CN117206744A - 铁素体不锈钢焊丝及焊接部件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铁素体不锈钢焊丝和焊接部件，该铁素体不锈钢焊丝以质量％计包含：C：≤0.050％；Si：≤1.00％；Mn：2.50％至5.00％；P：≤0.040％；S：≤0.010％；Cu：≤0.50％；Ni：0.01％至1.00％；Cr：12.0％至20.0％；Mo：≤0.50％；Ti：0.20％至2.00％；Nb：0.10％至0.80％；Al：0.020％至0.200％；Mg：≤0.020％；O：≤0.020％；和N：0.001％至0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质，并且该铁素体不锈钢焊丝的由公式(1)表示的Ni当量为1.0至3.0，Ni当量＝[Ni]+0.5×[Mn]+30×[C]+30×([N]‑0.06)公式(1)，在公式(1)中，[X]表示元素X的含量(质量％)。本发明的铁素体不锈钢焊丝和焊接部件能够有效地细化焊接金属微观组织并防止焊接金属部分出现裂纹。
Description
技术领域
本发明涉及铁素体不锈钢焊丝和焊接部件。
背景技术
铁素体不锈钢相对于奥氏体不锈钢价格更低，且热膨胀系数低，因此可以防止热应变。铁素体不锈钢还具有优异的耐高温氧化性，因此广泛应用于在高温腐蚀性气体环境中使用的汽车排气系统部件。汽车排气系统部件的实例包括用于收集来自发动机的废气并将废气输送到排气管的排气歧管，以及用于在催化剂存在下使用氧化还原反应净化废气的转换器的情况。这些形状复杂的部件是由铁素体不锈钢制成的焊接构件组装而成。一般来说，由铁素体不锈钢制成的构件的焊接使用由与构件具有相同或相似组成的铁素体不锈钢制成的焊丝。
众所周知，用铁素体不锈钢焊丝形成的焊接金属往往有粗晶粒并出现焊接裂纹。即使可以避免焊接裂纹，但是反复地将弯曲力施加到焊接金属部分时，也可能会出现裂纹。因此，对于铁素体不锈钢焊丝，需要提高焊接金属部分的耐腐蚀性，并细化焊接金属微观组织。
对于细化焊接金属微观组织，已知这样的技术：使用具有能够使Ti、Al等的氮化物结晶的合金组成的焊丝，在焊接期间使这些结晶物质分散在熔融金属中，并在铁素体形成期间使用熔融金属作为核(参见例如专利文献1)。然而，专利文献1的实施例中具体公开的焊丝与本发明的不同之处在于，其Mn含量均低至低于2.5％，且不满足本发明的公式(1)。
专利文献1：JP2006-231404A
发明内容
在上述情况的背景下，本发明的目的是提供一种能有效地细化焊接金属微观组织并防止焊接金属部分出现裂纹的铁素体不锈钢焊丝和焊接部件。
为了解决上述技术问题，本发明的发明人进行了深入的研究，发现通过将铁素体不锈钢焊丝中包含的如Ni、Mn等奥氏体形成元素限定在预定范围内，在熔融金属固化并冷却到大约室温的过程中会发生相变，利用这种相变可以促进焊接金属微观组织的细化。本发明是基于这些发现完成的。
相应地，对根据本发明的第一方面的铁素体不锈钢焊丝做出如下说明。即，所述铁素体不锈钢焊丝包含，以质量％计，C：≤0.050％；Si：≤1.00％；Mn：2.50％至5.00％；P：≤0.040％；S：≤0.010％；Cu：≤0.50％；Ni：0.01％至1.00％；Cr：12.0％至20.0％；Mo：≤0.50％；Ti：0.20％至2.00％；Nb：0.10％至0.80％；Al：0.020％至0.200％；Mg：≤0.020％(包括0)；O：≤0.020％；和N：0.001％至0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质，并且其按照以下公式(1)表示的Ni当量为1.0至3.0。
Ni当量＝[Ni]+0.5×[Mn]+30×[C]+30×([N]-0.06)公式(1)。
此处，上述公式(1)中的[X]表示钢中包含的元素[X]的含量(质量％)。
根据这种方式规定的第一方面的焊丝，通过使用如TiN之类的结晶物质，同时利用相变，能够细化焊接金属的微观组织。
普通铁素体不锈钢在冷却过程中很难转化，但在第一方面的焊丝中，各种奥氏体形成元素(Ni、Mn、C和N)和由公式(1)表示的Ni当量均限制在预定范围内，因此在熔融金属固化和冷却到大约室温的过程中，一部分δ铁素体相便转化为奥氏体(δ/γ转化)，并进一步转化为α铁素体(γ/α转化)，从而细化焊接金属微观组织。此处，第一方面的焊丝包含大量的Mn，特别是在奥氏体形成元素中。
在本发明的第二方面中，根据第一方面的焊丝由以下公式(2)表示的T值可以为12.0以上。根据以这种方式限制的第二方面的焊丝，防止贫Cr层的形成，从而可以细化焊接金属的微观组织，并可以提高焊接金属部分的耐腐蚀性。
T值＝([Ti]+[Nb])/([C]+[N])公式(2)
此处，上述公式(2)中的[X]表示所述钢中包含的元素[X]的含量(质量％)。
对根据本发明的第三方面的焊接部件做出如下说明。即，焊接部件包括使用根据第一方面或第二方面的铁素体不锈钢焊丝形成的焊接金属部分，其中焊接金属部分的晶粒度级别数为3以上。
附图说明
图1A和图1B是粒度测定和耐腐蚀性试验的说明图；
图2是抗裂性试验的说明图；以及
图3A和图3B是弯曲试验的说明图。
具体实施方式
根据本发明的实施方案的铁素体不锈钢焊丝包含C、Si、Mn、P、S、Cu、Ni、Cr、Mo、Ti、Nb、Al、O和N，余量为Fe和不可避免的杂质。进一步地，所述焊丝还包含Mg。
下面将详细描述本发明实施方案的铁素体不锈钢焊丝中限制各种化学成分的原因。请注意，在以下描述中，除非另外说明，否则“％”表示“质量％”。
C：≤0.050％
C是一种为确保焊接金属部分的强度而添加的元素。C也是奥氏体形成元素，并且具有促进奥氏体相形成的效果。然而，由于马氏体的形成，过量添加C往往会导致焊接裂纹。Cr碳化物的析出在晶界处形成了贫Cr层，从而导致耐腐蚀性下降。因此，在本发明的实施方案中，将C含量的上限设置为0.050％。优选的C含量为0.010％至0.030％。
Si：≤1.00％
Si是一种用作脱氧剂的元素，也能有效地防止焊接裂纹。然而，过量添加Si会导致韧性下降和机械强度降低，因此将Si含量的上限设置为1.00％。优选的Si含量为0.30％以下。更优选的Si含量为0.17％以下。
Mn：2.50％至5.00％
Mn是一种奥氏体形成元素。在本发明的实施方案中包含2.50％以上的Mn，以促进奥氏体相的形成。然而，过量添加Mn会产生硫化物并使韧性下降，因此将Mn含量的上限设置为5.00％。优选的Mn含量为3.50％至4.50％。
P：≤0.040％、S：≤0.010％
过量的P和S往往会导致焊接裂纹，并导致焊接金属部分的韧性下降。因此，P含量需要在0.040％以下，S含量需要在0.010％以下。
Cu：≤0.50％
Cu是一种能提高拉伸强度和耐腐蚀性的元素。然而，过量添加Cu会导致韧性和延性的降低，因此将Cu含量的上限设置为0.50％。优选的Cu含量为0.10％至0.40％。
Ni：0.01％至1.00％
Ni是一种奥氏体形成元素，与Mn等元素一起具有促进奥氏体相形成的效果。Ni还能提高延展性和韧性。然而，过量添加Ni会降低焊缝抗裂纹性，因此，在本发明的实施方案中，Ni含量设置为0.01％至1.00％。优选的Ni含量为0.30％至0.80％。
Cr：12.0％至20.0％
Cr能提高焊接金属的强度，并在焊接金属的表面形成致密的氧化膜，从而提高耐氧化性和耐腐蚀性。为了获得这种效果，在本发明的实施方案中Cr的含量为12.0％以上。然而，过量添加Cr使耐腐蚀性效果饱和，并有一个很大的缺点，即增加了材料成本。此外，由于过量添加Cr而导致的硬化会降低可生产性。因此，在本发明的实施方案中，将Cr含量的上限设置为20.0％。优选的Cr含量为15.0％至19.0％。
Mo：≤0.50％
Mo是一种有效提高高温强度和耐腐蚀性的元素。然而，当过量添加Mo时，会使相应的特性饱和，并且材料成本增加，因此将Mo含量的上限设置为0.50％。优选的Mo含量为0.10％至0.40％。
Ti：0.20％至2.00％
Ti的氮化物在焊接过程中以夹杂物的形式细微地分散在熔融金属中，并且在铁素体形成过程中起到核的作用，因此Ti对焊接金属的晶粒具有细化效果。相对于Cr的碳化物，Ti的碳化物优先形成，因此可以降低敏化作用。然而，过量添加Ti会损害可焊性，其氧化物变成熔渣，导致焊珠的外观变差。因此，在本发明的实施方案中，将Ti含量设置为0.20％至2.00％。优选的Ti含量为0.40％至0.70％。
Nb：0.10％至0.80％
由于Nb的碳化物优先于Cr的碳化物而形成，因此Nb像Ti一样可以降低敏化作用。Nb的碳化物在晶界处的钉扎效应防止晶粒的粗化，并且提高耐氧化性和高温强度。然而，过量添加Nb会导致焊缝抗裂纹性下降。因此，在本发明的实施方案中，将Nb含量设置为0.10％至0.80％。优选的Nb含量为0.30％至0.70％。
Al：0.020％至0.200％
Al形成的氧化物可以促进TiN的结晶。Al也作为脱氧化剂，并且具有与Nb相同的提高耐氧化性的效果。然而，由于过量添加Al会导致韧性的降低和飞溅物的增加，因此，在本发明的实施方案中，将Al含量设置为0.020％至0.200％。优选的Al含量为0.030％至0.100％。
Mg：≤0.020％(包括0)
由于镁形成尖晶石(MgAl2O4)，并具有促进TiN结晶的效果，因此必要时可以包含Mg。然而，过量添加Mg会降低可焊性，因此将Mg含量的上限设置为0.020％。Mg含量可以为0。
O：≤0.020％
O形成氧化物，如SiO2和Al2O3，而由此产生的氧化物会降低韧性。因此，O含量需要在0.020％以下。
N：0.001％至0.050％
N形成TiN，其在铁素体形成过程中起着核的作用。N也是一种奥氏体形成元素，并且促进奥氏体相的形成。然而，过量添加N会形成Cr的氮化物，并降低耐腐蚀性。因此，在本发明的实施方案中，将N含量设置为0.001％至0.050％。优选的N含量为0.020％至0.040％。
由公式(1)表示的Ni当量：1.0至3.0
Ni当量＝[Ni]+0.5×[Mn]+30×[C]+30×([N]-0.06)公式(1)。
Ni当量是与焊接金属固化和冷却过程中产生的奥氏体相的量相关的指标。通过调整Ni、Mn、C和N的含量，使Ni当量为1.0以上，δ铁素体相的一部分便转化为奥氏体。在本发明的实施方案中，通过利用该相变，可以获得细化晶粒的效果。
然而，当Ni当量过高时，产生奥氏体单相组织，无法获得细化效果。因此，在本发明的实施方案中，将Ni当量设置在1.0至3.0的范围内。优选的Ni当量范围为1.5至2.5。
由公式(2)表示的T值：12.0以上
T值＝([Ti]+[Nb])/([C]+[N])公式(2)
在铁素体不锈钢中，Cr碳化物和氮化物的形成消耗了Cr，并形成所谓的贫Cr层，从而导致耐腐蚀性下降。为了防止贫Cr层的形成，降低C和N、并添加优先于Cr形成碳化物和氮化物的碳氮化物形成元素(Ti和Nb)是有效的。根据本发明人的研究，在由([Ti]+[Nb])/([C]+[N])表示的T值小于12.0的情况下，防止形成贫Cr层的效果不足，因此，在本发明的实施方案中，将成分调整为T值为12.0以上。更优选的T值为14.0以上。
本发明的实施方案中具有上述化学组成的焊丝具有铁素体单相组织的主相。对于焊丝的直径和长度没有特别的限制，可以根据目的选择值。本发明的实施方案的焊丝可以是由铁素体不锈钢构成的固体焊丝，或含有焊剂的焊剂芯焊丝。
在使用本发明的焊丝焊接由铁素体不锈钢制成的构件所组装的焊接部件中，焊接金属部分的晶粒度级别数可以为3以上。
实施例
接下来，下文将描述本发明的实施例。此处，试件(焊接部件)采用分别具有如下表1所示的实施例和比较例的化学组成的焊丝焊接制备而成，并对焊接金属进行粒度测定、耐腐蚀性试验、抗裂性试验和弯曲试验。
表1
表1(续)
1.粒度测定和耐腐蚀性试验用试件的制备
熔化具有表1所示化学组成的合金，对获得的钢锭进行热加工和冷加工，并制备成直径为1.2mm的焊丝。
接着，如图1A所示，布置两个各自厚度为15mm、长度为150mm、宽度为50mm的SUS430(JIS-G-4305:2012)的不锈钢板1、1，使两个板的端部在宽度方向上彼此重叠25mm，并在两个不锈钢板1、1之间进行气体保护电弧焊，以形成焊珠2。保护气Ar+3.5％ O2在130A电流和21V电压下以15L/min的流量流动，并且以70cm/min的焊接速度、45°的焊枪倾角θ进行焊接。然后，如图1B中的双点划线所示，将焊接的不锈钢板四等分，以形成切割件3至6，并用两个中心的试件4和5进行粒度测定和耐腐蚀性试验。
2.粒度测定
按照JIS-G-0552:1998中描述的铁素体粒度测定试验方法确定焊接金属的粒度。结果如表2所示。目标晶粒度级别数为3以上。
3.耐腐蚀性试验
按照JIS-G-0571:2003中描述的用于不锈钢的草酸蚀刻试验方法进行耐腐蚀性试验。将切割件5(参见图1B)的焊接金属部分(焊珠2)浸入10％草酸溶液中并以恒定电流密度通电以确定耐腐蚀性。结果如表2所示。判断标准如下。
A：观察到阶梯状组织。
B：观察到混合组织。
C：观察到沟槽状组织。
此处，阶梯状组织是在晶界处没有沟槽的阶梯状组织，这是由于每个晶体取向的腐蚀速率不同而出现的。混合组织是在部分晶界处具有沟槽的组织(但没有晶粒完全被沟槽包围)。沟槽状组织是一个或多个颗粒完全被沟槽包围的组织。
4.抗裂性试验
按照JIS-Z-3153:1993中描述的T型焊缝裂纹试验进行抗裂性试验。如图2所示，以T形布置两个各自厚度为15mm、长度为150mm并且宽度为50mm的SUS430不锈钢板7、7，并在两个不锈钢板7、7之间进行气体保护电弧焊，从而形成测试用焊珠8和约束用焊珠(restraining bead)9。
首先，保护气Ar+3.5％O2在210A电流和23V电压下以15L/min的流量流动，并以40cm/min焊接速度形成约束用焊珠9。接着，保护气Ar+3.5％O2在210A电流和23V电压下以15L/min的流量流动，并以70cm/min的焊接速度形成测试用焊珠8。然后，得到测试用焊珠8(不包括凹坑部分)的表面裂纹率[由(裂纹长度/焊珠长度)×100表示]，以用于判断。结果如表2所示。判断标准如下。
A：裂纹率为0％。
B：裂纹率大于0％且小于20％。
C：裂纹率在20％以上。
5.弯曲试验
在弯曲试验中，如图3A所示，布置两个各自厚度为15mm、长度为150mm并且宽度为50mm的SUS430不锈钢板10、10，在两个不锈钢板10、10之间进行气体保护电弧焊，从而形成焊珠11。保护气Ar+3.5％O2在130A电流和21V电压下以15L/min的流量流动，并以70cm/min的焊接速度形成焊缝。然后，如图3B所示，限制一个不锈钢板10，并将另一个不锈钢板10以60度角反复弯曲，以计算焊珠11能承受的弯曲次数。结果如表2所示。
表2
表1和表2中的结果揭示了以下内容。
比较例1是其中超过本发明的实施方案所规定的范围添加C、S和Cr的例子，虽然焊接金属被细化，但耐腐蚀性和抗裂性的评价为“C”，并且弯曲试验评价中的弯曲次数也很少。
比较例2中，Ni当量超过本发明的实施方案所规定的上限，因此焊接金属的晶粒度级别数为1.5且没有被细化。还过量添加了N、Al和Cu，因此耐腐蚀性评价为“C”，并且弯曲试验评价中的弯曲次数也很少。
比较例3中，有助于细化的Ti和Al的含量低于本发明的实施方案所规定的下限，并且Ni当量也超出了本发明的实施方案所规定的范围，因此焊接金属的晶粒度级别数为1且没有被细化。由于Ti的量较小，因此耐腐蚀性评价为“C”。
比较例4中，Mn的含量和Ni当量低于本发明的实施方案所规定的下限，使得焊接金属的晶粒度级别数为2且没有被细化。比较例4中以超过本发明的实施方案所规定的范围添加了P和Ti，因此抗裂性评价为“C”。Cr的含量也低于下限，因此耐腐蚀性评价为“C”。
比较例5中，Mn的含量超过了本发明的实施方案所规定的上限，因此弯曲试验评价中的弯曲次数很少。由于Nb的含量也较小，因此耐腐蚀性评价为“B”。
比较例6中，Mn的含量和Ni当量低于本发明的实施方案所规定的下限，使得焊接金属的晶粒度级别数为1且没有被细化。Mo和O的含量超过了本发明的实施方案所规定的上限，因此弯曲试验评价中的弯曲次数很少。
比较例7中，Ni当量超过本发明的实施方案所规定的上限，因此焊接金属的晶粒度级别数为2且没有被细化。Ni、Nb和Si添加过量超过上限，因此抗裂性评价差并且弯曲试验评价中弯曲次数也很少。
比较例8中，Ni当量低于本发明的实施方案所规定的下限，使得焊接金属的晶粒度级别数为2且没有被细化。弯曲试验评价中的弯曲次数也很少。
根据这些比较例的结果，在Ni当量超过本发明的实施方案所规定范围的上限的情况下，或在Ni当量低于下限的情况下，可以确认没有实现对焊接金属微观组织的目标细化。
比较例1、2、3和5中，T值没有达到本发明的实施方案所规定的值，即使Cr含量合适，耐腐蚀性评价也不好。
另一方面，在实施例1至12中，焊丝的化学组成(包括Ni当量)处于本发明的实施方案所规定的范围内，粒度和抗裂性试验方面都很好。换句话说，可以确认实施例1至12的焊丝可以有效地细化焊接金属的微观组织并防止焊接金属部分出现裂纹。
此处，实施例12是其中每个元素的添加量都在本发明的实施方案所指定的范围内但T值较低的例子。粒度和抗裂性的评价良好，但耐腐蚀性评价为“C”。
另一方面，其中T值也满足本发明的实施方案中的规定的实施例1至11在耐腐蚀性方面的评价也良好。
虽然以上已详细描述了本发明的实施方案和实施例，但本发明并不限于此，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行各种改变。
本申请基于2022年6月10日提交的日本专利申请No.2022-094541和2023年2月21日提交的No.2023-025406，它们的全部内容通过引用并入本文。
Claims (3)
1.一种铁素体不锈钢焊丝，以质量％计，包含：
C：≤0.050％；
Si：≤1.00％；
Mn：2.50％至5.00％；
P：≤0.040％；
S：≤0.010％；
Cu：≤0.50％；
Ni：0.01％至1.00％；
Cr：12.0％至20.0％；
Mo：≤0.50％；
Ti：0.20％至2.00％；
Nb：0.10％至0.80％；
Al：0.020％至0.200％；
Mg：≤0.020％；
O：≤0.020％；和
N：0.001％至0.050％，
余量为Fe和不可避免的杂质，
并且该铁素体不锈钢焊丝的由公式(1)表示的Ni当量为1.0至3.0，
Ni当量＝[Ni]+0.5×[Mn]+30×[C]+30×([N]-0.06)公式(1)，
在公式(1)中，[X]表示元素X的含量(质量％)。
2.根据权利要求1所述的铁素体不锈钢焊丝，其由公式(2)表示的T值为12.0以上，
T值＝([Ti]+[Nb])/([C]+[N])公式(2)
在公式(2)中，[X]表示元素X的含量(质量％)。
3.一种焊接部件，包括：
使用根据权利要求1或2所述的铁素体不锈钢焊丝形成的焊接金属部分，
其中，所述焊接金属部分的晶粒度级别数为3以上。
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
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| JP2023-025406 | 2023-02-21 | ||
| JP2023025406A JP2023181076A (ja) | 2022-06-10 | 2023-02-21 | フェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤおよび溶接部品 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117206744A true CN117206744A (zh) | 2023-12-12 |
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|---|---|---|---|
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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2023
- 2023-06-08 CN CN202310675881.6A patent/CN117206744A/zh active Pending
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