CN103706960A

CN103706960A - 一种控铁素体的消应力热处理的不锈钢焊条

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Publication number: CN103706960A
Application number: CN201310676373.6A
Authority: CN
Inventors: 袁宁; 刘奇望; 蒋勇; 赵建仓; 简仁露; 朱平; 王淦刚; 匡艳军; 邱振生; 杨春乐; 邓小云
Original assignee: GUANGDONG PROVINCE CHINA GUANGDONG NUCLEAR POWER ENGINEERING Co Ltd; JIANGSU SUZHOU NUCLEAR POWER RESEARCH INSTITUTE Co Ltd; SICHUAN ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc
Current assignee: GUANGDONG PROVINCE CHINA GUANGDONG NUCLEAR POWER ENGINEERING Co Ltd; JIANGSU SUZHOU NUCLEAR POWER RESEARCH INSTITUTE Co Ltd; SICHUAN ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: CN103706960B

Abstract

本发明公开了一种控铁素体的消应力热处理的不锈钢焊条，属于焊接材料领域。由焊芯和裹覆于焊芯表面的药粉组成，其中药粉重量为焊芯重量的35-45%，药粉成分重量比为：金红石12-14％、大理石2.5-4.5％、白云石1-2％、钾长石2-3.5％、金属铬8-10%、电解锰1-1.5%、云母1-2.5％、纯碱0.16-0.24%、镍粉2.5-4.5％、氮化铬铁0.4-1.2%。焊芯包括以下成分：碳≤0.015%、铬19.5-20.0%、镍9.6-10.6%、钼≤0.20%、锰1.5-2.5%、硅≤0.30%、磷≤0.010％、硫≤0.003％、氮≤0.025％、铜≤0.010％、钴≤0.020％、钒≤0.080％，其余量为Fe及杂质。本发明的有益效果在于：焊条中铁素体含量适宜，焊缝金属铁素体含量为12%以内；经消应力热处理后，焊缝金属具有优良的力学性能，焊缝金属抗拉强度可达520Mpa，断后伸长率可达30%，V型冲击功平均值为60J，完全满足工程所需。

Description

一种控铁素体的消应力热处理的不锈钢焊条

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，尤其是一种用于核电主设备异种钢过渡层堆焊工艺的，通过控制铁素体含量，对熔敷金属进行消应力热处理的不锈钢焊条。

背景技术

根据美国三哩岛核电站和切尔诺贝利核电站等第二代核电站事故的经验教训，美国和欧洲核电公司规范了第三代核电站的设计技术基础，对先进轻水堆ALWR提出非常严格的要求。例如：非能动AP1000型核电是世界市场上现有的最安全、最先进，唯一得到美国核管会（FDA）最后设计批准的新三代⁺核电站。AP1000型的核岛主设备设计工作温度323.9℃（实际给水温度为226.7℃）以及蒸汽发生器设计压力为8.27MPa，具有至少72小时内，不需要操作员干预；严重事故条件下，安全壳有足够的设计裕量等技术特点。随着我国经济的快速发展，对清洁能源需求越来越大，作为清洁能源的核能以及国家核战略的需要，引进消化核电站是必然趋势。随着第三、四代核电设备国产化的应用，也带动了核电焊接材料的研发及应用。在此背景下，研发了不锈钢E309L-16焊条，主要作为第三代核电的核岛主设备异种钢过渡层的堆焊焊接材料，也可以作为合成纤维、石油化工等设备的过渡层堆焊焊材。

基于核岛主设备安全性出发，对核岛主设备过渡层用的不锈钢E309L-16焊条提出了更高的技术要求，即焊缝经610℃×16h、610℃×40h热处理后，应具有优良的力学性能。熔敷金属铁素体含量的多少对其热处理后的力学性能影响很大，所以，针对该焊材用在核岛主设备上，重点以不锈钢E309L-16焊条的热处理态的熔敷金属为研究对象，在焊态下熔敷金属铁素体含量分别为16.4%、12%、10.4%以及8%时，经610℃×40h热处理以及延长热处理时间后，采用常规的力学性能试验及组织微观分析，综合评价其力学性能，为核岛主设备的过渡层选用焊接材料提供试验依据。

随着熔敷金属铁素体含量越高，熔敷金属经过610℃×40h热处理后，抗拉强度和屈服强度有增高的趋势，但增高不明显。伸长率和冲击吸收能量有降低的趋势。当焊态的熔敷金属铁素体含量超过12.0%时，经610℃×40h热处理后，冲击吸收能量显著降低。

不同铁素体含量的熔敷金属经610℃×40h热处理后，抗拉强度比焊态的熔敷金属抗拉强度略高，并均随焊态的熔敷金属铁素体含量增加，而略有增高，屈服强度明显低于焊态的熔敷金属屈服强度，并均随焊态的熔敷金属铁素体含量增加而增高。

铁素体含量在16.4%时，610℃×40h热处理态的熔敷金属冲击吸收能量明显低于焊态的熔敷金属冲击吸收能量。铁素体含量在≤12.0%时，610℃×40h热处理态和焊态对熔敷金属冲击吸收能量影响不显著。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种不锈钢焊条，通过对熔敷金属有害化学元素、微合金以及熔敷金属铁素体含量的精确控制，经过消应力热处理后，熔敷金属的理化性能指标达到设计要求。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种控铁素体的消应力热处理的不锈钢焊条，采用水玻璃混合药粉后包裹不锈钢焊芯而成，所述药粉组成成分以重量百分比计为：金红石12-14％、大理石2.5-4.5％、白云石1-2％、钾长石2-3.5％、金属铬8-10%、电解锰1-1.5%、云母1-2.5％、纯碱0.16-0.24%、镍粉2.5-4.5％、氮化铬铁0.4-1.2%。所述不锈钢焊芯组成成分以重量百分比计为：碳≤0.015%、铬19.5-20.0%、镍9.6-10.6%、钼≤0.20%、锰1.5-2.5%、硅≤0.30%、磷≤0.010％、硫≤0.003％、氮≤0.025％、铜≤0.010％、钴≤0.020％、钒≤0.080％、其他≤0.5％。

作为优选，所述药粉占不锈钢焊芯的重量百分比为35%-49%。

作为优选，所述不锈钢焊条直径为6.8mm。

作为优选，所述药粉组成成分以重量百分比计为：

金红石13.5％、大理石4.2％、白云石1.5％、钾长石3％、金属铬9.5%、电解锰1.2%、云母2％、镍粉4％、氮化铬铁0.4%。

作为优选，所述药粉组成成分以重量百分比计为：

金红石13.5％、大理石4.2％、白云石1.5％、钾长石3％、金属铬9.8%、电解锰1.2%、云母2％、镍粉4％、氮化铬铁0.4%。

作为优选，所述药粉组成成分以重量百分比计为：

金红石13.5％、大理石4.2％、白云石1.5％、钾长石3％、金属铬9.8%、电解锰1.2%、云母2％、镍粉4％、氮化铬铁0.48%。

作为优选，所述所述药粉中还含有水玻璃，且水玻璃重量比为药粉总重量的18-20％；所述水玻璃的模数为3.1且浓度为37-39波美度。

本发明原理为：不锈钢焊条中各种金属和非金属元素对铁素体的影响。

C、N使焊条焊缝中铁素体降低。C在奥氏体不锈钢中是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体的元素，C是一种间隙元素，通过固溶强化可显著提高奥氏体不锈钢的强度。但在某些条件下（如焊接或经450-850℃加热），C可与钢中的Cr形成Cr₂₃C₆型碳化物，从而导致局部铬的贫化，使耐晶间腐蚀性能大幅下降，特别是热处理后，焊缝的塑韧性会降低，甚至会出现脆断现象。焊缝C含量主要从焊芯和药皮涂料的成份加以控制。再加之本焊条属于核级材料，C的百分含量也就必须控制在较低水平。焊芯的含C量控制非常关键，当C元素含量低于0.03%时，不锈钢的抗晶间腐蚀能力达到最好，并有良好的塑韧性。当然焊芯的C越低越好，不过由于目前国内冶炼水平的限制，只能将C尽量控制在较低水平（0.015%以下）。N的有利作用表现为：N非常强烈地形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区，提高奥氏体钢的抗氢脆能力。适量的氮含量，焊态和热处理态的焊缝均具有良好的力学性能。但是，过量的N会带来气孔、偏析及脆性氮化物等不利影响，且氮大部分溶解于奥氏体晶内时，会减少焊缝金属的铁素体含量，当铁素体低于某一极限值时，焊缝将产生裂纹和脆断。因此焊材设计应考虑使电弧气氛氮减少，尽量减少焊接溶池中的N含量。

S、P使焊缝性能的稳定性降低，S的有害作用主要是降低奥氏体不锈钢的热塑性，这与高温FeMnS或（Fe、Mn）S沿晶界沉淀有关，同时S降低奥氏体不锈钢的耐蚀性，这主要是形成的MnS易熔于酸性氯化物溶液，常成为腐蚀源导致耐点腐蚀和缝隙腐蚀性能显著降低，高硫含量与镍等形成低熔点物，易导致焊缝开裂；P是不锈钢中的有害元素，磷对不锈钢的主要危害是恶化了钢的抗应力腐蚀裂纹敏感性和抗焊接腐蚀裂纹性,这与磷沿晶界偏聚有关。因此，控制S、P的含量也是提高焊缝抗裂性能的一种方法。

Si可以提高焊缝金属抗氧化性，增强抗应力腐蚀能力。

Mn主要作为脱氧剂和合金剂而加入焊条药皮中，它们在焊缝金属中以固溶的形式存在。Mn能扩大奥氏体相区，推迟γ-α的转变。在焊接过程中，锰氧化时放出大量热能，提高熔池温度，有利于冶金反应。加入适量的锰铁具有加快焊接反应速度的作用，改善熔池流动性，并且增强焊缝金属抗热裂性能。

Cr是奥氏体不锈钢主要的合金元素，它是钢种的铁素体形成元素。Cr对奥氏体不锈钢性能影响最大的是耐蚀性能。

Ni是奥氏体不锈钢主要的奥氏体形成元素，使钢具有良好的塑韧性和低温韧性，并且具有优良的冷热加工工艺性能和焊接性能。

Mo是强碳化物形成元素，常用以提高焊缝强度和改善韧性，具有明显地沉淀强化作用；焊缝金属中适量的Mo-Cu配合可以增强焊缝金属防点蚀和抗有机酸能力。因此在满足力学性能的前提下，将Mo、Cu控制在标准要求的范围内。

Ti是强碳化物形成元素，是显著强化铁素体元素,可提高焊缝抗晶间腐蚀能力。Ti的加入既可细化晶粒提高焊缝韧性，又可因其固溶于铁素体的脆化作用，抵消细化晶粒对焊缝韧性的有利影响，所以应合理控制Ti在焊缝金属中的含量。

Co和Ni、Mn一样，和铁形成固溶体。Co元素可以强化钢的基体，在焊缝金属中含量过高，对焊缝金属塑性和冲击韧性不利，应严格控制。

δ铁素体在奥氏体不锈钢中铁素体含量（>12%）过高时，经消应力热处理后，δ→σ的转变将非常显著，即铁素体转变为脆性相将非常显著，导致塑韧性变差或甚至出现脆断现象。

本发明的有益效果：用本发明焊条焊接后熔敷金属：抗拉强度≥520Mpa、屈服强度≥345Mpa、延伸率≥30%、室温冲击功≥50J、热处理后室温冲击功≥50J，有效地提高了焊缝整体性能，解决了焊缝金属室温韧性不足的问题；而且全位置焊接工艺性能良好，电弧稳定、飞溅小、脱渣容易、焊缝成型美观、全位置可操作性好。本发明焊条生产工艺简单、合金***设计合理，焊条综合成本低。本发明有一定比例的造渣剂、造气剂、脱渣剂和稳弧剂，从而保证焊缝有良好的机械性能，且电弧稳定燃烧，飞溅小、脱渣容易、焊缝成型、全位置可操作性好。特别适合应用在第三代核电的核岛主设备异种钢过渡层的堆焊焊接材料，以及合成纤维、石油化工等设备的过渡层堆焊领域。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于具体说明本发明。

实施例1

选用直径为4.0mm的焊芯，其化学成分碳≤0.015%、铬19.5-20.0%、镍9.6-10.6%、钼≤0.20%、锰1.5-2.5%、硅≤0.30%、磷≤0.010％、硫≤0.003％、氮≤0.025％、铜≤0.010％、钴≤0.020％、钒≤0.080％、其他≤0.5％。药粉占焊芯重量的40%，其中的药粉组成重量百分比为金红石13.5％、大理石4.2％、白云石1.5％、钾长石3％、金属铬9.5%、电解锰1.2%、云母2％、镍粉4％、氮化铬铁0.48%。将含有药粉总重量18-20％的钾钠水玻璃加入上述药粉中，混合均匀，用油压机压涂于焊芯上，不锈钢焊条经24小时自然晾干，然后烘干而成。

焊接参数：I=140A、U=20-30V、焊接速度15-20cm/min、焊后热处理：615℃×40h

其熔敷金属化学成分及铁素体含量（wt-%）如下表：

C	Mn	Si	S	P	Cr	Ni	Mo
								0.018	0.87	0.53	0.011	0.0087	22.76	12.50	0.02
N	Co	Cu	V	Nb+Ta	Ti	δ
								0.059	0.0085	0.0030	0.038	0.032	0.0095	10.2

其熔敷金属机械性能如下表：

状态

抗拉强度

屈服强度

延伸率

冲击功Kv2

	Rm（MPa）	Rp0.2（MPa）	A（%）	室温（J）
					焊态	533	449	39	63
615℃×40h	545	387	37	62

实施例2

选用直径为4.0mm的焊芯，其化学成分碳≤0.015%、铬19.5-20.0%、镍9.6-10.6%、钼≤0.20%、锰1.5-2.5%、硅≤0.30%、磷≤0.010％、硫≤0.003％、氮≤0.025％、铜≤0.010％、钴≤0.020％、钒≤0.080％、其他≤0.5％。药粉占焊芯重量的40%，其中的药粉组成重量百分比为金红石13.5％、大理石4.2％、白云石1.5％、钾长石3％、金属铬9.8%、电解锰1.2%、云母2％、镍粉4％、氮化铬铁0.48%。将含有药粉总重量18-20％的钾钠水玻璃加入上述药粉中，混合均匀，用油压机压涂于焊芯上，不锈钢焊条经24小时自然晾干，然后烘干而成。

其熔敷金属化学成分及铁素体含量（wt-%）如下表：

C	Mn	Si	S	P	Cr	Ni	Mo
								0.020	0.88	0.53	0.010	0.0092	22.95	12.53	0.018
N	Co	Cu	V	Nb+Ta	Ti	δ
								0.051	0.010	0.0032	0.040	0.040	0.011	11

其熔敷金属机械性能如下表：

实施例3

选用直径为4.0mm的焊芯，其化学成分碳≤0.015%、铬19.5-20.0%、镍9.6-10.6%、钼≤0.20%、锰1.5-2.5%、硅≤0.30%、磷≤0.010％、硫≤0.003％、氮≤0.025％、铜≤0.010％、钴≤0.020％、钒≤0.080％、其他≤0.5％。药粉占焊芯重量的40%，其中的药粉组成重量百分比为金红石13.5％、大理石4.2％、白云石1.5％、钾长石3％、金属铬9.8%、电解锰1.2%、云母2％、镍粉4％、氮化铬铁0.4%。将含有药粉总重量18-20％的钾钠水玻璃加入上述药粉中，混合均匀，用油压机压涂于焊芯上，不锈钢焊条经24小时自然晾干，然后烘干而成。

其熔敷金属化学成分及铁素体含量（wt-%）如下表：

C	Mn	Si	S	P	Cr	Ni	Mo
								0.019	0.97	0.55	0.0095	0.0079	23.02	12.48	0.019
N	Co	Cu	V	Nb+Ta	Ti	δ
								0.045	0.095	0.0036	0.039	0.039	0.012	12

其熔敷金属机械性能如下表：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种控铁素体的消应力热处理的不锈钢焊条，由焊芯和裹覆于焊芯表面的药粉组成，其特征在于：所述药粉组成成分以重量百分比计为：金红石12-14％、大理石2.5-4.5％、白云石1-2％、钾长石2-3.5％、金属铬8-10%、电解锰1-1.5%、云母1-2.5％、纯碱0.16-0.24%、镍粉2.5-4.5％、氮化铬铁0.4-1.2%；所述焊芯组成成分以重量百分比计为：碳≤0.015%、铬19.5-20.0%、镍9.6-10.6%、钼≤0.20%、锰1.5-2.5%、硅≤0.30%、磷≤0.010％、硫≤0.003％、氮≤0.025％、铜≤0.010％、钴≤0.020％、钒≤0.080％、其他≤0.5％。

2.根据权利要求1所述的一种控铁素体的消应力热处理的不锈钢焊条，其特征在于：所述药粉占焊芯的重量百分比为35%-45%。

3.根据权利要求1所述的一种控铁素体的消应力热处理的不锈钢焊条，其特征在于：所述焊芯直径为4.0mm、不锈钢焊条直径为6.4-6.8mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种控铁素体的消应力热处理的不锈钢焊条，其特征在于：所述药粉组成成分以重量百分比计为：金红石13.5％、大理石4.2％、白云石1.5％、钾长石3％、金属铬9.5%、电解锰1.2%、云母2％、镍粉4％、氮化铬铁0.4%。

5.根据权利要求1或2所述的一种控铁素体的消应力热处理的不锈钢焊条，其特征在于：所述药粉组成成分以重量百分比计为：金红石13.5％、大理石4.2％、白云石1.5％、钾长石3％、金属铬9.8%、电解锰1.2%、云母2％、镍粉4％、氮化铬铁0.4%。

6.根据权利要求1或2所述的一种控铁素体的消应力热处理的不锈钢焊条，其特征在于所述药粉组成成分以重量百分比计为：金红石13.5％、大理石4.2％、白云石1.5％、钾长石3％、金属铬9.8%、电解锰1.2%、云母2％、镍粉4％、氮化铬铁0.48%。

7.根据权利要求1所述的一种控铁素体的消应力热处理的不锈钢焊条，其特征在于：所述药粉中还含有水玻璃，且水玻璃重量比为药粉总重量的18-20％；所述水玻璃的模数为3.1且浓度为37-39波美度。