CN108526750A

CN108526750A - 一种高强高韧高氮奥氏体不锈钢焊丝及其制备方法

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Publication number: CN108526750A
Application number: CN201810305967.9A
Authority: CN
Inventors: 明珠; 王有祁; 柏关顺; 王伟; 冯胜强; 甄立玲
Original assignee: Chinese Academy of Ordnance Science Ningbo Branch
Current assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch; Chinese Academy of Ordnance Science Ningbo Branch
Priority date: 2018-04-08
Filing date: 2018-04-08
Publication date: 2018-09-14
Anticipated expiration: 2038-04-08
Also published as: CN108526750B

Abstract

一种高强高韧高氮奥氏体不锈钢焊丝及其制备方法，该焊丝的合金成分按重量百分比为：C<0.1％，S<0.02％，P<0.03％，Si：0.1‑0.9％，Mn：5‑21％，Cr：15‑23％，Ni：0‑8％，Mo：0‑5％，N：0.2‑0.95％，Fe为余量，其他杂质<0.1％；制备工艺为：感应炉冶炼外加电渣重熔→热锻→热轧→热处理→焊丝拉拔。本发明的焊丝成分配比科学合理，增加氮元素的含量，调整了锰元素含量，增加氮的固溶度，使得制备的焊丝焊接过程稳定，氢元素逸出量少，气孔缺陷少，焊接工艺性好，熔敷金属强度高，‑40℃低温下仍表现出优良的冲击韧性，适用于高氮奥氏体不锈钢的焊接，特别是对低温冲击韧性有要求的奥氏体不锈钢的焊接，也可用于堆焊作为其他钢铁材料的耐蚀层。

Description

一种高强高韧高氮奥氏体不锈钢焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料及加工工艺技术领域，涉及一种高强高韧高氮奥氏体不锈钢焊丝及其制备方法，具体是一种专门用于高氮奥氏体不锈钢焊接的高氮奥氏体不锈钢焊丝及其制备工艺。

背景技术

高氮奥氏体不锈钢利用N元素代替昂贵的合金元素Ni作为奥氏体稳定元素以获得奥氏体组织，是一种资源节约型低成本奥氏体不锈钢。高氮奥氏体不锈钢具有高强高韧的特点，在低温(4K)时仍具有较高的强韧性匹配。此外，高氮奥氏体不锈钢由于氮元素的加入具有良好耐蚀性，特别是抗点蚀性能。因此，近年来高氮奥氏体不锈钢在航空工业、电力工业、化学及石油化学工业以及机械制造工业等领域得到了广泛的应用和关注。

高氮奥氏体不锈钢在实际制备和使用过程中涉及到大量的焊接过程。高氮奥氏体不锈钢钢焊接时主要的难点是焊缝金属中氮元素的流失和气孔缺陷问题。高氮奥氏体不锈钢焊丝中过饱和的氮在熔池中发生剧烈的冶金反应，会从熔池中向大气中逸出。当由于熔池快速凝固，氮气无法逸出时，会在焊缝中形成严重的氮气孔。氮流失和氮气孔会造成高氮奥氏体不锈钢焊缝力学性能和耐腐蚀性能下降。目前高氮奥氏体不锈钢焊接主要采用常规的奥氏体不锈钢焊丝(如ER309)和传统焊接工艺，其焊缝强度仅仅达到高氮奥氏体不锈钢母材的60％左右，焊缝缺陷出现频繁，如大量的气孔缺陷，无法满足使用要求。因此，研制高强高韧高氮奥氏体不锈钢专用焊丝具有极其重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种高强高韧高氮奥氏体不锈钢焊丝，以解决现有高氮奥氏体不锈钢焊缝金属由于氮元素流失和氮气孔缺陷降低强度和韧性问题。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种高强高韧高氮奥氏体不锈钢焊丝的制备方法，制备的焊丝可以解决现有高氮奥氏体不锈钢焊缝金属由于氮元素流失和氮气孔缺陷降低强度和韧性问题。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种高强高韧高氮奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于：该焊丝的合金成分按重量百分比为：C<0.1％，S<0.02％，P<0.03％，Si：0.1-0.9％，Mn：5-21％，Cr：15-23％，Ni：0-8％，Mo：0-5％，N：0.2-0.95％，Fe为余量，其他杂质<0.1％。

优选的，所述焊丝的尺寸为Φ1.1～1.3mm。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述的高强高韧高氮奥氏体不锈钢焊丝的制备方法，其特征在于：按照焊丝的合金成分配比进行配料，感应炉冶炼加电渣重熔，将高氮奥氏体不锈钢焊丝合金铸锭进行常规的锻造、轧制、多道次在线退火、酸洗和冷拉拔，最终制成直径Φ1.1～1.3mm的高氮奥氏体不锈钢焊丝。

作为优选，所述焊丝的合金成分中的氮元素是以氮化物的形式加入，其余元素以合金或纯金属形式加入。

进一步，述不锈钢焊丝合金铸锭在锻造前先在大气环境下使用感应炉冶炼外加电渣重熔处理，使得焊丝中的氮含量为大气下氮元素在奥氏体不锈钢中的平衡溶解度。

最后，所述制备的高氮奥氏体不锈钢焊丝采用半自动MIG焊焊接方法，板厚20mm，氩气作为保护气体进行焊接，焊接电流：200-280A，焊接电压：25-28V，焊接速度：180-220mm/min，气流量：15-25L/min，层间温度<150℃。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)成分配比科学合理，增加氮元素的含量，将氮元素以氮化物的形式加入，调整合金中的锰元素含量，增加氮的固溶度，在大气环境下使用感应炉冶炼外加电渣重熔，使得焊丝中的氮含量为大气下氮元素在奥氏体不锈钢中的平衡溶解度；

(2)本发明中的高氮奥氏体不锈钢焊丝焊接过程稳定，氢元素逸出量少，气孔缺陷少，焊接工艺性好，适用于高氮奥氏体不锈钢的焊接；

(3)本发明中的高氮奥氏体不锈钢焊丝熔敷金属强度高，抗拉强度可达900MPa以上；室温冲击韧性不低于90J，-40℃低温下仍表现出优良的冲击韧性，仍不低于75J。

(4)本发明制备的焊丝适用于熔化极和非熔化极气体保护焊，能够用于高氮奥氏体不锈钢的焊接，特别是对低温冲击韧性有要求的奥氏体不锈钢的焊接，也可用于堆焊作为其他钢铁材料的耐蚀层。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

一种高强高韧高氮奥氏体不锈钢焊丝，该焊丝的合金成分按重量百分比为：C<0.1％，S<0.02％，P<0.03％，Si：0.1-0.9％，Mn：5-21％，Cr：15-23％，Ni：0-8％，Mo：0-5％，N：0.2-0.95％，Fe为余量，其他杂质<0.1％；焊丝的尺寸为Φ1.1～1.3mm。

一种高强高韧高氮奥氏体不锈钢焊丝的制备方法，焊丝制备工艺流程为：感应炉冶炼加电渣重熔→热锻→热轧→热处理→焊丝拉拔；

具体为：按照焊丝的合金成分配比进行配料，感应炉冶炼加电渣重熔，将高氮奥氏体不锈钢焊丝合金铸锭进行常规的锻造、轧制、多道次在线退火、酸洗和冷拉拔，最终制成直径Φ1.1～1.3mm的高氮奥氏体不锈钢焊丝；焊丝的合金成分中的氮元素是以氮化物的形式加入，其余元素以合金或纯金属形式加入。

优选，不锈钢焊丝合金铸锭在锻造前先在大气环境下使用感应炉冶炼外加电渣重熔处理，使得焊丝中的氮含量为大气下氮元素在奥氏体不锈钢中的平衡溶解度。

制备的高氮奥氏体不锈钢焊丝采用半自动MIG焊焊接方法，板厚20mm，氩气作为保护气体进行焊接，焊接电流：200-280A，焊接电压：25-28V，焊接速度：180-220mm/min，气流量：15-25L/min，层间温度<150℃；最终使得高氮奥氏体不锈钢熔敷金属合金成分为：C<0.1％，S<0.02％，P<0.03％，Si：0.1-0.9％，Mn：5-21％，Cr：15-23％，Ni：0-8％，Mo：0-5％，N：0.2-0.95％，Fe为余量，其他杂质<0.1％。高氮奥氏体不锈钢焊丝熔敷金属强度高，经测试，抗拉强度可达900MPa以上；室温冲击韧性不低于90J，-40℃低温下仍表现出优良的冲击韧性，仍不低于75J。

以下对高氮奥氏体不锈钢焊丝中合金元素的作用及其处于成分控制范围中的原因进行具体分析说明：

C：C是一种强奥氏体化元素，能够扩大奥氏体相区，增加奥氏体稳定性。C有很强的固溶强化作用，能够增加奥氏体不锈钢室温和高温强度。但是，C在敏化温度区间会促进富铬M23C6的析出，使得奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀。此外，碳含量过高会降低奥氏体不锈钢的焊接性、韧性和塑性。因此需要对碳含量严格控制，碳含量在0.1％以下，尽可能少。

S：S元素在奥氏体不锈钢中为杂质元素，会偏聚到晶界，而且易形成低熔点共晶，增加奥氏体不锈钢的焊接热裂敏感性。因此，综合考虑实际生产条件的限制，需要控制S元素含量在0.02％以下，尽可能少。

P：P元素在奥氏体不锈钢中的杂质元素，危害作用与S类似，会增加奥氏体不锈钢焊接热裂敏感性，所以P元素控制在0.03％以下，尽可能少。

Si：Si是一种强脱氧元素，降低高氮奥氏体不锈钢中的氧元素。但是硅含量过高会降低奥氏体不锈钢的冲击韧性和强度。此外，硅含量增加会增加奥氏体不锈钢液化裂纹敏感性。因此，硅元素控制在0.1-0.9％。

Cr：Cr是一种铁素体化元素。Cr能够形成致密稳定的Cr₂O₃膜，增加奥氏体不锈钢在腐蚀介质中的耐蚀性以及高温条件下的抗氧化性能。但是当铬含量过高时，会促进高温铁素体的出现。因此，铬含量控制在15-23％。

Ni：Ni是一种奥氏体化元素，能扩大奥氏体相区，稳定奥氏体。在Cr元素的存在前提下，Ni能够增加奥氏体不锈钢的耐蚀性。Ni能够抑制长期时效过程中Sigma相的析出。本发明根据氮含量和锰含量调整镍含量，控制在0-8％。

Mo：Mo是铁素体化元素，能够提高奥氏体不锈钢的高温强度和持久蠕变强度。Mo能够降低奥氏体不锈钢点蚀敏感性。但是，Mo能够促进Sigma相的析出，降低奥氏体不锈钢的韧性和加工性能。因此，Mo元素控制在0-5％。

N：N一种强奥氏体化元素，能够扩大奥氏体相区，增加奥氏体稳定性。因此能够替代Ni元素，降低成本。N与C类似，有很强的固溶强化作用，能够提高持久和蠕变强度。但是N含量过高会形成Cr₂N,降低高氮奥氏体不锈钢的强度和韧性以及耐蚀性，而且会在焊接时逸出，形成气孔。因此N含量控制在0.2-0.95％。

Mn：Mn是一种奥氏体化元素，能扩大奥氏体相区，稳定奥氏体。Mn替代Ni降低成本。Mn能够脱氧，脱硫，降低焊接热裂敏感性，能够增加N的固溶度，因此需要根据N含量来调整Mn含量，成分范围在5-21％。

下面通过实施例对本发明进行进一步说明：

表1、表2为本发明的三个实施例与比较例的具体配比及制备的焊丝的性能对比：

表1实施例中高氮奥氏体不锈钢焊丝的化学成分(百分含量)。

	C	S	P	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	N
										实施例1	0.071	0.0047	0.013	0.832	7.28	21.56	7.42	<0.01	0.35
实施例2	0.072	0.0052	0.012	0.430	13.12	19.09	0.106	1.85	0.65
										实施例3	0.033	0.0005	<0.01	0.118	16.08	22.11	1.25	0.912	0.84
比较例	0.025	0.0032	0.012	0.482	6.50	20.12	17.02	4.35	0.15

表2实施例高氮奥氏体不锈钢熔敷金属力学性能测试结果

	抗拉强度/MPa	室温冲击吸收功/J	-40℃冲击吸收功/J
				实施例1	910	104	75
实施例2	936	103	81
				实施例3	960	109	104
比较例	775	112	108

可以看到，本发明实施例1、2、3中氮元素含量比比较例高，而比较例中的镍元素含量较高，实施例1、2、3制备的高氮奥氏体不锈钢焊丝的抗拉强度>900MPa，室温冲击吸收功>90J，-40℃冲击吸收功不低于75J；而比较例中，氮元素含量0.15％，添加了大量的镍元素来保证奥氏体稳定性和低温冲击韧性，但是抗拉强度只有775MPa，远远低于本发明实施例。

结论：本发明制备的焊丝适用于熔化极和非熔化极气体保护焊，能够用于高氮奥氏体不锈钢的焊接，特别是对低温冲击韧性有要求的奥氏体不锈钢的焊接，也可用于堆焊作为其他钢铁材料的耐蚀层。

Claims

1.一种高强高韧高氮奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于：该焊丝的合金成分按重量百分比为：C<0.1％，S<0.02％，P<0.03％，Si：0.1-0.9％，Mn：5-21％，Cr：15-23％，Ni：0-8％，Mo：0-5％，N：0.2-0.95％，Fe为余量，其他杂质<0.1％。

2.根据权利要求1所述的高强高韧高氮奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于：所述焊丝的尺寸为Φ1.1～1.3mm。

3.一种根据权利要求1所述的高强高韧高氮奥氏体不锈钢焊丝的制备方法，其特征在于：按照焊丝的合金成分配比进行配料，感应炉冶炼加电渣重熔，将高氮奥氏体不锈钢焊丝合金铸锭进行常规的锻造、轧制、多道次在线退火、酸洗和冷拉拔，最终制成直径Φ1.1～1.3mm的高氮奥氏体不锈钢焊丝。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述焊丝的合金成分中的氮元素是以氮化物的形式加入，其余元素以合金或纯金属形式加入。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述不锈钢焊丝合金铸锭在锻造前先在大气环境下使用感应炉冶炼外加电渣重熔处理，使得焊丝中的氮含量为大气下氮元素在奥氏体不锈钢中的平衡溶解度。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述制备的高氮奥氏体不锈钢焊丝采用半自动MIG焊焊接方法，板厚20mm，氩气作为保护气体进行焊接，焊接电流：200-280A，焊接电压：25-28V，焊接速度：180-220mm/min，气流量：15-25L/min，层间温度<150℃。