CN116197571B - 一种配套使用的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带和焊剂及其制备和应用 - Google Patents

一种配套使用的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带和焊剂及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

一种配套使用的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带和焊剂及其制备和应用。本发明属于焊接材料制备技术领域。本发明为解决现有铁素体‑奥氏体双相不锈钢在带极埋弧堆焊过程中堆焊熔敷层金属塑韧性差、成本高的技术问题。焊带组成为C：0.030‑0.040％、N：0.15‑0.27％、Cr：25.5‑26.5％、Mo：4.0‑4.5％、Ni：3.5‑4.5％、Mn：9.5‑10.5％、Ta：0.35‑0.55％、Nb：0.30‑0.35％、W：0.15‑0.20％、S≤0.001％、P≤0.020％、余量为Fe。焊剂由萤石、铝钒土、镁砂、硅石灰、锆英砂、脱氧剂、合金剂、氧化铬绿制备而成。二者配套用于带极埋弧堆焊。

Description

一种配套使用的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带和焊剂及其 制备和应用
技术领域
本发明属于焊接材料制备技术领域，具体涉及一种配套使用的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带和焊剂及其制备和应用。
背景技术
铁素体-奥氏体双相不锈钢，是指固溶组织中铁素体相与奥氏体相各占一半的不锈钢。双相不锈钢兼具铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的性能特点，具有高强度、高耐腐蚀性，在核电、石油化工、海洋工程中得到广泛应用。
其中，加氢反应器、换热器管板的结构件多处于高温、高压、强腐蚀等复杂苛刻的工作环境，为降低设备制造成本，常常需要在其内壁进行熔覆堆焊，以增加设备耐腐蚀性；带极埋弧堆焊具有稀释率低、熔覆效率高、表面成形好等特点得到广泛应用。
铁素体-奥氏体双相不锈钢在带极埋弧堆焊过程中易产生氧化、热裂纹、耐点腐蚀性差、熔敷金属塑韧性差等问题。因此，研发一种高锰低镍型铁素体-奥氏体双相不锈钢埋弧焊带及其配套焊剂，提高堆焊层熔敷金属的塑韧性同时降低生产成本具有深远的意义与应用前景。
发明内容
本发明为解决现有铁素体-奥氏体双相不锈钢在带极埋弧堆焊过程中堆焊熔敷层金属塑韧性差、成本高的技术问题，而提供了一种配套使用的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带和焊剂及其制备和应用。
本发明的目的之一在于提供一种高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带，所述焊带的元素组成及质量分数为：C：0.030-0.040％、N：0.15-0.27％、Cr：25.5-26.5％、Mo：4.0-4.5％、Ni：3.5-4.5％、Mn：9.5-10.5％、Ta：0.35-0.55％、Nb：0.30-0.35％、W：0.15-0.20％、S≤0.001％、P≤0.020％、余量为Fe。
本发明的目的之二在于提供一种上述高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带的制备方法，所述方法按以下步骤进行：
步骤1：根据焊带成分配比进行熔炼，熔炼后合金溶液注入连铸机，得到焊带连铸坯；
步骤2：将焊带连铸坯通过均热炉预热，然后采用热连轧机进行轧制，得到轧制焊带；
步骤3：将轧制焊带进行层流冷却，冷却后进行酸洗，得到高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带。
进一步限定，步骤1中采用真空感应炉进行熔炼，熔炼温度为1200℃，升温速率为20℃/min，真空度≤2Pa。
进一步限定，步骤1中焊带连铸坯宽度为15-16mm，长度为150m，厚度为3-4mm。
进一步限定，步骤2中预热至1050-1100℃。
进一步限定，步骤3中层流冷却分3阶段进行，第1阶段600-1000℃、第2阶段200-600℃、第3阶段50-200℃。
进一步限定，步骤3中酸洗的溶液为20vol％HNO3+5vol％HF的水溶液，温度为30-50℃，酸洗速度为6m/min。
本发明的目的之三在于提供一种与上述焊带配套使用的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊剂，所述焊剂按质量分数组成为萤石：10-15％、铝钒土：15-20％、镁砂：25-35％、硅石灰：5-10％、锆英砂：18-23％、脱氧剂：2.6-3.1％、合金剂：1.2-1.4％、余量为氧化铬绿。
进一步限定，脱氧剂为Al-Ti元素组合。
更进一步限定，Al-Ti元素组合具体为：Al：1.2-1.5％，Ti：1.4-1.6％。
进一步限定，合金剂为Ta-Nb-W系合金。
更进一步限定，Ta-Nb-W系合金具体为：Ta：0.45-0.55％，Nb：0.4-0.45％，W：0.35-0.4％。
本发明的目的之四在于提供一种上述高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊剂的制备方法，所述方法按以下步骤进行：
将各原料初筛后进行搅拌混合，然后添加水玻璃继续搅拌混合，再将湿料进行造粒，所得焊剂颗粒烘干后进行烧结，得到高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊剂。
本发明的目的之五在于提供上述高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带与焊剂配套使用进行带极埋弧堆焊的应用，焊后的堆焊层熔敷金属化学成分及质量分数为：C：0.025-0.035％、N：0.10-0.22％、Cr：25-26％、Mo：3.5-4.0％、Ni：3.0-4.0％、Mn：9-10％、Ta：0.3-0.5％、Nb：0.25-0.30％、W：0.10-0.15％、S≤0.001％、P≤0.020％、Ti≤0.8％、Al≤0.8％、余量为Fe。
本发明相比于现有技术的优点：
1)本发明通过调控高锰低镍型铁素体-奥氏体双相不锈钢焊带成分中N元素的含量来显著阻碍σ相、Cr2N、M7C3、M23C6等析出相的形成，从而拓宽铁素体-奥氏体双相不锈钢焊带的加工制造工艺区间，但由于N元素在奥氏体中的固溶度显著大于在铁素体中的固溶度，所以过高的氮含量会使得PRENγ值显著大于PRENα值，从而降低堆焊层耐点蚀性。因此，本发明中将铁素体-奥氏体双相不锈钢焊带中的N元素含量控制在0.10％-0.22％之间，从而使堆焊层兼具高耐点蚀性和高抗拉强度。
2)本发明通过协同调控高锰低镍型铁素体-奥氏体双相不锈钢焊带中Cr元素和Mo元素的含量，以调节堆焊层中铁素体相和奥氏体相的占比，使堆焊层金属中铁素体相和奥氏体相比例接近。同时，Cr元素的添加会形成稳定的含铬钝化膜显著增加堆焊层的耐腐蚀性，在铁素体-奥氏体双相不锈钢中为保证形成稳定的耐腐蚀钝化膜Cr元素需要≥20％；但为更好的控制堆焊层中铁素体相和奥氏体相比例接近，因此需要控制Cr元素含量≤30％。此外，当固溶体中耐蚀Cr元素恰好等于其原子百分数的n/8倍时，合金的耐蚀性会突然增大，综上所述当Cr元素的含量在25.5％(既第二成分台阶2/8倍)附近时，既满足堆焊层中铁素体相和奥氏体相比例接近，同时还能显著提高堆焊层的耐蚀性。因此，本发明中Cr元素含量控制在25％-26％之间；Mo元素的添加能够改善堆焊层中耐氯化物点蚀能力，但过高的Mo元素增大堆焊层金属间化合物的形成倾向，因此Mo元素含量控制在3.5％-4.0％。
3)高锰低镍型铁素体-奥氏体双相不锈钢焊带中，Ni元素和Mn元素的添加降低位错和间隙原子的交互作用能量，促进体心立方结构的铁素体转变为面心立方结构的奥氏体，面心立方结构的奥氏体具有良好的韧性，因此随着Ni元素和Mn元素含量的增加，堆焊层的韧性显著提高，但为更好的控制堆焊层中铁素体相和奥氏体相比例接近，因此需要控制Ni元素含量6％-8％。因为Ni元素和Mn元素均为奥氏体稳定化元素，但Ni元素的价格显著高于Mn元素，因此添加Mn元素减少部分Ni元素的使用量，能够降低生产成本；因此，Ni元素含量控制在3.0％-4.0％，Mn元素含量9.0％-10％。
4)本发明引入Ta-Nb-W系微合金对焊剂成分进行调控，当将其与焊带配套使用进行带极埋弧堆焊时，在冶金反应过程中形成了Fe2Nb相，通过沉淀性强化提高了不锈钢的强度与蠕变能力，与此同时，W元素引入提高α-Fe的稳定同时起到固溶强化的作用，提高堆焊层的韧性，且Ta元素具有高耐磨性，有效提高了堆焊层的强度；但过多的Ta、Nb、W元素的加入会形成MC3脆性金属化合物，降低接头的塑韧性，Ta元素含量控制在0.3％-0.5％，Nb元素含量控制在0.25％-0.3％，W元素含量控制在0.1％-0.15％。此外，Ta-Nb-W系微合金元素的引入还弥补了焊接过程中微合金元素的烧损。
5)本发明中高锰低镍型铁素体-奥氏体双相不锈钢焊带的制备过程中为避免Ta-Nb-W系微合金元素加入，采用传统的拉拔方式制备焊带过程出现断裂问题，采用连铸连轧的方式制备焊带，有效解决焊带制备过程中开裂的问题，提高焊带的生产效率及成品率，降低生产成本；
6)本发明的焊剂采用Al-Ti元素组合替代Si、Mn元素作为脱氧剂，虽然Si元素的添加在熔炼过程中作为脱氧剂，但随着Si元素含量的增加，堆焊层的塑性和韧性明显降低，Al-Ti元素的添加，能够细化堆焊层晶粒、提高冲击韧性，同时Al元素的添加降低C元素的扩散速率，Ti元素能与C结合消耗一部分C，使碳化物不能发生聚集，避免生成网状碳化铬，进一步提高堆焊层的抗晶间腐蚀能力；但过多的Al元素和Ti元素添加会形成AlN和TiN形成夹渣降低堆焊层强度，因此Al元素含量控制在1.2％-1.5％，Ti元素含量控制在1.4％-1.6％。
附图说明
图1为实施例1得到的堆焊熔覆层的宏观形貌图；
图2为实施例1得到的堆焊熔覆层的微观形貌图；
图3为实施例2得到的堆焊熔覆层的宏观形貌图；
图4为实施例2得到的堆焊熔覆层的微观形貌图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
下述实施例中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。在本申请说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换，如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。
本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显只指单数形式。
实施例1：
本实施例的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带的元素组成及质量分数为：C：0.030％、N：0.15％、Cr：25.5％、Mo：4.0％、Ni：3.5％、Mn：9.5％、Ta：0.35％、Nb：0.30％、W：0.15％、S：0.001％、P：0.020％、余量为Fe。
上述高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带的制备方法按以下步骤进行：
步骤1：
首先，根据焊带成分配比，采用真空感应炉进行熔炼，熔炼温度为1200℃，升温速率为20℃/min，真空度≤2Pa；
其次，熔炼后合金液注入连铸机，连铸坯从连铸机下方拉出，采用飞剪对焊带的连铸坯进行定尺寸裁剪，得到宽度为15mm，长度为150m，厚度为4mm的焊带连铸坯；
步骤2：
首先，将焊带连铸坯匀速通过均热炉预热，预热至1050℃，焊带连铸坯的前进速度为0.5m/min，从而保证焊带连铸坯温度均匀恒定；
其次，从均热炉出来后采用热连轧机进行轧制，得到轧制焊带；
步骤3：
首先，将轧制焊带进入水冷区进行层流冷却，层流冷却分3阶段进行，第1阶段700℃、第2阶段300℃、第3阶段100℃；
其次，冷却后进行酸洗，酸洗的溶液为20vol％HNO3+5vol％HF的水溶液，温度为45℃，酸洗速度为6m/min；
最后，清洗后的焊带通过卷带机进行卷带装盘，得到高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带。
与上述高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带配套使用的焊剂按质量分数组成为萤石：10％、铝钒土：15％、镁砂：25％、硅石灰：10％、锆英砂：23％、脱氧剂：2.8％、合金剂：1.2％、余量为氧化铬绿；其中脱氧剂为，Al：1.4％、Ti：1.4％，其中合金剂为，Ta：0.45％，Nb：0.4％，W：0.35％。
所述焊剂的制备方法按以下步骤进行：
首先，将上述各干粉初筛后进行搅拌混合，初筛后干粉的目数为40目，得到干料；
其次，向干料中添加水玻璃继续搅拌混合，得到湿料；
再次，将湿料进行造粒，所得焊剂颗粒于250℃下烘干，烘干后于600℃下烧结30min，得到高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊剂。
应用例1：将实施例1的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带和高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊剂配套使用进行带极埋弧堆焊，焊接工艺参数如表1所示。
表1焊接工艺参数
结果：施焊后堆焊层熔敷金属化学成分及质量分数为：C：0.025％、N：0.10％、Cr：25％、Mo：3.5％、Ni：3.0％、Mn：9％、Ta：0.3％、Nb：0.25％、W：0.10％、S：0.001％、P：0.015％、Ti≤0.1％、Al≤0.15％、余量为Fe。
堆焊熔覆层的宏观形貌见图1，堆焊熔覆层的微观形貌见图2，熔敷金属力学性能如表2所示。从图1和可以看出，堆焊层成形美观，无气孔、裂纹、未熔合、氧化等缺陷。从图2可以看出，铁素体与奥氏体分布较为均匀，奥氏体二次枝晶臂分布较为均匀。
表2熔敷金属力学性能
实施例2：
本实施例的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带的元素组成及质量分数为：C：0.040％、N：0.27％、Cr：26.5％、Mo：4.5％、Ni：4.5％、Mn：10.5％、Ta：0.55％、Nb：0.35％、W：0.20％、S：0.001％、P：0.020％、余量为Fe。
上述高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带的制备方法按以下步骤进行：
步骤1：
首先，根据焊带成分配比，采用真空感应炉进行熔炼，熔炼温度为1200℃，升温速率为20℃/min，真空度≤2Pa；
其次，熔炼后合金液注入连铸机，连铸坯从连铸机下方拉出，采用飞剪对焊带的连铸坯进行定尺寸裁剪，得到宽度为15mm，长度为150m，厚度为3mm的焊带连铸坯；
步骤2：
首先，将焊带连铸坯匀速通过均热炉预热，预热至1100℃，焊带连铸坯的前进速度为0.5m/min，从而保证焊带连铸坯温度均匀恒定；
其次，从均热炉出来后采用热连轧机进行轧制，得到轧制焊带；
步骤3：
首先，将轧制焊带进入水冷区进行层流冷却，层流冷却分3阶段进行，第1阶段800℃、第2阶段500℃、第3阶段150℃；
其次，冷却后进行酸洗，酸洗的溶液为20vol％HNO3+5vol％HF的水溶液，温度为50℃，酸洗速度为6m/min；
最后，清洗后的焊带通过卷带机进行卷带装盘，得到高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带。
与上述高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带配套使用的焊剂按质量分数组成为萤石：15％、铝钒土：20％、镁砂：35％、硅石灰：5％、锆英砂：18％、脱氧剂：2.8％、合金剂：1.4％、余量为氧化铬绿；其中脱氧剂为，Al：1.3％、Ti：1.5％，其中合金剂为，Ta：0.55％，Nb：0.45％，W：0.40％。
所述焊剂的制备方法按以下步骤进行：
首先，将上述各干粉初筛后进行搅拌混合，初筛后干粉的目数为50目，得到干料；
其次，向干料中添加水玻璃继续搅拌混合，得到湿料；
再次，将湿料进行造粒，所得焊剂颗粒于300℃下烘干，烘干后于750℃下烧结25min，得到高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊剂。
应用例2：将实施例2的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带和高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊剂配套使用进行带极埋弧堆焊，焊接工艺参数如表3所示。
表3焊接工艺参数
结果：施焊后堆焊层熔敷金属化学成分及质量分数为：C：0.035％、N：0.22％、Cr：26％、Mo：4.0％、Ni：4.0％、Mn：10％、Ta：0.5％、Nb：0.30％、W：0.15％、S：0.001、P：0.020、Ti≤0.5％、Al≤0.15％、余量为Fe。
堆焊熔覆层的宏观形貌见图3，堆焊熔覆层的微观形貌见图4，熔敷金属力学性能如表4所示。。从图3和可以看出，堆焊层成形美观，无气孔、裂纹、未熔合、氧化等缺陷。从图4可以看出，铁素体与奥氏体分布较为均匀，奥氏体二次枝晶臂分布较为均匀。
表4熔敷金属力学性能
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带，其特征在于，它的元素组成及质量分数为：C：0.030-0.040%、N：0.15-0.27%、Cr：25.5-26.5%、Mo：4.0-4.5%、Ni：3.5-4.5%、Mn：9.5-10.5%、Ta：0.35-0.55%、Nb：0.30-0.35%、W：0.15-0.20%、S≤0.001%、P≤0.020%、余量为Fe。
2.权利要求1所述的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带的制备方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：
步骤1：根据焊带成分配比进行熔炼，熔炼后合金溶液注入连铸机，得到焊带连铸坯；
步骤2：将焊带连铸坯通过均热炉预热，然后采用热连轧机进行轧制，得到轧制焊带；
步骤3：将轧制焊带进行层流冷却，冷却后进行酸洗，得到高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1中采用真空感应炉进行熔炼，熔炼温度为1200℃，升温速率为20℃/min，真空度≤2Pa，焊带连铸坯宽度为15-16 mm，长度为150m，厚度为3-4 mm。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中预热至1050-1100℃。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3中层流冷却分3阶段进行，第1阶段600-1000℃、第2阶段200-600℃、第3阶段50-200℃，酸洗的溶液为20 vol%HNO3+5 vol%HF的水溶液，温度为30-50℃，酸洗速度为6 m/min。
6.与权利要求1所述的焊带配套使用的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊剂，其特征在于，它按质量分数组成为萤石：10-15%、铝钒土：15-20%、镁砂：25-35%、硅石灰：5-10%、锆英砂：18-23%、脱氧剂：2.6-3.1%、合金剂：1.2-1.4%、余量为氧化铬绿，脱氧剂为Al-Ti元素组合，其中，Al：1.2-1.5%，Ti：1.4-1.6%，合金剂为Ta-Nb-W系合金，其中，Ta：0.45-0.55%，Nb：0.4-0.45%，W：0.35-0.4%。
7.权利要求6所述的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊剂的制备方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：
将各原料初筛后进行搅拌混合，然后添加水玻璃继续搅拌混合，再将湿料进行造粒，所得焊剂颗粒烘干后进行烧结，得到高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊剂。
8.权利要求1所述的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊带与权利要求6所述的高锰低镍型双相不锈钢埋弧焊剂的应用，其特征在于，二者配套使用进行带极埋弧堆焊，焊后的堆焊层熔敷金属化学成分及质量分数为：C：0.025-0.035%、N：0.10-0.22%、Cr：25-26%、Mo：3.5-4.0%、Ni：3.0-4.0%、Mn：9-10%、Ta：0.3-0.5%、Nb：0.25-0.30%、W：0.10-0.15%、S≤0.001%、P≤0.020%、Ti≤0.8%、Al≤0.8%、余量为Fe。
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