一種控鐵素體的消應力熱處理的不銹鋼焊條的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種控鐵素體的消應力熱處理的不銹鋼焊條，屬于焊接材料領域。由焊芯和裹覆于焊芯表面的藥粉組成，其中藥粉重量為焊芯重量的35-45%，藥粉成分重量比為：金紅石12-14％、大理石2.5-4.5％、白云石1-2％、鉀長石2-3.5％、金屬鉻8-10%、電解錳1-1.5%、云母1-2.5％、純堿0.16-0.24%、鎳粉2.5-4.5％、氮化鉻鐵0.4-1.2%。焊芯包括以下成分：碳≤0.015%、鉻19.5-20.0%、鎳9.6-10.6%、鉬≤0.20%、錳1.5-2.5%、硅≤0.30%、磷≤0.010％、硫≤0.003％、氮≤0.025％、銅≤0.010％、鈷≤0.020％、釩≤0.080％，其余量為Fe及雜質(zhì)。本發(fā)明的有益效果在于：焊條中鐵素體含量適宜，焊縫金屬鐵素體含量為12%以內(nèi)；經(jīng)消應力熱處理后，焊縫金屬具有優(yōu)良的力學性能，焊縫金屬抗拉強度可達520Mpa，斷后伸長率可達30%，V型沖擊功平均值為60J，完全滿足工程所需。
【專利說明】一種控鐵素體的消應力熱處理的不銹鋼焊條
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及焊接材料領域，尤其是一種用于核電主設備異種鋼過渡層堆焊工藝的，通過控制鐵素體含量，對熔敷金屬進行消應力熱處理的不銹鋼焊條。
【背景技術】
[0002]根據(jù)美國三哩島核電站和切爾諾貝利核電站等第二代核電站事故的經(jīng)驗教訓，美國和歐洲核電公司規(guī)范了第三代核電站的設計技術基礎，對先進輕水堆ALWR提出非常嚴格的要求。例如:非能動AP1000型核電是世界市場上現(xiàn)有的最安全、最先進，唯一得到美國核管會(FDA)最后設計批準的新三代+核電站。AP1000型的核島主設備設計工作溫度323.9 0C (實際給水溫度為226.7 V)以及蒸汽發(fā)生器設計壓力為8.27MPa，具有至少72小時內(nèi)，不需要操作員干預；嚴重事故條件下，安全殼有足夠的設計裕量等技術特點。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對清潔能源需求越來越大，作為清潔能源的核能以及國家核戰(zhàn)略的需要，引進消化核電站是必然趨勢。隨著第三、四代核電設備國產(chǎn)化的應用，也帶動了核電焊接材料的研發(fā)及應用。在此背景下，研發(fā)了不銹鋼E309L-16焊條，主要作為第三代核電的核島主設備異種鋼過渡層的堆焊焊接材料，也可以作為合成纖維、石油化工等設備的過渡層堆焊焊材。
[0003]基于核島主設備安全性出發(fā)，對核島主設備過渡層用的不銹鋼E309L-16焊條提出了更高的技術要求，即焊縫經(jīng)610°C X16h、610°C X40h熱處理后，應具有優(yōu)良的力學性能。熔敷金屬鐵素體含量的多少對其熱處理后的力學性能影響很大，所以，針對該焊材用在核島主設備上，重點以不銹鋼E309L-16焊條的熱處理態(tài)的熔敷金屬為研究對象，在焊態(tài)下熔敷金屬鐵素體含量分別為16.4%、12%、10.4%以及8%時，經(jīng)610°C X40h熱處理以及延長熱處理時間后，采用常規(guī)的力學性能試驗及組織微觀分析，綜合評價其力學性能，為核島主設備的過渡層選用焊接材料提供試驗依據(jù)。
[0004]隨著熔敷金屬鐵素體含量越高，熔敷金屬經(jīng)過610°C X 40h熱處理后，抗拉強度和屈服強度有增高的趨勢，但增高不明顯。伸長率和沖擊吸收能量有降低的趨勢。當焊態(tài)的熔敷金屬鐵素體含量超過12.0%時，經(jīng)610°C X40h熱處理后，沖擊吸收能量顯著降低。
[0005]不同鐵素體含量的熔敷金屬經(jīng)610°C X40h熱處理后，抗拉強度比焊態(tài)的熔敷金屬抗拉強度略高，并均隨焊態(tài)的熔敷金屬鐵素體含量增加，而略有增高，屈服強度明顯低于焊態(tài)的熔敷金屬屈服強度，并均隨焊態(tài)的熔敷金屬鐵素體含量增加而增高。
[0006]鐵素體含量在16.4%時，610°C X 40h熱處理態(tài)的熔敷金屬沖擊吸收能量明顯低于焊態(tài)的熔敷金屬沖擊吸收能量。鐵素體含量在< 12.0%時，610°C X40h熱處理態(tài)和焊態(tài)對熔敷金屬沖擊吸收能量影響不顯著。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種不銹鋼焊條，通過對熔敷金屬有害化學元素、微合金以及熔敷金屬鐵素體含量的精確控制，經(jīng)過消應力熱處理后，熔敷金屬的理化性能指標達到設計要求。
[0008]為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案為:一種控鐵素體的消應力熱處理的不銹鋼焊條，采用水玻璃混合藥粉后包裹不銹鋼焊芯而成，所述藥粉組成成分以重量百分比計為:金紅石12-14%、大理石2.5-4.5%、白云石1_2%、鉀長石2-3.5%、金屬鉻8_10%、電解錳 1-1.5%、云母 1-2.5%、純堿 0.16-0.24%、鎳粉 2.5-4.5%、氮化鉻鐵 0.4-1.2%。所述不銹鋼焊芯組成成分以重量百分比計為:碳≤0.015%、鉻19.5-20.0%、鎳9.6-10.6%、鑰≤0.20%、錳 1.5-2.5%、硅≤ 0.30%、磷≤ 0.010 %、硫≤ 0.003 %、氮≤ 0.025 %、銅≤0.010%、鈷≤ 0.020%、釩≤ 0.080%、其他≤ 0.5%。
[0009]作為優(yōu)選，所述藥粉占不銹鋼焊芯的重量百分比為35%_49%。
[0010]作為優(yōu)選，所述不銹鋼焊條直徑為6.8mm。
[0011]作為優(yōu)選，所述藥粉組成成分以重量百分比計為:
[0012]金紅石13.5%、大理石4.2%、白云石1.5 %、鉀長石3 %、金屬鉻9.5%、電解錳1.2%、云母2%、鎳粉4%、氮化鉻鐵0.4%。
[0013]作為優(yōu)選，所述藥粉組成成分以重量百分比計為:
[0014]金紅石13.5%、大理石4.2%、白云石1.5 %、鉀長石3 %、金屬鉻9.8%、電解錳1.2%、云母2%、鎳粉4%、氮化鉻鐵0.4%。
[0015]作為優(yōu)選，所述藥粉組成成分以重量百分比計為:
[0016]金紅石13.5 %、大理石4.2%、白云石1.5 %、鉀長石3 %、金屬鉻9.8%、電解猛
1.2%、云母2%、鎳粉4%、氮化鉻鐵0.48%。
[0017]作為優(yōu)選，所述所述藥粉中還含有水玻璃，且水玻璃重量比為藥粉總重量的18-20% ;所述水玻璃的模數(shù)為3.1且濃度為37-39波美度。
[0018]本發(fā)明原理為:不銹鋼焊條中各種金屬和非金屬元素對鐵素體的影響。
[0019]C、N使焊條焊縫中鐵素體降低。C在奧氏體不銹鋼中是強烈形成并穩(wěn)定奧氏體且擴大奧氏體的元素，C是一種間隙元素，通過固溶強化可顯著提高奧氏體不銹鋼的強度。但在某些條件下(如焊接或經(jīng)450-850°C加熱)，C可與鋼中的Cr形成Cr23C6型碳化物，從而導致局部鉻的貧化，使耐晶間腐蝕性能大幅下降，特別是熱處理后，焊縫的塑韌性會降低，甚至會出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象。焊縫C含量主要從焊芯和藥皮涂料的成份加以控制。再加之本焊條屬于核級材料，C的百分含量也就必須控制在較低水平。焊芯的含C量控制非常關鍵，當C元素含量低于0.03%時，不銹鋼的抗晶間腐蝕能力達到最好，并有良好的塑韌性。當然焊芯的C越低越好，不過由于目前國內(nèi)冶煉水平的限制，只能將C盡量控制在較低水平(0.015%以下)。N的有利作用表現(xiàn)為:N非常強烈地形成并穩(wěn)定奧氏體且擴大奧氏體相區(qū)，提高奧氏體鋼的抗氫脆能力。適量的氮含量，焊態(tài)和熱處理態(tài)的焊縫均具有良好的力學性能。但是，過量的N會帶來氣孔、偏析及脆性氮化物等不利影響，且氮大部分溶解于奧氏體晶內(nèi)時，會減少焊縫金屬的鐵素體含量，當鐵素體低于某一極限值時，焊縫將產(chǎn)生裂紋和脆斷。因此焊材設計應考慮使電弧氣氛氮減少，盡量減少焊接溶池中的N含量。
[0020]S、P使焊縫性能的穩(wěn)定性降低，S的有害作用主要是降低奧氏體不銹鋼的熱塑性，這與高溫FeMnS或(Fe、Mn) S沿晶界沉淀有關，同時S降低奧氏體不銹鋼的耐蝕性，這主要是形成的MnS易熔于酸性氯化物溶液，常成為腐蝕源導致耐點腐蝕和縫隙腐蝕性能顯著降低，高硫含量與鎳等形成低熔點物，易導致焊縫開裂#是不銹鋼中的有害元素，磷對不銹鋼的主要危害是惡化了鋼的抗應力腐蝕裂紋敏感性和抗焊接腐蝕裂紋性，這與磷沿晶界偏聚有關。因此，控制S、P的含量也是提高焊縫抗裂性能的一種方法。
[0021]Si可以提高焊縫金屬抗氧化性，增強抗應力腐蝕能力。
[0022]Mn主要作為脫氧劑和合金劑而加入焊條藥皮中，它們在焊縫金屬中以固溶的形式存在。Mn能擴大奧氏體相區(qū)，推遲y-α的轉(zhuǎn)變。在焊接過程中，錳氧化時放出大量熱能，提高熔池溫度，有利于冶金反應。加入適量的錳鐵具有加快焊接反應速度的作用，改善熔池流動性，并且增強焊縫金屬抗熱裂性能。
[0023]Cr是奧氏體不銹鋼主要的合金元素，它是鋼種的鐵素體形成元素。Cr對奧氏體不銹鋼性能影響最大的是耐蝕性能。 [0024]Ni是奧氏體不銹鋼主要的奧氏體形成元素，使鋼具有良好的塑韌性和低溫韌性，并且具有優(yōu)良的冷熱加工工藝性能和焊接性能。
[0025]Mo是強碳化物形成元素，常用以提高焊縫強度和改善韌性，具有明顯地沉淀強化作用；焊縫金屬中適量的Mo-Cu配合可以增強焊縫金屬防點蝕和抗有機酸能力。因此在滿足力學性能的前提下，將Mo、Cu控制在標準要求的范圍內(nèi)。
[0026]Ti是強碳化物形成元素，是顯著強化鐵素體元素，可提高焊縫抗晶間腐蝕能力。Ti的加入既可細化晶粒提高焊縫韌性，又可因其固溶于鐵素體的脆化作用，抵消細化晶粒對焊縫韌性的有利影響，所以應合理控制Ti在焊縫金屬中的含量。
[0027]Co和N1、Mn 一樣，和鐵形成固溶體。Co元素可以強化鋼的基體，在焊縫金屬中含量過高，對焊縫金屬塑性和沖擊韌性不利，應嚴格控制。
[0028]δ鐵素體在奧氏體不銹鋼中鐵素體含量(>12%)過高時，經(jīng)消應力熱處理后，δ — σ的轉(zhuǎn)變將非常顯著，即鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈韵鄬⒎浅ｏ@著，導致塑韌性變差或甚至出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象。
[0029]本發(fā)明的有益效果:用本發(fā)明焊條焊接后熔敷金屬:抗拉強度> 520Mpa、屈服強度≥345Mpa、延伸率≥30%、室溫沖擊功≥50J、熱處理后室溫沖擊功≥50J，有效地提高了焊縫整體性能，解決了焊縫金屬室溫韌性不足的問題；而且全位置焊接工藝性能良好，電弧穩(wěn)定、飛濺小、脫渣容易、焊縫成型美觀、全位置可操作性好。本發(fā)明焊條生產(chǎn)工藝簡單、合金系統(tǒng)設計合理，焊條綜合成本低。本發(fā)明有一定比例的造渣劑、造氣劑、脫渣劑和穩(wěn)弧劑，從而保證焊縫有良好的機械性能，且電弧穩(wěn)定燃燒，飛濺小、脫渣容易、焊縫成型、全位置可操作性好。特別適合應用在第三代核電的核島主設備異種鋼過渡層的堆焊焊接材料，以及合成纖維、石油化工等設備的過渡層堆焊領域。
【具體實施方式】
[0030]下列非限制性實施例用于具體說明本發(fā)明。
[0031]實施例1
[0032]選用直徑為4.0mm的焊芯，其化學成分碳≤0.015%、鉻19.5-20.0%、鎳9.6-10.6%、鑰(0.20%、錳 1.5-2.5%、硅≤ 0.30%、磷≤ 0.010 %、硫≤ 0.003 %、氮≤ 0.025 %、銅(0.010%、鈷≤0.020%、釩≤0.080%、其他≤0.5%。藥粉占焊芯重量的40%，其中的藥粉組成重量百分比為金紅石13.5%、大理石4.2%、白云石1.5%、鉀長石3%、金屬鉻9.5%、電解錳1.2%、云母2%、鎳粉4%、氮化鉻鐵0.48%。將含有藥粉總重量18-20%的鉀鈉水玻璃加入上述藥粉中，混合均勻，用油壓機壓涂于焊芯上，不銹鋼焊條經(jīng)24小時自然晾干，然后烘干而成。
[0033]焊接參數(shù):I=140A、U=20-30V、焊接速度15-20cm/min、焊后熱處理:615°C X40h
[0034]其熔敷金屬化學成分及鐵素體含量(wt-%)如下表:
[0035]
【權利要求】
1.一種控鐵素體的消應力熱處理的不銹鋼焊條，由焊芯和裹覆于焊芯表面的藥粉組成，其特征在于:所述藥粉組成成分以重量百分比計為:金紅石12-14%、大理石2.5-4.5%、白云石1-2 %、鉀長石2-3.5%、金屬鉻8-10%、電解錳1_1.5%、云母1-2.5%,純堿0.16-0.24%、鎳粉2.5-4.5%、氮化鉻鐵0.4-1.2% ;所述焊芯組成成分以重量百分比計為:碳≤ 0.015%、鉻 19.5-20.0%、鎳 9.6-10.6%、鑰≤ 0.20%、錳 1.5-2.5%、硅≤ 0.30%、磷(0.010%、硫≤ 0.003%、氮≤ 0.025%、銅≤ 0.010%、鈷≤ 0.020%、釩≤ 0.080%、其他< 0.5%。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種控鐵素體的消應力熱處理的不銹鋼焊條，其特征在于:所述藥粉占焊芯的重量百分比為35%-45%。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種控鐵素體的消應力熱處理的不銹鋼焊條，其特征在于:所述焊芯直徑為4.0mm、不銹鋼焊條直徑為6.4-6.8mm。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種控鐵素體的消應力熱處理的不銹鋼焊條，其特征在于:所述藥粉組成成分以重量百分比計為:金紅石13.5%、大理石4.2%、白云石1.5%、鉀長石3%、金屬鉻9.5%、電解錳1.2%、云母2%、鎳粉4%、氮化鉻鐵0.4%。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的一種控鐵素體的消應力熱處理的不銹鋼焊條，其特征在于:所述藥粉組成成分以重量百分比計為:金紅石13.5%、大理石4.2%、白云石1.5%、鉀長石3%、金屬鉻9.8%、電解錳1.2%、云母2%、鎳粉4%、氮化鉻鐵0.4%。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的一種控鐵素體的消應力熱處理的不銹鋼焊條，其特征在于所述藥粉組成成分以重量百分比計為:金紅石13.5%、大理石4.2%、白云石1.5%、鉀長石3%、金屬鉻9.8%、電解錳1.2%、云母2%、鎳粉4%、氮化鉻鐵0.48%。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種控鐵素體的消應力熱處理的不銹鋼焊條，其特征在于:所述藥粉中還含有水玻璃，且水玻璃重量比為藥粉總重量的18-20% ;所述水玻璃的模數(shù)為`3.1且濃度為37-39波美度。
【文檔編號】B23K35/22GK103706960SQ201310676373
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權日:2013年12月11日
【發(fā)明者】袁寧, 劉奇望, 蔣勇, 趙建倉, 簡仁露, 朱平, 王淦剛, 匡艷軍, 邱振生, 楊春樂, 鄧小云 申請人:四川大西洋焊接材料股份有限公司, 江蘇省蘇州熱工研究院有限公司, 廣東省中廣核工程有限公司