CN112589317B - 一种长期高温服役后具有耐晶间腐蚀性能的奥氏体不锈钢焊丝 - Google Patents
一种长期高温服役后具有耐晶间腐蚀性能的奥氏体不锈钢焊丝 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种长期高温服役后具有耐晶间腐蚀性能的奥氏体不锈钢焊丝，属于焊接材料技术领域。该焊丝化学成分为(wt.％)：C：0.02‑0.12％、Cr：16.0‑20.0％、Ni：10.0‑14.0％、Mo：1.50‑2.70％、N≤0.15％、Mn：1.00‑2.50％、Si：0.10‑1.00％、Nb：0.20‑1.00％余量为铁及不可避免的杂质。本发明焊丝焊接时，飞溅小，过程稳定，工艺性能好，且焊缝金属经长期高温服役后仍具有优秀的耐晶间腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域，具体涉及一种长期高温服役后具有耐晶间腐蚀性能的奥氏体不锈钢焊丝。
背景技术
晶间腐蚀是一种常见的局部腐蚀，遭受这种腐蚀的不锈钢，表面看来还很光亮，但其韧塑性已显著降低，由于晶间腐蚀不易检查，会造成材料的突然破坏，所以危害性极大，奥氏体不锈钢在约427-816℃的敏化温度范围内，在特定的腐蚀环境中易发生晶间腐蚀，晶间腐蚀还会加快材料整体腐蚀，因此，奥氏体不锈钢晶间腐蚀性是其重要的性能指标。
从国内能源领域大型焊接结构服役过程来看，很多焊接结构材料长期处于高温、高腐蚀环境下，且这些部件在服役期内均不可更换。基于上述因素的考虑，工程设计对相应焊接材料的性能提出了较高的要求，以保证部件的安全可靠性。目前我国焊材体系不全，特别是高端焊材大部分依赖进口，不仅价格昂贵，而且严重受制于人，不利于保证生产制造的顺利进行。焊接接头是易产生问题的薄弱环节，应重点关注高温服役后具有耐晶间腐蚀性能焊接材料的研制。
发明内容
为解决国内现有的不锈钢焊丝中还未有长期高温服役后焊缝金属仍具有耐晶间腐蚀性能的奥氏体不锈钢的问题，本发明的目的在于提供一种长期高温服役后具有耐晶间腐蚀性能的奥氏体不锈钢焊丝。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种长期高温服役后具有耐晶间腐蚀性能的奥氏体不锈钢焊丝，按重量百分比计，该焊丝的化学成分如下：
C：0.02-0.12％、Cr：16.0-20.0％、Ni：10.0-14.0％、Mo：1.50-2.70％、N≤0.15％、Mn：1.00-2.50％、Si：0.10-1.00％、Nb：0.20-1.00％，余量为铁及不可避免的杂质。
该焊丝化学成分中：N＞0.02wt.％。
该焊丝化学成分中：P≤0.02wt.％；S≤0.02wt.％。
该不锈钢焊丝可采用真空感应炉冶炼生产，亦可采用电炉加炉外精炼方法冶炼生产，只要焊丝最终的化学成分能满足以上化学成分范围的要求即可。
该焊丝焊接过程为：取规格为Φ1.2mm焊丝，采用TIG焊，接头形式为对接，母材为奥氏体不锈钢，焊接参数为：焊接电流180A，电弧电压12V，电流种类/极性DCEN，焊接速度0.1m/min，电弧保护采用99.99％高纯度氩气，氩气流量15L/min；焊接后获得焊缝金属，之后对焊缝金属进行550℃保温3000h的时效处理。
本发明设计机理如下：
对于晶间腐蚀的机理主要是“贫Cr理论”。C在奥氏体中的饱和溶解度小于0.02％，一般不锈钢的含C量都高于这个数值，当不锈钢从高温冷却下来时，其中C过饱和，而呈不稳定状态，若经再次加热(在450～850℃之间)，则过饱和的C将向晶界扩散，与Cr结合而形成Cr23C6或(Cr、Fe)23C6沉淀于晶界，这时，由于Cr的原子半径较大，在晶粒内部的扩散速度较慢，来不及向晶间扩散，故在形成Cr的碳化物时，晶界处可能发生Cr的“供不应求”现象，致使靠近晶界的晶粒表面一个薄层严重贫Cr(铬的有效含量低于12％)。当有腐蚀介质作用时，这一贫铬区域将产生明显腐蚀，即晶间腐蚀。C含量增加能显著增大晶间腐蚀敏感性，若钢中同时含有强碳化物形成元素Nb时，则C的有害作用将降低。Nb的有利作用在于，可优先与C结合形NbC，消耗晶间过饱和的C，从而抑制C与Cr结合，避免贫Cr现象发生，所以，含有一定量Nb可提高钢抗晶间腐蚀的能力。
本发明具有以下优点：
1、经实验验证，本发明不锈钢焊丝焊缝金属经长期高温服役后具有良好的耐晶间腐蚀性能。
2、利用本发明不锈钢焊丝焊接时，飞溅小，过程稳定，工艺性能好。
3、本发明不锈钢焊丝能够得到符合要求性能的焊缝，可以替代进口焊丝。
4、本发明不锈钢焊丝的焊缝金属焊态及长期高温时效态符合如下性能要求：室温性能要求：屈服强度Rp0.2≥210MPa、抗拉强度Rm≥520MPa、冲击功Akv≥25J；焊缝金属(高温拉伸性能要求)：450℃：Rp0.2≥121MPa，Rm≥434MPa；550℃：Rp0.2≥116MPa，Rm≥392MPa；650℃：Rp0.2≥110MPa，Rm≥312MPa。焊缝金属经晶间腐蚀处理后弯曲未开裂。
附图说明
图1为本发明焊接接头形式。
具体实施方式
本发明中不锈钢焊丝可采用真空感应炉冶炼生产，亦可采用电炉加炉外精炼方法冶炼生产，只要焊丝最终的化学成分能满足所限定的焊丝成分即可；此外，焊丝的整个冶炼生产过程及加工过程与普通的不锈钢焊丝没有差异。
实施例1：
本实施例不锈钢焊丝的基本化学成分为(重量比)：
C：0.066％、Cr：18.80％、Ni：12.4％、Mo：2.59％、N：0.064％、Mn：1.64％、Si：0.45％、Nb：0.30％、P：0.004％、S：0.0007％，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例2：
本实施例不锈钢焊丝的基本化学成分为(重量比)：
C：0.058％、Cr：18.79％、Ni：12.9％、Mo：2.35％、N：0.070％、Mn：1.58％、Si：0.49％、Nb：0.60％、P：0.004％、S：0.0008％，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例3：
本实施例不锈钢焊丝的基本化学成分为(重量比)：
C：0.049％、Cr：18.57％、Ni：12.8％、Mo：2.45％、N：0.052％、Mn：1.59％、Si：0.43％、Nb：0.90％、P：0.004％、S：0.0016％，其余成分为铁及不可避免的杂质。
比较例1：
本例不锈钢焊丝的基本化学成分为(重量比)：
C：0.045％、Cr：18.94％、Ni：12.9％、Mo：2.59％、N：0.065％、Mn：1.54％、Si：0.45％、Nb≤0.005％、P：0.004％、S：0.0008％，其余成分为铁及不可避免的杂质。
比较例2：
本例不锈钢焊丝的基本化学成分为(重量比)：
C：0.048％、Cr：18.94％、Ni：12.7％、Mo：2.51％、N：0.040％、Mn：1.62％、Si：0.42％、Nb：0.15％、P：0.005％、S：0.0018％，其余成分为铁及不可避免的杂质。
比较例3：
本例不锈钢焊丝的基本化学成分为(重量比)：
C：0.079％、Cr：18.89％、Ni：12.8％、Mo：2.77％、N：0.071％、Mn：1.68％、Si：0.42％、Nb：1.25％、P：0.003％、S：0.0014％，其余成分为铁及不可避免的杂质。
表1焊态下实施例和比较例的室温拉伸性能测试结果
表2长期时效态下实施例和比较例的室温拉伸性能测试结果
表3焊态实施例和比较例的450℃拉伸性能测试结果
表4长期时效态实施例和比较例的450℃拉伸性能测试结果
表5焊态实施例和比较例的550℃拉伸性能测试结果
表6长期时效态实施例和比较例的550℃拉伸性能测试结果
表7焊态实施例和比较例的650℃拉伸性能测试结果
表8长期时效态实施例和比较例的650℃拉伸性能测试结果
表9焊态实施例和比较例的室温冲击性能测试结果
| 实施例及比较例 | 焊缝金属的室温冲击功A<sub>kv</sub>，J |
| 实施例1 | 272 |
| 实施例2 | 174 |
| 实施例3 | 127 |
| 比较例1 | 304 |
| 比较例2 | 282 |
| 比较例3 | 107 |
表10长期时效态实施例和比较例的室温冲击性能测试结果
| 实施例及比较例 | 焊缝金属的室温冲击功A<sub>kv</sub>，J |
| 实施例1 | 98 |
| 实施例2 | 53 |
| 实施例3 | 39 |
| 比较例1 | 131 |
| 比较例2 | 107 |
| 比较例3 | 21 |
表11焊态实施例和比较例的晶间腐蚀性能
| 实施例及比较例 | 晶间腐蚀后弯曲 |
| 实施例1 | 完好 |
| 实施例2 | 完好 |
| 实施例3 | 完好 |
| 比较例1 | 完好 |
| 比较例2 | 完好 |
| 比较例3 | 完好 |
表12长期时效态实施例和比较例的晶间腐蚀性能
| 实施例及比较例 | 晶间腐蚀后弯曲 |
| 实施例1 | 完好 |
| 实施例2 | 完好 |
| 实施例3 | 完好 |
| 比较例1 | 开裂 |
| 比较例2 | 开裂 |
| 比较例3 | 开裂 |
以上实施例和比较例测试结果的焊接试验条件如表13所示，所用焊接接头形式如图1所示。
表13焊接试验条件
本发明对一种长期高温服役后具有耐晶间腐蚀性能的奥氏体不锈钢焊丝的焊缝金属的性能设计要求是：
焊态及长期高温时效态条件下，室温性能要求：屈服强度Rp0.2≥210MPa、抗拉强度Rm≥520MPa、冲击功Akv≥25J。高温拉伸性能要求：450℃：Rp0.2≥121MPa，Rm≥434MPa；550℃：Rp0.2≥116MPa，Rm≥392MPa；650℃：Rp0.2≥110MPa，Rm≥312MPa。焊缝金属经晶间腐蚀处理后弯曲未开裂。
从实施例1-3、比较例1-3、表1-12可以看出：
采用本发明设计的焊丝化学成分，实施例1-3满足本发明的性能设计要求。比较例1中，焊丝的Nb含量未在本发明技术方案的范围内，其焊缝金属长期时效态450℃及550℃抗拉强度和晶间腐蚀性能未满足本发明的设计要求；比较例2中，焊丝的Nb含量低于本发明技术方案的范围，其长期时效态晶间腐蚀性能未满足本发明的设计要求；比较例3中，焊丝的Nb含量高于本发明技术方案的范围，其长期时效态晶间腐蚀性能未满足本发明的设计要求。
Claims (4)
1.一种长期高温服役后具有耐晶间腐蚀性能的奥氏体不锈钢焊丝的应用，其特征在于：该焊丝的焊接母材为奥氏体不锈钢，按重量百分比计，该焊丝的化学成分如下：
C：0.049-0.12％、Cr：16.0-20.0％、Ni：10.0-14.0％、Mo：1.50-2.70％、N≤0.15％、Mn：1.00-2.50％、Si：0.10-1.00％、Nb：0.20-1.00％，余量为铁及不可避免的杂质；
该焊丝焊接过程为：取规格为Φ1.2mm焊丝，采用TIG焊，接头形式为对接，焊接参数为：焊接电流180A，电弧电压12V，电流种类/极性DCEN，焊接速度0.1m/min，电弧保护采用99.99％高纯度氩气，氩气流量15L/min；焊接后获得焊缝金属，之后对焊缝金属进行550℃保温3000h的时效处理；
该焊丝焊缝金属经长期高温服役后仍具有优秀的耐晶间腐蚀性能。
2.根据权利要求1所述的长期高温服役后具有耐晶间腐蚀性能的奥氏体不锈钢焊丝的应用，其特征在于：该焊丝化学成分中：N＞0.02wt.％。
3.根据权利要求1或2所述的长期高温服役后具有耐晶间腐蚀性能的奥氏体不锈钢焊丝的应用，其特征在于：该焊丝化学成分中：P≤0.02wt.％；S≤0.02wt.％。
4.根据权利要求1所述的长期高温服役后具有耐晶间腐蚀性能的奥氏体不锈钢焊丝的应用，其特征在于：焊接后获得的焊缝金属焊态及长期高温时效态的性能如下：
焊缝金属室温条件下性能为：屈服强度Rp0.2≥210MPa，抗拉强度Rm≥520MPa，冲击功Akv≥25J；
焊缝金属高温拉伸性能为：450℃：Rp0.2≥121MPa，Rm≥434MPa；550℃：Rp0.2≥116MPa，Rm≥392MPa；650℃：Rp0.2≥110MPa，Rm≥312MPa；
焊缝金属经晶间腐蚀处理后弯曲未开裂。
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