)焊接接头化学成分不匹配的问题。采用E0-Cr16-Ni5-Mo-Cu4-Nb焊条和ER630焊丝焊接15-5PH不锈钢时，焊接接头中铬含量偏高，而镍含量偏低。
(2)焊接接头力学性能降低的问题。采用采用E0-Cr16-Ni5-Mo-Cu4-Nb焊条和ER630焊丝焊接15-5PH不锈钢时，焊接接头性能为低强匹配。
(3)焊接接头中存在一定数量的δ铁素体组织，使15-5PH不锈钢焊接接头热塑性变差，热加工温度区间变窄，横向韧性性能变差，不适用于大厚度板材焊接与零件制造。
15-5PH沉淀硬化不锈钢采用E0-Cr16-Ni5-Mo-Cu4-Nb焊条进行手工电弧焊时，劳动强度大，焊接效率低，综合焊接成本高，主要用于部分维修场合，不适合于提高生产效率的自动焊场合。
15-5PH沉淀硬化不锈钢也可以采用ER630实心焊丝进行氩弧焊和气保护焊。但是这类实心焊丝在制造过程中，由于钢中马氏体组织的存在，硬度比较高，拉拔过程中很容易产生断丝现象。这类实心焊丝在制造过程中，需要反复拉拔，反复退火才能制得所需的丝材。此外，采用实心焊丝焊接时，由于制造实心焊丝所用盘条一般来自钢厂，其化学成份不能调整，焊缝中各组织比例不能调控。当焊缝中产生一定数量的δ-铁素体时，使15-5PH不锈钢焊接接头的横向韧性性能变差。此外，采用ER630焊丝焊接15-5PH时，存在着ER630焊丝熔敷金属化学成份与15-5PH母材化学成份不匹配的问题，导致焊接接头中存在着一定量的铁素体组织，对焊接接头的力学性能带来一定影响。
发明内容：
为克服现有技术不足，本发明研制了一种15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢焊接用金属芯焊丝。该金属芯焊丝可用于氩弧焊、二氧化碳气体保护焊和混合气体保护焊。
一种15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，采用430不锈钢带作为包覆层，粉芯中各合金成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分含量为15.5－22％，金属镍粉的质量百分含量为15－20％，电解金属锰的质量百分含量为1－3％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为0－2％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为1－3％，纯铜粉的质量百分比为8－13％，45％硅铁的质量百分比为0－2％；碳酸钠的质量百分比为1－3％，大理石的质量百分比为1－2％。余量为还原铁粉。
本发明采用430钢带制作，430钢带宽度为10mm，厚度范围为0.3－0.4mm。金属芯焊丝的填充率为28－35％。焊丝的直径范围为1.2－3.2mm。焊丝使用焊接电流范围为50－300A，焊接电压范围为22－35V。采用氩弧焊时，保护气体为纯氩气体，保护气体流量为10－25L/min。采用气保护焊时，焊接保护气体为100％CO2气体或80％Ar+20％CO2气体，保护气体流量为10－25L/min。
采用430不锈钢钢带制作的金属粉芯药芯焊丝，其熔敷金属的化学成份范围包括如下(质量百分含量)：
C：≤0.04％，Si：0.4-0.6％，Mn：0.50-1.50％，S≤0.030，P≤0.030，Cr：15.50-17.0％，Ni：3.50-5.50％，Cu:2.50-4.50％，Mo≤0.50，Nb:0.15-0.45％。
采用430不锈钢钢带制作的金属粉芯药芯焊丝，其熔敷金属的铁素体含量为0％。
本发明药芯焊丝中各组份成分及其作用如下：
金属铬粉：起到渗合金作用，提高焊接接头的硬度和强度，主要作用是提高钢的抗氧化性和耐蚀性，保证焊缝在室温和高温有较高的力学性能。
金属镍粉：起到渗合金作用，稳定和促进奥氏体形成元素，提高奥氏体的稳定性，提高钢的高温强度、抗蠕变性能和耐高温性能，保证焊缝在室温和高温有较高的力学性能。镍既能提高钢的强度，又能提高韧性。
电解金属锰粉：锰为稳定和促进奥氏体形成元素，可提高钢的强度。同时，锰还有脱氧和固定硫的作用，锰与硫形成熔点高的MnS，可防止FeS的形成，从而防止钢的热脆。
45#硅铁粉：焊接过程中脱氧，增加熔池金属流动性，提高钢的耐酸和耐热性能。
纯铜粉：铜是产生时效硬化的元素。时效处理中，富铜相从基体中弥散沉淀，产生硬化效果。铜是弱奥氏体化元素，提高铜含量可以扩大奥氏体温度范围。铜还可以提高耐应力腐蚀能力。
钼铁粉：使晶粒细化，提高焊缝抗裂性能。
铌铁粉：在焊接过程中铌铁可与碳结合，生成NbC，呈细小颗粒状分布于基体中，在奥氏体化温度区间，NbC可阻止晶粒长大。铌还可提高钢的回火抗力，提高钢的塑性和韧性，而不显著降低钢的强度。
还原铁粉：向焊缝过渡金属，改善导电率。
碳酸钠：稳弧，焊接过程中可产生CO2气体，一方面可冷却焊缝金属，一方面可保护焊接熔池。
大理石：造渣，造气，降低气孔敏感性。
本发明的有益效果：
本发明研制了一种用于15-5PH沉淀硬化不锈钢焊接用的氩弧焊和气体保护焊专用金属芯焊丝，可用于15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢的焊接。本发明与15-5PH沉淀硬化不锈钢焊接用手工电焊条相比，可连续焊接，可用于半自动或自动化的生产设备，焊接速度更快，且焊后不用敲渣，提高了生产效率，降低了劳动强度，焊接综合成本更低。
本发明与实心焊丝相比，金属芯中化学成分调整更加容易，制作也更加方便。在焊接过程中，熔化速度更快，焊接速率更快，焊接生产效率更高。由于加入了一定的稳弧剂，焊接飞溅更小，焊接电弧更稳，电弧声音更为柔和。
本发明与15-5PH沉淀硬化不锈钢用的手工电焊条和实心焊丝比，熔敷金属中铁素体的含量控制在0－1％之间，大大改善了15-5PH沉淀硬化不锈钢焊接接头的横向韧性性能，更适用于大厚度板材焊接与零件制造。
15-5PH沉淀硬化不锈钢目前主要采用E0-Cr16-Ni5-Mo-Cu4-Nb焊条和ER630实心焊丝进行焊接，这两种材料均为17-7PH沉淀硬化不锈钢用焊接材料。与这两种焊接材料相比，本发明所焊焊接接头化学成分与母材化学成份更为匹配，焊接接头力学性能为等强匹配，解决了E0-Cr16-Ni5-Mo-Cu4-Nb焊条和ER630实芯焊丝焊接15-5PH沉淀硬化不锈钢焊焊接接头带来的抗拉强度偏低及焊缝化学成份不均匀问题。
具体实施方式
采用常规药芯焊丝生产线制造15-5PH沉淀硬化不锈钢药芯焊丝。先将钢带轧成U形，再向U形槽中加入配置好的金属粉，然后将U形槽合口，使药粉包裹其中。
选取本发明中的金属粉芯药芯焊丝具体实施。焊接母材选用15-5PH沉淀硬化不锈钢。焊接坡口及焊缝试样按照GB/T17854-199和GB4334.5-90进行选取。
具体实施例如下：
实施例1、选用10×0.3(宽度为10mm，厚度为0.3mm)的430不锈钢带，填充率为28％。经拉拔，减径后得到直径为1.2mm的焊丝。
粉芯中各成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分含量为20％，金属镍粉的质量百分含量为20％，电解金属锰的质量百分含量为1％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为1％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为1％，纯铜粉的质量百分比为10％，45％硅铁的质量百分比为2％。碳酸钠的质量百分比为3％，大理石的质量百分比为1％。余量为还原铁粉。
焊接时采用的焊接电流为50A，焊接电压为22V。焊接方法采用氩弧焊。焊接保护气体为纯氩气体，保护气体流量为10L/min。
实施例2、选用10×0.3(宽度为10mm，厚度为0.3mm)的430不锈钢带，填充率为30％。经拉拔，减径后得到直径为1.6mm的焊丝。
粉芯中各合金成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为19％，金属镍粉的质量百分比为19％，电解金属锰的质量百分含量为3％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为2％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为3％，纯铜粉的质量百分比为9％，45％硅铁的质量百分比为1％。碳酸钠的质量百分比为2％，大理石的质量百分比为1％。余量为还原铁粉。
焊接时采用的焊接电流为90A，焊接电压为23V。焊接方法采用氩弧焊。焊接保护气体为纯氩气体，保护气体流量为15L/min。
实施例3、选用10×0.3(宽度为10mm，厚度为0.3mm)的430不锈钢带，填充率为35％。经拉拔，减径后得到直径为3.2mm的焊丝。
粉芯中各合金成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为15.5％，金属镍粉的质量百分比为16％，电解金属锰的质量百分含量为1％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为1％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为1％，纯铜粉的质量百分比为9％，45％硅铁的质量百分比为0％。碳酸钠的质量百分比为1％，大理石的质量百分比为2％。余量为还原铁粉。
焊接时采用的焊接电流为120A，焊接电压为24V。焊接方法采用氩弧焊。焊接保护气体为纯氩气体，保护气体流量为25L/min。
实施例4、选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢带，填充率为28％。经拉拔，减径后得到直径为1.2mm的焊丝。
粉芯中各成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为18％，金属镍粉的质量百分比为18％，电解金属锰的质量百分含量为3％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为0％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为1％，纯铜粉的质量百分比为13％，45％硅铁的质量百分比为1％。碳酸钠的质量百分比为1％，大理石的质量百分比为2％。余量为还原铁粉。
焊接时采用的焊接电流为160A，焊接电压为26V。焊接方法采用气保护焊。焊接保护气体为纯CO2气体，保护气体流量为10L/min。
实施例5、选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢带，填充率为32％。经拉拔，减径后得到直径为1.6mm的焊丝。
粉芯中各成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为21％，金属镍粉的质量百分比为20％，电解金属锰的质量百分含量为3％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为0％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为3％，纯铜粉的质量百分比为11％，45％硅铁的质量百分比为1％。碳酸钠的质量百分比为3％，大理石的质量百分比为1％。余量为还原铁粉。
焊接时采用的焊接电流为180A，焊接电压为28V。焊接方法采用气保护焊。焊接保护气体为纯CO2气体，保护气体流量为15L/min。
实施例6、选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢带，填充率为35％。经拉拔，减径后得到直径为1.6mm的焊丝。
粉芯中各成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为16％，金属镍粉的质量百分比为15％，电解金属锰的质量百分含量为3％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为0％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为2％，纯铜粉的质量百分比为13％，45％硅铁的质量百分比为1％。碳酸钠的质量百分比为2％，大理石的质量百分比为2％。余量为还原铁粉。
焊接时采用的焊接电流为300A，焊接电压为36V。焊接方法采用气保护焊。焊接保护气体为纯CO2气体，保护气体流量为25L/min。
实施例7、选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢带，填充率为32％。经拉拔，减径后得到直径为1.2mm的焊丝。
粉芯中各成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为22％，金属镍粉的质量百分比为20％，电解金属锰的质量百分含量为3％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为1％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为3％，纯铜粉的质量百分比为8％，45％硅铁的质量百分比为1％。碳酸钠的质量百分比为1％，大理石的质量百分比为2％。余量为还原铁粉。
焊接时采用的焊接电流为180A，焊接电压为28V。焊接方法采用气保护焊。焊接保护气体为80％Ar+20％CO2气体，保护气体流量为10L/min。
实施例8、选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢带，填充率为32％。经拉拔，减径后得到直径为1.6mm的焊丝。
粉芯中各成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为17％，金属镍粉的质量百分比为17％，电解金属锰的质量百分含量为2％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为1％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为2％，纯铜粉的质量百分比为9％，45％硅铁的质量百分比为1％。碳酸钠的质量百分比为2％，大理石的质量百分比为2％。余量为还原铁粉。
焊接时采用的焊接电流为200A，焊接电压为30V。焊接方法采用气保护焊。焊接保护气体为80％Ar+20％CO2气体，保护气体流量为15L/min。
实施例9、选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢带，填充率为32％。经拉拔，减径后得到直径为1.6mm的焊丝。
粉芯中各成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为18％，金属镍粉的质量百分比为19％，电解金属锰的质量百分含量为1％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为2％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为2％，纯铜粉的质量百分比为9％，45％硅铁的质量百分比为1％。碳酸钠的质量百分比为2％，大理石的质量百分比为2％。余量为还原铁粉。
焊接时采用的焊接电流为220A，焊接电压为32V。焊接方法采用气保护焊。焊接保护气体为80％Ar+20％CO2气体，保护气体流量为25L/min。
对比例、焊材为采用实心焊丝ER630，直径为1.2mm。焊接电流为200A，焊接电压为30V。焊接保护气体为CO2气体，保护气体流量为15L/min。
焊后对焊接接头进行热处理，热处理工艺为：1030℃固溶处理，空冷；480℃时效处理4小时。熔敷金属化学成分按照GB/T17854-1999进行测试，焊接接头力学性能按照GB228-76进行测试。熔敷金属化学成分见表1。焊缝力学性能测试结果见表2。从上述试验结果可以看出，焊接接头的性能完全符合GB(中国国家标准)的有关规定，并焊接接头具有良好的抗裂性能。
表1熔敷金属的化学成份(wt％)
Figure BDA0002778501910000051
Figure BDA0002778501910000061
表2焊接接头力学性能
Figure BDA0002778501910000062

Claims (7)

1.一种15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，采用430不锈钢带作为包覆层，粉芯中各合金成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分含量为15.5－22％，金属镍粉的质量百分含量为15－20％，电解金属锰的质量百分含量为1－3％，Mo％＝60wt％的钼铁的质量百分比为0－2％，Nb％＝60wt％铌铁的质量百分含量为1－3％，纯铜粉的质量百分含量为8－13％，45wt％硅铁的质量百分含量为0－2％，碳酸钠的质量百分含量为1－3％，大理石的质量百分含量为1－2％，余量为还原铁粉。
2.按照权利要求1所述的一种15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，药芯焊丝的填充率为28－35％。
3.按照权利要求1所述的一种15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，焊丝的直径范围为1.2－3.2mm。
4.权利要求1所述的一种15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，焊丝使用焊接电流范围为50－300A，焊接电压范围为22－35V；采用氩弧焊时，保护气体为纯氩气体，保护气体流量为10－25L/min；采用气保护焊时，焊接保护气体为100％CO2气体或80％Ar+20％CO2气体，保护气体流量为10－25L/min。
5.按照权利要求1所述的一种15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，采用430不锈钢钢带制作15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，430钢带的宽度为10mm,厚度为0.3－0.4mm,其熔敷金属的化学成份范围包括如下(质量百分含量)：C：≤0.04％，Si：0.4-0.6％，Mn：0.50-1.50％，S≤0.030，P≤0.030，Cr：15.50-17.0％，Ni：3.50-5.50％，Cu:2.50-4.50％，Mo≤0.50，Nb:0.15-0.45％。
6.按照权利要求1所述的一种15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，其熔敷金属的铁素体含量为0％。
7.按照权利要求1所述的一种15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，用于15-5PH沉淀硬化不锈钢的焊接及耐蚀耐磨堆焊场合。
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