一种奥氏体不锈钢焊丝及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种奥氏体不锈钢焊丝及其制备方法和应用，属于金属材料加工技术领域。

背景技术

由于液氮和液氦的工业应用，以及液化天然气运输所用的超低温不锈钢容器和设备的应用，对奥氏体不锈钢材料的焊接提出了很高的要求。

无磁奥氏体不锈钢和海洋工程沉孔检测设备中的316L不锈钢，以及LPG和LNG容器中304L、316L、317L等不锈钢具有良好的超低温韧性，本体的低温韧性虽然很好，可维持到适于超导应用的液氦温度-269℃，但焊接材料的配套却并不匹配。现有焊接材料中，9Ni钢焊接用ERNiCrMo-4、ERNiCrMo-6等镍基合金可以满足上述指标，但是由于该类焊材与母材合金成分差异较大，热膨胀系数差别大，在焊接过程中会带来较大的焊接变形和热裂纹等问题。因此，提供一种奥氏体不锈钢焊丝作为超低温不锈钢容器的焊接材料是十分必要的。

发明内容

本发明为了解决现有上述技术问题，提供一种奥氏体不锈钢焊丝及其制备方法和应用。

本发明的技术方案：

一种奥氏体不锈钢焊丝，该焊丝的化学成分按重量百分比表示为：

C：≤0.03％，Si：0.3-0.6％，Mn：4.0-10.0％，Cr：18.0-22.0％，Ni：16.0-20.0％，Mo：3.5-5.5％，Cu：≤0.50％，S：≤0.010％，P：≤0.020％，N：0.12-0.30％，余量为铁和杂质。

进一步限定，C≤0.015％，S≤0.005％，P≤0.010％，Cr：19.0-21.0％，Ni：18.0-20.0％。

进一步限定，奥氏体不锈钢焊丝通过冶炼、轧制、热处理和拉拔工艺制备。

上述奥氏体不锈钢焊丝的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

S1，冶炼：冶炼温度为1200℃-1250℃，保温时间为1.5-3h；

S2，轧制：冶炼完成后，炉冷至1050-1100℃取出锻造成圆棒，轧制成φ5.5mm盘条；

S3，热处理：将S2获得的盘条加热至1050℃保温1.5-3h；

S4，拉拔：将经过S3处理后的盘条在1050℃的氢退条件下拉拔成1.2mm的焊丝。

上述奥氏体不锈钢焊丝用于焊接无磁奥氏体不锈钢和海洋工程沉孔检测设备中的316L不锈钢。

上述奥氏体不锈钢焊丝用于用于焊接LPG和LNG容器中的304L和316L不锈钢。

应用上述奥氏体不锈钢焊丝的焊接方法，采用MAG焊接方式，电流类型为DCEP，保护气体由体积含量为98％的Ar和体积含量为2％的CO

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的奥氏体不锈钢焊丝熔敷金属抗裂性好，适用于焊接无磁奥氏体不锈钢和海洋工程沉孔检测设备中的316L不锈钢，适用于焊接LPG和LNG容器中的304L和316L不锈钢，且其良好的韧性可维持到适于超导应用的液氦温度-269℃。

(2)本发明提供的奥氏体不锈钢焊丝，可适用于MAG、TIG和SAW等焊接方法，工艺参数适应性强，过程稳定，焊丝送丝性能好，成形性能好

(3)本发明提供的焊丝能够实现焊缝的微合金化，得到抗裂性优异的焊缝。

(4)本发明提供的焊丝的焊缝熔敷金属焊态室温抗拉强度Rm≥600MPa，屈服强度RP0.2≥380MPa，断后伸长率A≥35％，-196℃AKV≥80J。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。

本发明提供一种奥氏体不锈钢焊丝，其化学成分重量百分比为：C：≤0.03％，Si：0.3-0.6％，Mn：4.0-10.0％，Cr：18.0-22.0％，Ni：16.0-20.0％，Mo：3.5-5.5％，Cu：≤0.50％，S：≤0.010％，P：≤0.020％，N：0.12-0.30％，余量为铁和杂质。

其中，

C：C为奥氏体形成元素，C元素过高会降低熔敷金属的韧性，晶界析出碳化铬引起晶界铬含量降低，造成晶间腐蚀，因此，碳含量控制在0.03％以下。优选地，碳含量为≤0.015％。

Si：Si可作为合金元素，又存在有害作用。首先，Si可以作为脱氧剂，参加脱氧反应，少量的Si能够改善TIG焊的工艺性，增加液态金属的浸润性，改善焊道成形，另外Si还能提高材料的强度；但另一方面，Si能够形成低熔点共晶物，增加热裂纹敏感性，因此在合金设计时要考虑Si的因素。本发明设计Si的含量可控制在0.3-0.6％之间。

Mn：Mn的加入有利于奥氏体不锈钢的抗结晶开裂性能。一方面，Mn优先与S结合形成MnS(熔点1610℃)，减小S形成低熔点共晶物(如：Ni-Ni

S：S是不锈钢中有害元素。奥氏体不锈钢中S的溶解度很小，极易形成晶界偏析，产生低熔点共晶的硫化物，偏析于晶界，在热应变的作用下形成晶界开裂，即结晶裂纹。应严格控制，尽可能的降低其含量，该发明中控制S含量<0.010％。优选地，S含量为≤0.005％。

P：P对不锈钢的影响与S相似，它在合金中虽含量很少，但不能低估它的有害作用，P在合金中主要是与Ni形成低熔点共晶物，偏析于晶界，增大半熔化区宽度,促使裂纹倾向增大，所以，P在不锈钢中含量必须控制，该发明中控制P含量<0.020％。优选地，P含量为≤0.010％。

Ni：Ni是稳定奥氏体元素；同时可提高焊缝的韧性。优选地，Ni含量为18.0-20.0％。

Cr：Cr是不锈钢中的重要元素之一，它在基体材料的表面形成抗氧化和抗腐蚀的保护层，使不锈钢具备基本的耐腐蚀性能，铬可以提高氮在基体中的溶解度，同时也是铁素体形成元素。优选地，Cr为19.0-21.0％。

Mo：钼在不锈钢中主要是用抗氧化和防腐蚀。不锈钢中加入钼，能改善钢的耐腐蚀性特别是耐点蚀性能。本发明Mo含量控制在3.5-5.5％，优选的Mo含量为4.2％。

O：O在材料中为不可避免的残留元素，它不是合金中的必须元素，在所有情况下，越低越好。

N：N是强奥氏体形成元素，可以提高焊缝熔敷金属的强度，该发明中控制N含量控制在0.12-0.30％之间。

实施例1：

本实施例奥氏体不锈钢焊丝化学成分重量百分比为：

C：0.013％，Si：0.46％，Mn：7.58％，S：0.0031％，P：0.0084％，Cr：18.96，Ni：16.24％，Mo：4.22％，Cu：0.0098％，N：0.24％，余量为铁和杂质。

上述奥氏体不锈钢焊丝通过冶炼、轧制、热处理和拉拔工艺制备，具体操作过程如：

采用微碳铬铁、纯铁、电解锰、钼铁等原材料中频冶炼，采加电渣重熔工艺制备钢锭；钢锭在加热炉中加热至1250℃保温3h，炉冷至1100℃取出锻造成圆棒，轧制成φ5.5mm盘条。加热至1050℃保温3h进行固溶处理，酸洗，盘条在多次1050℃的氢退条件下拉拔成直径1.2mm焊丝。

针对304L牌号的不锈钢，采用上述奥氏体不锈钢焊丝进行MAG焊接，焊接电流类型为DCEP，保护气体由体积含量为98％的Ar和体积含量为2％的CO

焊缝金属力学性能试验测试结果：

室温拉伸性能：屈服强度Rp

-196℃冲击性能：103J。

实施例2：

本实施例与实施例1相比的区别如下：

奥氏体不锈钢焊丝化学成分重量百分比为：C：0.094％，Si：0.34％，Mn：7.19％，S：0.0052％，P：0.005％，Cr：18.36，Ni：16.05％，Mo：4.12％，Cu：0.011％，N：0.27％，余量为铁和杂质。

其余制备方法、焊接工艺和参数设定均与实施例1完全相同。

焊缝金属力学性能试验测试结果：

室温拉伸性能：屈服强度Rp

-196℃冲击性能：105J。

对比例1：

本对比例与实施例1相比的区别如下：

奥氏体不锈钢焊丝化学成分重量百分比为：C：0.014％，Si：0.59％，Mn：2.16％，S：0.01％，P：0.022％，Cr：18.8，Ni：12.5％，Mo：2.32％，Cu：0.02％，N：0.035％，余量为铁和杂质。

其余制备方法、焊接工艺和参数设定均与实施例1完全相同。

焊缝金属力学性能试验测试结果：

室温拉伸性能：屈服强度Rp

-196℃冲击性能：53J。

对比例2：

本对比例与实施例1相比的区别如下：

奥氏体不锈钢焊丝化学成分重量百分比为：C：0.012％，Si：0.56％，Mn：1.95％，S：0.011％，P：0.014％，Cr：20.0，Ni：9.73％，Mo：0.01％，Cu：0.01％，N：0.028％，余量为铁和杂质。

其余制备方法、焊接工艺和参数设定均与实施例1完全相同。

焊缝金属力学性能试验测试结果：

室温拉伸性能：屈服强度Rp

-196℃冲击性能：63J。

对比例3：

本对比例与实施例1相比的区别如下：

奥氏体不锈钢焊丝化学成分重量百分比为：C：0.043％，Si：0.5％，Mn：6.55％，S：0.0035％，P：0.015％，Cr：19.5，Ni：9.86％，Mo：1.08％，Cu：0.08％，N：0.16％，余量为铁和杂质。

其余制备方法、焊接工艺和参数设定均与实施例1完全相同。

焊缝金属力学性能试验测试结果：

室温拉伸性能：屈服强度Rp

-196℃冲击性能：61J。

对比例4：

本对比例与实施例1相比的区别如下：

奥氏体不锈钢焊丝化学成分重量百分比为：C：0.014％，Si：0.37％，Mn：2.01％，S：0.0028％，P：0.005％，Cr：19.25，Ni：10.36％，Mo：0.024％，Cu：0.01％，N：0.06％，余量为铁和杂质。

其余制备方法、焊接工艺和参数设定均与实施例1完全相同。

焊缝金属力学性能试验测试结果：

室温拉伸性能：屈服强度Rp

-196℃冲击性能：67J。