CN114346512A

CN114346512A - 合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝及其制备方法

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Publication number: CN114346512A
Application number: CN202111645629.8A
Authority: CN
Inventors: 张敏; 刘智博; 郜雅彦; 曹齐鲁; 张志强; 李毅
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2021-12-29
Filing date: 2021-12-29
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2041-12-29
Also published as: CN114346512B

Abstract

本发明公开了合金钢‑不锈钢复合材料过渡层用焊丝及其制备方法，其药芯按质量百分比包括以下组份：镍粉24‑26％、锰粉4.5‑5.4％、硅粉3‑3.6％、铌粉0.05‑0.08％、钼粉0.08‑0.10％、铬粉50‑52％、钛粉1‑2％、氧化镧0.03‑0.04％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。过渡层Ni、Cr等合金元素的含量较高，可以有效的减少增材过程中出现的碳迁移现象，没有明显的增碳层和脱碳层，力学性能优良；同时由于过渡层用药芯焊丝中Ni、Cr的含量较高，有效减少出现马氏体层；降低了低合金钢和马氏体不锈钢界面残余应力，保证界面强度。

Description

合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，涉及合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝，还涉及上述焊丝的制备方法。

背景技术

随着经济的飞速发展，对材料性能的使用要求日益增高，单一材料由于受到某些工况的限制已经很难满足实际生产需求，亟需研发集各材料优良性能为一体的复合材料。合金钢-不锈钢复合材料结合了不锈钢优良的耐腐蚀性能和合金钢较好的力学性能，广泛应用于海洋工程、石油化工、核电等领域。

丝材-电弧增材制造(WAAM)采用熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊或等离子焊为热源，在预先规划的路径上熔化金属丝材，逐层堆积形成金属结构件，然后再通过少量机械加工或不需要后续加工即可满足使用要求，且生产周期短、成本低、材料的利用率高、自动化程度高。

马氏体不锈钢以其高的强度、韧性和良好的综合性能而被广泛应用于航空航天、石油化工等领域。而制作马氏体钢和低合金钢复合板既保留了马氏体钢的良好性能，也可以大大压缩成本。但在复合材料增材过程中，由于焊缝与母材化学成分中强碳化物形成元素(Ni、Cr、Mo，主要是Cr)存在明显的差异，即对碳的亲和力不同，从而导致熔合线两侧碳元素的化学势产生差异，形成化学势梯度。从而导致高温下低合金钢侧固溶的碳穿过熔合区向焊缝区进行迁移形成上坡扩散，在焊缝一侧形成增碳层，低合金一侧形成脱碳层。而且增碳层作为硬化层能够提高所在区域的强硬度，降低塑韧性，影响复合材料界面腐蚀性能和界面结合强度，容易出现晶间腐蚀裂纹和脱层断裂等现象。且由于低合金钢沉积金属与马氏体不锈钢沉积金属热物性能存在差异，导致在电弧增材制造过程中，双金属界面附近存在较大的残余应力。残余应力的存在会恶化构件强度，降低使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝，解决了现有技术中存在的双金属界面附近存在较大的残余应力问题。

本发明所采用的技术方案是，合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝，合金钢-不锈钢复合材料包括基板，基板上依次设置有合金钢层、过渡层、不锈钢层，过渡层的焊丝药芯按质量百分比包括以下组份：镍粉24-26％、锰粉4.5-5.4％、硅粉3-3.6％、铌粉0.05-0.08％、钼粉0.08-0.10％、铬粉50-52％、钛粉1-2％、氧化镧0.03-0.04％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。

本发明的特点还在于：

合金钢层采用ER50-6焊丝，不锈钢层采用2Cr13焊丝。

本发明的另一目的是提供一种合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝的制备方法。

本发明所采用的另一技术方案是，合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按照质量百分比称取药芯原料：镍粉24-26％、锰粉4.5-5.4％、硅粉3-3.6％、铌粉0.05-0.08％、钼粉0.08-0.10％、铬粉50-52％、钛粉1-2％、氧化镧0.03-0.04％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；

步骤2、将药芯原料混匀后置于炉中加热保温，得到药芯粉末；

步骤3、将药芯粉末填入不锈钢带U型槽内，经过闭合成型轧辊、减径后制成焊丝。

步骤2具体过程为：将药芯原料混匀后置于材料式炉中，持续通入氩气，并在150℃～200℃下保温1h～2h，得到药芯粉末；

药芯粉末的填充率为20-25wt％。

本发明的有益效果是：本发明合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝，过渡层Ni、Cr等合金元素的含量较高，可以有效的减少增材过程中出现的碳迁移现象，没有明显的增碳层和脱碳层，力学性能优良；同时由于过渡层用药芯焊丝中Ni、Cr的含量较高，有效减少出现马氏体层；过渡层的加入降低了低合金钢和马氏体不锈钢界面残余应力，保证界面强度；可以用于不锈钢复合材料的增材制造。本发明合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝的制备方法，制备周期短，生产效率高，可以实现连续生产。

附图说明

图1是合金钢-不锈钢复合材料的结构示意图。

图中，1.基板，2.合金钢层，3.过渡层，4.不锈钢层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝，合金钢-不锈钢复合材料如图1所示，包括基板1，基板1上依次设置有合金钢层2、过渡层3、不锈钢层4，合金钢层2采用ER50-6焊丝，不锈钢层4采用2Cr13焊丝，过渡层3的焊丝药芯按质量百分比包括以下组份：镍粉24-26％、锰粉4.5-5.4％、硅粉3-3.6％、铌粉0.05-0.08％、钼粉0.08-0.10％、铬粉50-52％、钛粉1-2％、氧化镧0.03-0.04％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。

本发明焊丝药芯组份的作用机理如下：

降低焊丝中C元素的含量，在低碳的基础上添加Cr、Ni、Mo、Mn、Ti、Nb等合金元素来降低裂纹敏感指数、保证强度、提高低温韧性以及耐腐蚀性能。

Ni是奥氏体不锈钢主要的元素，其主要作用是形成并稳定奥氏体，从而使钢具有良好的强度及塑韧性，并具有优良的冷、热加工性、冷成形性等性能。

Cr是奥氏体不锈钢中主要的合金元素，在奥氏体不锈钢中Cr能增大碳的溶解度，增强奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀能力，当钢种同时有Mo存在时，Cr的这种有效性将大大增强；Mo作为奥氏体不锈钢中的重要合金元素，主要作用是提高钢在还原性介质的耐蚀性，并提高钢的耐点腐蚀及缝隙腐蚀等性能。

Si、Mn在铁素体和奥氏体中有较好的固溶强化作用，其次，Si-Mn一般用于联合脱氧，减少因堆焊层增氧引起的堆焊层金属脆化。Mn作为奥氏体稳定化元体素，具有稳定奥氏组织作用，并且Mn能改善奥氏体不锈钢结构件的热塑性。

Nb元素可以形成NbC，防止形成Cr₂₃C₆，从而防止晶间腐烛，达到强化效果。

Ti在奥氏体不锈钢中，由于其与碳亲和力远大于Cr，常作为稳定化元素，优先于碳结合形成TiC，从而提高奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀的能力。

La₂O₃作为髙熔点化合物在熔池中可以作为非均匀形核的质点，增加了外来的形核源，或在晶界处偏聚，阻碍了晶粒的长大，提高了奥氏体不锈钢薄壁结构件的强度。并且La元素可以与钢液中的氧化物和硫化物夹杂作用，使其变成接近球形，提高了不锈钢薄壁结构件的强度。

合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝的制备方法，包括以下步骤：

步骤2、将药芯原料混匀后置于材料式炉中，持续通入氩气，并在150℃～200℃下保温1h～2h，得到药芯粉末；

步骤3、将宽度为7mm、厚度0.3mm的不锈钢带(成分如表1中所示)放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将不锈钢钢带轧制成U型槽，将药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在20-25wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合制成2.50mm的药芯焊丝，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，得到直径为1.2mm焊丝。之后用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到成品焊丝。

通过以上方式，本发明合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝，过渡层Ni、Cr等合金元素的含量较高，可以有效的减少增材过程中出现的碳迁移现象，没有明显的增碳层和脱碳层，力学性能优良；同时由于过渡层用药芯焊丝中Ni、Cr的含量较高，有效减少出现马氏体层；过渡层的加入降低了低合金钢和马氏体不锈钢界面残余应力，保证界面强度；可以用于不锈钢复合材料的增材制造。本发明合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝的制备方法，制备周期短，生产效率高，可以实现连续生产。

实施例1

步骤1、按照质量百分比称取药芯原料：镍粉24％、锰粉4.5％、硅粉3％、铌粉0.056％、钼粉0.08％、铬粉50.5％、钛粉1％、氧化镧0.032％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；

步骤2、将药芯原料混匀后置于材料式炉中，持续通入氩气，并在150℃下保温1h，得到药芯粉末；

步骤3、将宽度为7mm、厚度0.3mm的不锈钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将不锈钢钢带轧制成U型槽，将药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在24.6wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合制成2.50mm的药芯焊丝，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，得到直径为1.2mm焊丝。

使用本实施例制备得到的焊丝进行堆焊，经检测加过渡层后低合金钢与马氏体不锈钢堆焊界面处残余应力为30.7MPa，较未加过渡层时低合金钢与马氏体不锈钢堆焊界面处残余应力75MPa降低了59％。

实施例2

步骤1、按照质量百分比称取药芯原料：镍粉25％、锰粉5％、硅粉3.2％、铌粉0.07％、钼粉0.089％、铬粉51.3％、钛粉1.5％、氧化镧0.036％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；

步骤2、将药芯原料混匀后置于材料式炉中，持续通入氩气，并在180℃下保温1.5h，得到药芯粉末；

步骤3、将宽度为7mm、厚度0.3mm的不锈钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将不锈钢钢带轧制成U型槽，将药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在25wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合制成2.50mm的药芯焊丝，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，得到直径为1.2mm焊丝。

使用本实施例制备得到的焊丝进行堆焊，经检测加过渡层后堆焊界面处残余应力为32.1MPa，较未加过渡层时低合金钢与马氏体不锈钢堆焊界面处残余应力76.2MPa降低了57.8％。

实施例3

步骤1、按照质量百分比称取药芯原料：镍粉26％、锰粉5.4％、硅粉3.6％、铌粉0.08％、钼粉0.1％、铬粉52％、钛粉2％、氧化镧0.04％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；

步骤2、将药芯原料混匀后置于材料式炉中，持续通入氩气，并在200℃下保温2h，得到药芯粉末；

使用本实施例制备得到的焊丝进行堆焊，经检测加过渡层后堆焊界面处残余应力为31.7MPa，较未加过渡层时低合金钢与马氏体不锈钢堆焊界面处残余应力78.6MPa降低了59.7％。

表1实施例中1-3所使用的不锈钢钢带化学成分(质量分数％)

C	Cr	Ni	Mn	Si	S	P	Fe
								0.06	18.67	8.53	1.51	0.42	0.014	0.032	余量

Claims

1.合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝，所述合金钢-不锈钢复合材料包括基板，基板上依次设置有合金钢层、过渡层、不锈钢层，其特征在于，所述过渡层的焊丝药芯按质量百分比包括以下组份：镍粉24-26％、锰粉4.5-5.4％、硅粉3-3.6％、铌粉0.05-0.08％、钼粉0.08-0.10％、铬粉50-52％、钛粉1-2％、氧化镧0.03-0.04％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。

2.根据权利要求1所述的合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝，其特征在于，所述合金钢层采用ER50-6焊丝，不锈钢层采用2Cr13焊丝。

3.合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2、将所述药芯原料混匀后置于炉中加热保温，得到药芯粉末；

4.根据权利要求3所述的合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝的制备方法，其特征在于，步骤2具体过程为：将所述药芯原料混匀后置于材料式炉中，持续通入氩气，并在150℃～200℃下保温1h～2h，得到药芯粉末。

5.根据权利要求3所述的合金钢-不锈钢复合材料过渡层用焊丝的制备方法，其特征在于：所述药芯粉末的填充率为20-25wt％。