CN114555283A

CN114555283A - 焊条用线材和用于制造其的方法

Info

Publication number: CN114555283A
Application number: CN202080071743.1A
Authority: CN
Inventors: 李奉根; 郑圣勋
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2020-10-06
Publication date: 2022-05-27
Also published as: KR102321317B1; EP4046743A4; EP4046743A1; CA3152469A1; WO2021075777A1; KR20210045165A; JP7478821B2; US20220371131A1; JP2022552353A

Abstract

本发明的目的是提供焊条用线材及其制造方法，所述焊条用线材作为适合于用作焊接材料用物质特别是焊条用物质的线材并且具有在室温下高的抗拉强度和优异的拉拔特性。

Description

焊条用线材和用于制造其的方法

技术领域

本公开涉及适用于焊条用材料的线材，并且特别地，涉及具有在室温下优异的强度和优异的线材拉拔特性的焊条用线材和用于制造其的方法。

背景技术

通常，焊条主要使用线材作为其材料，并且线材通过热轧然后在室温下进行线材拉拔来制造。在此，将线材拉拔成特定的直径，并作为用于埋弧焊、焊条电弧焊、熔化极气体保护电弧焊、气体保护钨极电弧焊等的材料而生产并应用。

出于诸如结构的稳定性的原因，通过使用焊条用线材通过焊接方法对基础材料进行焊接而形成的焊接区需要具有高的冲击韧性、在室温下的强度等。

作为一个实例，用于低温(基础材料)用途的材料需要满足在室温下400MPa的强度和660MPa的抗拉强度，同时在焊接时满足焊接区在-196℃下的约27J的保证冲击韧性值。这些是目前广泛使用的材料的标准值，并且当满足标准值时，可以在更高温度例如-100℃或-80℃下应用材料。

作为用于焊接材料的常规材料，已应用包含50重量％或更多的镍(Ni)以及总计大于30重量％的铬(Cr)和钼(Mo)的线材以改善强度。作为代表性实例，提供了因科内尔合金(inconel)和哈斯特洛伊合金(hastelloy)材料。

这些材料目前广泛用于低温环境中，但由于因科内尔合金和哈斯特洛伊合金为昂贵的产品，其中大量应用了昂贵的合金元素例如Ni、Cr和Mo，因此可能导致工业领域中的建造成本增加。

因此，需要开发满足基础材料焊接区的物理特性值、具有在室温下优异的线材拉拔特性且在经济上有利的焊接材料用材料。

(专利文献1)韩国专利特许公开第10-2015-0039225号

(专利文献2)韩国专利特许公开第10-2013-0052523号

发明内容

技术问题

本公开的一个方面是提供焊接材料用材料，特别是适用于焊条用材料的线材，所述线材具有优异的线材拉拔特性、焊接之后的焊接区在室温下高的抗拉强度和优异的低温冲击韧性。

本公开的目的不限于以上描述。本公开的目的将从本说明书的全部内容中理解，并且本公开所属领域的技术人员将毫无困难地理解本公开的另外目的。

技术方案

根据本公开的一个方面，焊条用线材按重量计包含：0.05％至0.8％的碳(C)、18％至31％的锰(Mn)、0.05％至0.7％的硅(Si)、0.15％或更少的氮(N)、0.02％或更少的磷(P)、和0.01％或更少的硫(S)、以及余量中的Fe和不可避免的杂质，其中满足以下关系式1：

[关系式1]Mn+1.6Ni+15(C+N)≥24

其中各元素是指元素按重量计的含量。

根据本公开的另一个方面，用于制造焊条用线材的方法包括：准备满足上述合金组成和关系式1的钢工件或钢锭；在800℃至1250℃的温度范围对钢工件或钢锭进行热处理以制造坯料；以及使坯料在800℃至1250℃的温度范围经受线材轧制以制造线材。

有益效果

如上所述，根据本公开中的一个示例性实施方案，可以以低成本提供具有作为焊条用材料所需的物理特性的线材。

特别地，本公开可以提供这样的线材：具有焊接之后焊接区在室温下优异的强度和优异的低温冲击韧性，并且具有在室温下850MPa或更小的抗拉强度和30％或更大的延伸率的优异的线材拉拔特性，而主要用于制造常规的焊条用线材的昂贵元素的使用大大减少。因此，可以有利地应用本公开的线材作为焊条用线材。

附图说明

图1示出了舍弗勒图(Schaeffler diagram)(来源：于1948年出版(A.L.Schaeffler，Iron Age 162，72(1948))。

图2是根据本公开中的一个示例性实施方案的发明例和比较例的焊接区中的显微组织的照片。

图3以图示出了根据本公开中的一个示例性实施方案的[关系式1]与焊接区的低温冲击韧性之间的关系。

图4以图示出了根据本公开中的一个示例性实施方案的[关系式2]与焊接区在室温下的韧性之间的关系。

具体实施方式

本发明人确定了用作焊条的常规材料的局限性，并进行了深入研究，以开发允许以低成本确保焊接区所需的物理特性值且具有优异的线材拉拔特性的材料。

因此，确定了使用低成本元素代替已用于制造焊条用常规材料的高成本元素，从而在大大降低制造成本的同时提供可以形成与常规材料相比具有等同或更好的物理特性的焊接区的线材，并因此，完成了本公开。

特别地，由于焊条用线材通过将通过热轧获得的线材在室温下进行线材拉拔来制造，因此需要其在室温下具有优异的可加工性，并且出于这一点，本公开在通过适当地使用在室温下稳定的元素来优化组分体系方面具有技术意义。

具体地，确定了室温下的可加工性取决于合金元素的奥氏体稳定性和在线材拉拔时的加工类型，并且本公开的特征在于，将作为用于其的适当元素的碳(C)、镍(Ni)、锰(Mn)、氮(N)等控制为适当含量，同时建议了它们之间的含量关系。

在下文中，将详细地描述本公开。

根据本公开的一个方面的焊条用线材按重量计可以包含：0.05％至0.8％的碳(C)、18％至31％的锰(Mn)、0.05％至0.7％的硅(Si)、0.15％或更少的氮(N)、0.02％或更少的磷(P)、和0.01％或更少的硫(S)。

在下文中，将详细地描述本公开中提供的焊条用线材的合金组成如上所述受到限制的原因。

同时，除非在本公开中另有特别说明，否则各元素的含量按重量计，以及组织的比率按面积计。

碳(C)：0.05％至0.8％

碳(C)是奥氏体形成元素，并且有利于改善焊接区在低温环境下的冲击韧性和改善室温下的强度。

当C的含量小于0.05％时，难以确保室温下的目标强度，而当含量大于0.8％时，在焊接期间促进高温下的裂纹、焊接烟雾和飞溅的产生。

因此，C可以以0.05％至0.8％，并且更有利地以0.78％或更少包含在内。

锰(Mn)：18％至31％

锰(Mn)是形成奥氏体的元素，这与C类似，并且是有利于改善低温下的冲击韧性的元素。

当Mn的含量小于18％时，冲击韧性因低温下的应力有机转变而劣化，而当含量大于31％时，强度降低，并且产生大量的烟雾(fume)。

因此，Mn可以以18％至31％包含在内。

硅(Si)：0.05％至0.7％

硅(Si)是为了改善在焊接时焊接材料的流动性而添加的元素，并且有利于脱氧效果。为了充分获得上述效果，Si可以以0.05％或更多包含在内。然而，当含量大于0.7％时，共晶化合物过度析出，并且抗裂性劣化。

因此，Si可以以0.05％至0.7％包含在内。

氮(N)：0.15％或更少

氮(N)是与C类似的奥氏体形成元素，并且在改善焊接区在低温环境下的冲击韧性和改善室温下的强度方面是有效的。因此，在本公开中，可以进一步添加N以进一步促进因C而强度改善的效果。

当N的含量大于0.15％时，在焊接期间促进高温下的裂纹和孔的产生，并因此，考虑到这一事实，N可以以0.15％或更少包含在内。然而，0％可能是可以的。

磷(P)：0.02％或更少，以及硫(S)：0.01％或更少

磷(P)和硫(S)通过以少量添加而容易产生低熔点化合物以降低材料的熔点，从而增加高温下的开裂敏感性。因此，优选的是，尽可能大大地减少P和S的含量。

在制造过程期间可能不可避免地添加P和S，并且当各自含量为0.02％或更少和0.01％或更少时，不会影响线材的物理特性，并因此，各自含量可以这样进行限制。

除了上述合金组成之外，本公开的线材还可以包含有利于形成组织和确保物理特性的元素。

具体地，本公开的线材还可以包含如稍后描述的镍(Ni)、铬(Cr)、钼(Mo)和钒(V)中的一者或更多者。然而，即使在不包含这些元素的情况下，形成本公开中的组织和确保本公开中的物理特性也将不困难。

镍(Ni)：8％或更少

镍(Ni)是奥氏体形成元素，并且可以添加镍以将线材的组织完全形成为奥氏体组织，从而确保低温韧性。

当Ni的含量大于8％时，室温下的强度降低，因此其不是优选的。因此，Ni可以以8％或更少包含在内。

同时，在本公开中，在通过充分包含上述C、Mn、N等而使线材的组织完全形成为奥氏体的情况下，可以不包含Ni。

铬(Cr)：3.5％或更少

铬(Cr)是铁素体形成元素，并且促进铁素体的产生以用于扩大奥氏体区域(图1)。因此，较高含量的Cr有利于改善室温下的强度，而当添加大于特定含量的Cr时，Cr倾向于与C结合以产生碳化物，从而导致低温冲击韧性降低。

因此，当添加Cr时，可以包含最高至3.5％的Cr，以改善室温下的强度和奥氏体稳定性。

钼(Mo)：3.5％或更少

与Cr相比，钼(Mo)具有更好的改善室温下的强度的效果，并且具有比Cr更低的与C的结合强度，并因此，当添加时，低温冲击韧性比Cr降低得更少。然而，Mo是昂贵的元素，并且当以特定量或更多添加时，制造成本大大增加，并且可能导致低温冲击韧性的劣化。

因此，当添加Mo时，考虑到制造成本和强度改善，可以包含最高至3.5％的Mo。

钒(V)：0.3％或更少

与Cr和Mo相比，钒(V)具有更好的改善室温下的强度的效果。然而，由于V的价格为Cr的价格的10倍或更大，并且为Mo的价格的4倍或更大，并因此，V在获得低成本材料方面具有限制。

因此，当添加V时，考虑到制造成本，可以包含最高至0.3％的V。

本公开的剩余组分为铁(Fe)。然而，由于在常见的制造过程中，可能不可避免地并入来自原材料或周围环境的非预期的杂质，因此可能无法排除该组分。由于这些杂质对于常见制造过程中的技术人员是已知的，因此在本说明书中没有特别提及其全部内容。

优选的是，具有上述合金组成的本公开的线材在含量范围内满足以下组分关系。

首先，在本公开中，建议了有利于奥氏体形成的元素之间的关系如以下[关系式1]，并且优选24或更大的值。

其次，在本公开中，虽然举例说明了奥氏体组织，但是建议了强度可能处于或高于目标水平的元素之间的关系如以下[关系式2]，并且优选0或更大的值。

[关系式1]Mn+1.6Ni+15(C+N)≥24

[关系式2]10(C+N)+1.5Cr+2Mo+1.5V-0.1Mn-0.16Ni≥0

其中各元素是指元素按重量计的含量。

通常，钢的奥氏体稳定性通过舍弗勒图计算，作为Ni当量和Cr当量的值。Ni当量和Cr当量的方程式已知为[Ni+0.5Mn+30(C+N)]和[Cr+2.5Si+1.8Mo]。

然而，由于本公开的线材与包含大量的Ni、Cr等的常规材料完全不同，并且由新的组分组成形成，因此合金元素之间的关系旨在重新定义。

因此，本公开定义了上述[关系式1]和[关系式2]并提供满足其的线材，从而提供了这样的焊条用线材：所述焊条用线材在线材状态下具有在室温下稍微低的抗拉强度以具有优异的线材拉拔特性，具有在焊接之后在室温下目标水平或更大的抗拉强度，并且可以形成具有在低温环境下所需的物理特性的焊接区。

特别地，通过满足本公开中建议的合金组分体系中的[关系式1]的值而制造的线材的组织可以形成为稳定的奥氏体，由此举例说明了850Mpa或更小的强度和30％或更大的延伸率，并因此，线材拉拔特性优异，并且即使在焊接之后的焊接区也可以稳定地确保奥氏体。即，在本公开中，可以提供其中线材的组织和在使用线材焊接之后焊接接头的组织二者均具有奥氏体组织的线材。

本公开可以由此获得确保在焊接时形成的焊接区的低温(-197℃)冲击韧性为27J或更大的效果。

此外，本公开在使用Ni、Cr、Mo和V时在有限含量内满足[关系式2]，以充分改善线材在室温下的强度，从而在焊接之后在组织上保持奥氏体相的同时确保室温下的强度。

也就是说，本公开满足如所建议的合金组分体系以及关系式1和2，由此在焊接之后焊接区的显微组织由奥氏体单相组织形成以具有优异的低温韧性，并提供了具有优异的室温强度特性的线材。

此外，本公开的线材在室温下具有奥氏体组织以显示出850MPa或更小的抗拉强度和30％或更大的延伸率，其对应于允许线材拉拔加工以被制造成焊条的机械特性，并因此，所述线材有利于在室温下加工。

在下文中，将详细地描述根据本公开的另一个方面的用于制造焊条用线材的方法。

首先，准备满足上述合金组成和组分关系(关系式1和2)的钢工件或钢锭，然后在800℃至1250℃的温度范围进行热处理，从而制造坯料。

当热处理中的温度低于800℃时，热变形抗性增加，从而导致生产率的降低，而当温度高于1250℃时，晶粒可能变粗，从而使韧性降低。

可以使经热处理的坯料经受线材轧制以获得线材。

在此，线材轧制作为热轧而进行并且可以在800℃至1250℃的温度范围进行。当热轧中的温度低于800℃时，轧制期间的负荷增加，并且变形抗性可能增加，而当温度高于1250℃时，晶粒可能过度粗化，从而使韧性降低。

如上所述，进行热轧，然后冷却至室温，从而获得具有目标显微组织和机械特性的线材。

在此，由于冷却可能取决于常见线材的制造过程中所应用的条件，因此在本公开中没有特别限制，并且本领域技术人员可以容易地实施冷却。然而，作为一个实例，冷却可以作为水冷却以5℃/秒或更大的冷却速率进行。

通过本公开中建议的合金组成和制造条件制造的最终线材具有具有高稳定性的奥氏体相作为显微组织，从而具有允许线材拉拔的室温下的强度和延伸率，并因此有利于线材拉拔加工。此外，线材可以具有在焊接时形成具有优异的低温冲击韧性和室温下的抗拉特性的焊接区的特性。

在此，焊接没有具体限制，但可以为埋弧焊(submerged arc welding，SAW)、焊条电弧焊(shielded metal arc welding，SMAW)、气体保护钨极电弧焊(gas tungsten arcwelding，GTAW)和熔化极气体保护电弧焊(gas metal arc welding，GMAW)中的任一者。

在下文中，将通过以下实施例具体地描述本公开。然而，应注意，以下实施例仅用于通过举例说明详细地描述本公开，并不旨在限制本公开的权利范围。原因是本公开的权利范围由权利要求中描述的事项和从其中合理推断的事项确定。

发明实施方式

(实施例)

制备具有下表1中所示的合金组成的钢锭，然后在1250℃下加热以制造坯料。在加热之后立即在800℃至1250℃下将坯料热轧成5.5mm的直径，然后以5℃/秒或更大的冷却速率进行水冷却以制造直径为5.5mm的线材。

为了确定如上所述制造的线材的抗拉特性，根据JIS No.5标准制造拉伸试样，使用拉伸试验机(Zwick/Roell)在室温(约25℃至30℃)下以40mm/分钟的速率测量屈服强度(YS)和抗拉强度(TS)，并且结果示于表2中。

此外，测量与拉伸试样相同的试样的显微组织，并通过用图像分析仪(Olympus)测量来确定相的类型。

此后，使各线材经受线材拉拔至4mm的直径。此时，在800℃至1250℃下进行热处理的过程，并且如有必要，在包含氢的还原气氛环境下进行线材拉拔。

当使用已经受线材拉拔的线材作为焊条时，使高锰钢(待被焊接的材料，以重量％计0.4％的C-24％的Mn-0.3％的Si-余量中的Fe和不可避免的杂质)经受以3.0kJ/mm的热输入的埋弧焊，并评估熔敷金属(焊接金属)的物理特性。

作为熔敷金属的强度特性，在焊接线方向上沿中心以棒形状收集拉伸试样，然后使用拉伸试验机(Zwick/Roell)在室温(约25℃至30℃)下以40mm/分钟的速率测量屈服强度(YS)和抗拉强度(TS)。

然后，通过在垂直于焊接线的熔敷金属的中心收集标准试样(KS B0809V缺口试样)，然后使用夏比冲击试验机在-196℃下测量熔敷金属的冲击特性。

各测量结果示于下表2中。

[表1]

[表2]

(在表2中，α′是指α′相马氏体(alpha prime martensite)，以及γ是指奥氏体相。)

如表1和表2中所示，在满足本公开建议的合金组分体系中的[关系式1]和[关系式2]的发明例1至14中，确定不仅线材而且焊接之后的焊接区组织全部形成为奥氏体单相组织，并且举例说明了有利于线材拉拔的强度(850MPa或更小的抗拉强度)。此外，虽然未描述，但是本公开的线材(发明例1至14)全部具有30％或更大的延伸率。

此外，当将线材拉拔，然后用作焊条以进行焊接时，确定可以获得具有优异的低温冲击韧性和在室温下优异的强度的焊接区。

然而，与其他发明例相比，具有相对低的Mn含量但高的C含量的发明例4表现出焊接区的30J的稍微低的冲击韧性，但确定超过所需的物理特性。预测这是因为以下事实：当线材中锰(Mn)的含量低时，由于碳(C)在锰(Mn)中固溶的特性，碳未完全固溶，并且部分以碳化物存在。

然而，在其中锰(Mn)的含量小于18％且[关系式1]的值小于24的比较例1至8中，确定在组织上部分地形成马氏体相，尽管[关系式2]的值为0或更大。因此，形成具有在焊接时小于27J的低温冲击韧性和不满足目标的室温下的强度的焊接区。其表现出其中在室温下的拉伸试验中马氏体组织首先被破坏从而使强度劣化的结果。

同时，在包含18％或更多的锰(Mn)的比较例9至12中，在组织上形成奥氏体单相组织，从而获得低温冲击韧性为27J或更大的焊接区。然而，这些全部表现出小于0的本公开中建议的[关系式2]的值，这意味着焊接区中的室温下的强度较差。

图2是在使用对应于发明例7和比较例1的线材进行焊接之后形成的焊接区的显微组织的照片，并且确定在比较例1(底部)中，以混合状态形成奥氏体相和马氏体相，而在发明例7(顶部)中，形成奥氏体单相组织。图2中所示的黑点形状为在焊接期间产生的氧化物。

图3是示出本公开中建议的[关系式1]与焊接区的低温冲击韧性之间的关系的图。

如图3中所示，发现在本公开中限制的合金组分体系中，仅当[关系式1]的值为25或更大时，可以获得具有在-196℃下27J或更大的低温冲击韧性的焊接区。

图4是本公开中建议的[关系式2]与焊接区在室温下的强度之间的关系的图。

如图4中所示，发现在本公开中限制的合金组分体系中，仅当[关系式2]的值为0或更大时，可以获得屈服强度为400MPa或更大且抗拉强度为660MPa或更大的焊接区。

这表明，为了适当地应用本公开中限制的合金组分体系，即，将包含特定量的碳、锰等的线材作为焊条，应满足根据本公开的[关系式1]以及[关系式2]。

此外，大大减少了主要用于制造常规的焊条用线材的高价元素，从而以低成本提供具有作为焊条用材料所需的物理特性的线材。

Claims

1.一种焊条用线材，按重量计包含：0.05％至0.8％的碳(C)、18％至31％的锰(Mn)、0.05％至0.7％的硅(Si)、0.15％或更少的氮(N)、0.02％或更少的磷(P)、和0.01％或更少的硫(S)、以及余量中的Fe和不可避免的杂质，

其中满足以下关系式1：

[关系式1]^{Mn+1.6Ni+15(C+N)≥24}

其中各元素是指所述元素按重量计的含量。

2.根据权利要求1所述的焊条用线材，还包含选自以下的一者或更多者：8％或更少的镍(Ni)、3.5％或更少的铬(Cr)、3.5％或更少的钼(Mo)、和0.3％或更少的钒(V)，其中满足以下关系式2：

[关系式2]^{10(C+N)+1.5Cr+2Mo+1.5V-0.1Mn-0.16Ni≥0}

其中各元素是指所述元素按重量计的含量。

3.根据权利要求1所述的焊条用线材，其中所述线材包含奥氏体单相组织作为显微组织。

4.根据权利要求1所述的焊条用线材，其中所述线材在室温下的抗拉强度为850MPa或更小。

5.根据权利要求1所述的焊条用线材，其中当使用所述线材进行焊接时，形成具有在室温下400MPa或更大的屈服强度和在室温下660MPa或更大的抗拉强度的焊接区。

6.根据权利要求1所述的焊条用线材，其中当使用所述线材进行焊接时，形成在-196℃下的夏比冲击韧性为27J或更大的焊接区。

7.根据权利要求5或6所述的焊条用线材，其中所述焊接为埋弧焊(SAW)、焊条电弧焊(SMAW)、气体保护钨极电弧焊(GTAW)和熔化极气体保护电弧焊(GMAW)中的任一者。

8.一种用于制造焊条用线材的方法，所述方法包括：

准备钢工件或钢锭，所述钢工件或所述钢锭按重量计包含：0.05％至0.8％的碳(C)、18％至31％的锰(Mn)、0.05％至0.7％的硅(Si)、0.15％或更少的氮(N)、0.02％或更少的磷(P)、和0.01％或更少的硫(S)、以及余量中的Fe和不可避免的杂质，并且满足以下关系式1：

在800℃至1250℃的温度范围对所述钢工件或所述钢锭进行热处理以制造坯料，以及

使所述坯料在800℃至1250℃的温度范围经受线材轧制以制造线材：

[关系式1]^{Mn+1.6Ni+15(C+N)≥24}

其中各元素是指所述元素按重量计的含量。

9.根据权利要求8所述的用于制造焊条用线材的方法，其中所述钢工件或所述钢锭还包含选自以下的一者或更多者：8％或更少的镍(Ni)、3.5％或更少的铬(Cr)、3.5％或更少的钼(Mo)、和0.3％或更少的钒(V)，并且满足以下关系式2：

[关系式2]^{10(C+N)+1.5Cr+2Mo+1.5V-0.1Mn-0.16Ni≥0}

其中各元素是指所述元素按重量计的含量。