CN111136403A

CN111136403A - 一种高韧性17-4ph沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝

Info

Publication number: CN111136403A
Application number: CN202010007008.6A
Authority: CN
Inventors: 李国栋; 孔维; 栗卓新; 孟晓亮
Original assignee: Beijing Akewei Welding Technology Co Ltd; Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing Akewei Welding Technology Co Ltd; Beijing University of Technology
Priority date: 2020-01-03
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2040-01-03
Also published as: CN111136403B

Abstract

一种高韧性17‑4PH沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，属于材料加工工程领域，主要用于17‑4PH沉淀硬化不锈钢的焊接和堆焊。采用430不锈钢带作为包覆层，粉芯中合合金成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分含量为17－25％，金属镍粉的质量百分含量为13－18％，电解金属锰的质量百分含量为1－3％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为0－5％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为0.5－2％，纯铜粉的质量百分比为11－15％，45％硅铁的质量百分比为0－2％。碳酸钠的质量百分比为2－4％，钛酸钾的质量百分比为2－4％。余量为还原铁粉。药芯焊丝的填充率为28－35％。焊接接头具有优良的韧性和力学性能。

Description

一种高韧性17-4PH沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝

技术领域

本发明属于金属芯焊丝领域，具体涉及一种17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，主要用于17-4PH沉淀硬化不锈钢的焊接，以及阀门、汽轮机转轮等表面的耐蚀耐磨堆焊场合。

背景技术

17-4PH是一种沉淀硬化马氏体不锈钢，相当于中国牌号0Cr17Ni4CuNb。17-4PH沉淀硬化不锈钢强度水平相当于Cr13马氏体不锈钢，耐蚀性相当于18－8型奥氏体不锈钢，具有良好的冷、热加工性能和铸造性能，广泛应用于飞机、发动机、导弹、化工设备、核反应堆、汽轮机等部件中。17-4PH不锈钢在国外应用比较多，但在我国应用时间还不长，应用也相对比较少。

17-4PH沉淀硬化不锈钢目前焊接采用的方法主要有激光焊、氩弧焊、手工电弧焊和气保护焊。

17-4PH沉淀硬化不锈钢采用激光焊时，通常为自熔焊接，并不采用填充材料。激光焊也可以采用粉末进行焊接，但主要用于堆焊的场合，但就堆焊而言，由于激光斑点一般较小，扫描速度较慢，仅适合于堆焊层厚度不超过3mm的场合。激光焊也可以采用粉末材料焊接17-4PH不锈钢，但对焊缝的装配间隙要求非常严格，对工装夹具提出了较高要求，从而增加了工作量，目前仅适用于精密零部件的焊接。此外，由于激光焊设备价格昂贵，维护成本高，使得其应用受到一定限制。

17-4PH沉淀硬化不锈钢采用手工电弧焊时，所用焊接材料为E0-Cr16-Ni5-Mo-Cu4-Nb焊条，由于焊条劳动强度大，焊接效率低，综合焊接成本高，主要用于部分维修场合，不适合于提高生产效率的自动焊场合。

17-4PH沉淀硬化不锈钢采用氩弧焊和气保护焊时，主要焊接材料为实心焊丝。但这类实心焊丝在制造过程中，由于17-4PH不锈钢中马氏体组织的存在，硬度比较高，拉拔过程中很容易产生断丝现象。这类实心焊丝在制造过程中，需要反复拉拔，反复退火才能制得所需的丝材。

此外，17-4PH沉淀硬化不锈钢采用实心焊丝焊接时，由于制造实心焊丝所用盘条一般来自钢厂，其化学成份不能调整，焊缝中各组织比例不能调控。当焊缝中产生一定数量的δ-铁素体时，虽可改善钢的焊接性能，提高钢的塑性，但在17-4PH进行机加工时，过量的δ-铁素体可沿变形方向形成条状，使钢的力学性能降低，给17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢的焊接带来一定程度的困难，也给17-4PH不锈钢的应用带来的一定的限制。另外，实心焊丝中奥氏体形成元素过多时，在焊缝冷却过程中，会形成残余奥氏体，使焊接接头的强度下降。

发明内容：

为克服现有技术不足，本发明研制了一种17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢焊接用金属芯焊丝。该金属芯焊丝可用于氩弧焊、二氧化碳气体保护焊和混合气体保护焊。

一种17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，采用430不锈钢带作为包覆层，粉芯中各合金成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分含量为17－25％，金属镍粉的质量百分含量为13－18％，电解金属锰的质量百分含量为1－3％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为0－5％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为0.5－2％，纯铜粉的质量百分比为11－15％，45％硅铁的质量百分比为0－2％。碳酸钠的质量百分比为2－4％，钛酸钾的质量百分比为2－4％。余量为还原铁粉。

本发明430钢带的宽度为10mm，厚度范围为0.3－0.4mm。金属芯焊丝的填充率为28－35％。焊丝的直径范围为1.2－3.2mm。焊丝使用焊接电流范围为50－300A，焊接电压范围为22－35V。采用氩弧焊时，保护气体为纯氩气体，保护气体流量为10－25L/min。采用气保护焊时，焊接保护气体为100％CO₂气体或80％Ar+20％CO₂气体，保护气体流量为10－25L/min。

采用430不锈钢钢带制作的金属粉芯药芯焊丝，其熔敷金属的化学成份范围包括如下(质量百分含量)：

C：0.02-0.04％，Si：0.4-0.6％，Mn：0.5-2.5％，S≤0.030，P≤0.030，Cr：16-16.75％，Ni：4.5-5.0％，Cu:3.25-4.0％，Mo≤0.75，Nb:0.15-0.3％。

采用430不锈钢钢带制作的金属粉芯药芯焊丝，其熔敷金属的铁素体含量范围为3－5％。

本发明药芯焊丝中各组份成分及其作用如下：

金属铬粉：起到渗合金作用，提高焊接接头的硬度和强度，主要作用是提高钢的抗氧化性和耐蚀性，保证焊缝在室温和高温有较高的力学性能。

金属镍粉：起到渗合金作用，稳定和促进奥氏体形成元素，提高奥氏体的稳定性，提高钢的高温强度、抗蠕变性能和耐高温性能，保证焊缝在室温和高温有较高的力学性能。镍既能提高钢的强度，又能提高韧性。

电解金属锰粉：锰为稳定和促进奥氏体形成元素，可提高钢的强度。同时，锰还有脱氧和固定硫的作用，锰与硫形成熔点高的MnS，可防止FeS的形成，从而防止钢的热脆。

45#硅铁粉：焊接过程中脱氧，增加熔池金属流动性，提高钢的耐酸和耐热性能。

钼铁粉：使晶粒细化，提高焊缝抗裂性能。

铌铁粉：在焊接过程中铌铁可与碳结合，生成NbC，呈细小颗粒状分布于基体中，在奥氏体化温度区间，NbC可阻止晶粒长大。铌还可提高钢的回火抗力，以提高钢的塑性和韧性，而不显著降低钢的强度。

还原铁粉：向焊缝过渡金属，改善导电率。

碳酸钠：稳弧，焊接过程中可产生CO2气体，一方面可冷却焊缝金属，一方面可保护焊接熔池。

钛酸钾：稳弧，降低焊接过程中产生的飞溅。

本发明的有益效果：

本发明研制了一种用于17-4PH沉淀硬化不锈钢焊接用的氩弧焊和气体保护焊专用金属芯焊丝，可用于高温用314不锈钢的焊接。

本发明与17-4PH沉淀硬化不锈钢焊接用手工电焊条相比，可连续焊接，可用于半自动或自动化的生产设备，焊接速度更快，且焊后不用敲渣，提高了生产效率，降低了劳动强度，焊接综合成本更低。

本发明与17-4PH实心焊丝相比，金属芯中化学成分调整更加容易，制作也更加方便。在焊接过程中，熔化速度更快，焊接速率更快，焊接生产效率更高。由于加入了一定的稳弧剂，焊接飞溅更小，焊接电弧更稳，电弧声音更为柔和。

本发明与17-4PH沉淀硬化不锈钢用的手工电焊条和实心焊丝比，熔敷金属中铁素体的含量控制在3－5％之间，提高了焊接接头的塑性性能，改善了马氏体沉淀硬化不锈钢的焊接性能，同时不会降低焊接接头和母材的加工性能。

本发明与17-4PH沉淀硬化不锈钢用的手工电焊条和实心焊丝相比，熔敷金属中不会产生残余奥氏体，不会使焊接接头的强度降低。

具体实施方式

采用常规药芯焊丝生产线制造自保护不锈耐热药芯焊丝。先将钢带轧成U形，再向U形槽中加入配置好的金属粉，然后将U形槽合口，使药粉包裹其中。

选取本发明中的金属粉芯药芯焊丝具体实施。焊接母材选用17-4PH沉淀硬化不锈钢。焊接坡口及焊缝试样按照GB/T17854-199和GB4334.5-90进行选取。具体实施例如下：

实施例1、选用10×0.3(宽度为10mm，厚度为0.3mm)的430不锈钢带，填充率为28％。经拉拔，减径后得到直径为1.2mm的焊丝。

粉芯中各成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分含量为25％，金属镍粉的质量百分含量为18％，电解金属锰的质量百分含量为3％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为5％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为2％，纯铜粉的质量百分比为15％，45％硅铁的质量百分比为2％。碳酸钠的质量百分比为3％，钛酸钾的质量百分比为4％。余量为还原铁粉。

焊接时采用的焊接电流为50A，焊接电压为22V。焊接方法采用氩弧焊。焊接保护气体为纯氩气体，保护气体流量为10L/min。

实施例2、选用10×0.3(宽度为10mm，厚度为0.3mm)的430不锈钢带，填充率为30％。经拉拔，减径后得到直径为1.6mm的焊丝。

粉芯中各合金成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为20％，金属镍粉的质量百分比为16％，电解金属锰的质量百分含量为2％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为4％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为1％，纯铜粉的质量百分比为13％，45％硅铁的质量百分比为0％。碳酸钠的质量百分比为3％，钛酸钾的质量百分比为4％。余量为还原铁粉。

焊接时采用的焊接电流为90A，焊接电压为23V。焊接方法采用氩弧焊。焊接保护气体为纯氩气体，保护气体流量为15L/min。

实施例3、选用10×0.3(宽度为10mm，厚度为0.3mm)的430不锈钢带，填充率为35％。经拉拔，减径后得到直径为3.2mm的焊丝。

粉芯中各合金成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为17％，金属镍粉的质量百分比为13％，电解金属锰的质量百分含量为1％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为3％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为0.5％，纯铜粉的质量百分比为11％，45％硅铁的质量百分比为1％。碳酸钠的质量百分比为2％，钛酸钾的质量百分比为2％。余量为还原铁粉。

焊接时采用的焊接电流为120A，焊接电压为24V。焊接方法采用氩弧焊。焊接保护气体为纯氩气体，保护气体流量为25L/min。

实施例4、选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢带，填充率为28％。经拉拔，减径后得到直径为1.2mm的焊丝。

粉芯中各成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为25％，金属镍粉的质量百分比为18％，电解金属锰的质量百分含量为3％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为4％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为2％，纯铜粉的质量百分比为14％，45％硅铁的质量百分比为2％。碳酸钠的质量百分比为4％，钛酸钾的质量百分比为3％。余量为还原铁粉。

焊接时采用的焊接电流为160A，焊接电压为26V。焊接方法采用气保护焊。焊接保护气体为纯CO2气体，保护气体流量为10L/min。

实施例5、选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢带，填充率为32％。经拉拔，减径后得到直径为1.6mm的焊丝。

粉芯中各成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为24％，金属镍粉的质量百分比为17％，电解金属锰的质量百分含量为2％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为1％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为1.5％，纯铜粉的质量百分比为12％，45％硅铁的质量百分比为1％。碳酸钠的质量百分比为3％，钛酸钾的质量百分比为3％。余量为还原铁粉。

焊接时采用的焊接电流为180A，焊接电压为28V。焊接方法采用气保护焊。焊接保护气体为纯CO2气体，保护气体流量为15L/min。

实施例6、选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢带，填充率为35％。经拉拔，减径后得到直径为1.6mm的焊丝。

粉芯中各成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为17％，金属镍粉的质量百分比为13％，电解金属锰的质量百分含量为1％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为0％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为0.5％，纯铜粉的质量百分比为14％，45％硅铁的质量百分比为0％。碳酸钠的质量百分比为3％，钛酸钾的质量百分比为2％。余量为还原铁粉。

焊接时采用的焊接电流为300A，焊接电压为36V。焊接方法采用气保护焊。焊接保护气体为纯CO2气体，保护气体流量为25L/min。

实施例7、选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢带，填充率为32％。经拉拔，减径后得到直径为1.2mm的焊丝。

粉芯中各成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为19％，金属镍粉的质量百分比为14％，电解金属锰的质量百分含量为2％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为2％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为1％，纯铜粉的质量百分比为13％，45％硅铁的质量百分比为1％。碳酸钠的质量百分比为2％，钛酸钾的质量百分比为4％。余量为还原铁粉。

焊接时采用的焊接电流为180A，焊接电压为28V。焊接方法采用气保护焊。焊接保护气体为80％Ar+20％CO2气体，保护气体流量为10L/min。

实施例8、选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢带，填充率为32％。经拉拔，减径后得到直径为1.6mm的焊丝。

粉芯中各成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为18％，金属镍粉的质量百分比为15％，电解金属锰的质量百分含量为2％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为2％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为1％，纯铜粉的质量百分比为14％，45％硅铁的质量百分比为2％。碳酸钠的质量百分比为3％，钛酸钾的质量百分比为3％。余量为还原铁粉。

焊接时采用的焊接电流为200A，焊接电压为30V。焊接方法采用气保护焊。焊接保护气体为80％Ar+20％CO2气体，保护气体流量为15L/min。

实施例9、选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢带，填充率为32％。经拉拔，减径后得到直径为1.6mm的焊丝。

粉芯中各成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为20％，金属镍粉的质量百分比为17％，电解金属锰的质量百分含量为2％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为3％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为1％，纯铜粉的质量百分比为11％，45％硅铁的质量百分比为1％。碳酸钠的质量百分比为2％，钛酸钾的质量百分比为3％。余量为还原铁粉。

焊接时采用的焊接电流为220A，焊接电压为32V。焊接方法采用气保护焊。焊接保护气体为80％Ar+20％CO2气体，保护气体流量为25L/min。

对比例、焊材为采用17-4PH沉淀硬化不锈钢用实心焊丝ER630，直径为1.2mm。焊接电流为200A，焊接电压为30V。焊接保护气体为CO2气体，保护气体流量为15L/min。

焊后对焊接接头进行热处理，热处理工艺为：1050℃固溶处理，空冷；620℃时效处理4小时。熔敷金属化学成分按照GB/T17854-1999进行测试，焊接接头力学性能按照GB228-76进行测试。熔敷金属化学成分见表1。焊缝力学性能测试结果见表2。从上述试验结果可以看出，焊接接头的性能完全符合GB(中国国家标准)的有关规定，并焊接接头具有良好的抗裂性能。

表1熔敷金属的化学成份(wt％)

表2焊接接头力学性能

Claims

1.一种17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，采用430不锈钢带作为包覆层，粉芯中合合金成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分含量为17－25％，金属镍粉的质量百分含量为13－18％，电解金属锰的质量百分含量为1－3％，钼铁(Mo％＝60％)的质量百分比为0－5％，铌铁(Nb％＝60％)的质量百分比为0.5－2％，纯铜粉的质量百分比为11－15％，45％硅铁的质量百分比为0－2％。碳酸钠的质量百分比为2－4％，钛酸钾的质量百分比为2－4％。余量为还原铁粉。

2.按照权利要求1所述的一种17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，药芯焊丝的填充率为28－35％。

3.按照权利要求1所述的一种17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，焊丝的直径范围为1.0－3.2mm。

4.权利要求1所述的一种17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，焊丝使用焊接电流范围为50－300A，焊接电压范围为22－35V；采用氩弧焊时，保护气体为纯氩气体，保护气体流量为10－25L/min；采用气保护焊时，焊接保护气体为100％CO₂气体或80％Ar+20％CO₂气体，保护气体流量为10－25L/min。

5.按照权利要求1所述的一种17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，采用430不锈钢钢带制作17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，430钢带的宽度为10mm,厚度为0.3－0.4mm,其熔敷金属的化学成份范围包括如下(质量百分含量)：

C:0.02-0.04％，Si：0.4-0.6％，Mn：0.5-2.5％，S≤0.030，P≤0.030，Cr：16-16.75％，Ni：4.5-5.0％，Cu:3.25-4.0％，Mo≤0.75，Nb:0.15-0.3％，余量为Fe。

6.按照权利要求1所述的一种17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，其熔敷金属的铁素体含量范围为3－5％。

7.按照权利要求1所述的一17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，用于17-4PH沉淀硬化不锈钢的焊接，以及阀门、汽轮机转轮等表面的耐蚀耐磨堆焊场合。