專利名稱：使凝固晶粒微細化的雙相不銹鋼焊接用藥芯焊絲的制作方法
技術領域：
本發明涉及雙相不銹鋼的焊接焊絲，特別涉及雙相不銹鋼焊接用藥芯焊絲，所述 雙相不銹鋼焊接用藥芯焊絲通過使焊接凝固時的晶粒微細化，能夠對焊縫金屬賦予韌性及 延展性優良的特性。
背景技術：
雙相不銹鋼是以Cr、Ni、Mo為主要元素，通過將鐵素體和奧氏體的相比率調整到 大約50%來確保韌性、耐腐蝕性的不銹鋼。在焊接該雙相不銹鋼時，從維持耐腐蝕性的觀點 出發，其中大多數不實施焊接后的熱處理，焊縫金屬直接以凝固的狀態被使用，因此與經過 軋制、熱處理的相同組成的鋼材相比，焊縫金屬的晶粒直徑顯著粗大化，因而韌性、延展性 變差。所以，在雙相不銹鋼的焊接中，使焊縫金屬的凝固晶粒微細化成為提高焊縫金屬的韌 性、延展性的有效的方法。作為使不銹鋼的晶粒微細化的方法，公開了為抑制麻紋(表面的凹凸)的產生而 規定板坯的軋制條件(壓下率與溫度的關系)的方法(例如參照專利文獻1)、規定鑄造 后的熱軋及冷卻條件的方法(例如參照專利文獻2、，但全都利用根據鋼水凝固后的再加 熱-熱軋、或退火-冷卻過程中的相變的組織控制，而不是在焊縫金屬的凝固過程中使晶粒 微細化的技術，因此對于焊接后以凝固狀態使用的雙相不銹鋼的焊縫金屬的微細化不是有 效的方法。作為使凝固狀態的不銹鋼焊縫金屬的晶粒微細化的方法，公開了以夾雜物為接種 核使其等軸晶凝固的方法(參照專利文獻3、4)，但它們都是馬氏體系不銹鋼及奧氏體系不 銹鋼，與作為本發明對象的雙相不銹鋼的Mn量及Cr/M量的比率不同。此外，關于雙相不銹鋼，因近年來的Ni、Mo價格的高漲，開發了降低Ni、Mo含量的 廉價型雙相不銹鋼(例如參照專利文獻5)，但在焊接此種雙相不銹鋼時，仍使用以往的凝 固晶粒粗大化的雙相不銹鋼系焊接材料。基于此背景，一直希望開發一種雙相不銹鋼用焊絲，其能夠使用廉價型雙相不銹 鋼，而且能夠進行焊縫金屬的凝固晶粒微細化，從而即使在焊接狀態下也可得到焊縫金屬 的韌性、延展性等機械特性良好的焊接部。專利文獻1 日本特開平03-071902號公報專利文獻2 日本特開平08-277423號公報專利文獻3 日本特開2002-331387號公報專利文獻4 日本特開2003-136^0號公報
專利文獻 5 :W0-2002-027056 號公報
發明內容
本發明鑒于上述現有技術的問題點，其目的在于通過對雙相不銹鋼材焊接時使用 的焊接材料的成分進行規定，提供一種雙相不銹鋼焊接用藥芯焊絲(也稱為粉芯焊絲，填3充焊劑金屬絲)，其可使焊縫金屬的凝固晶粒微細化，即使在焊接狀態下也可得到焊縫金屬 的韌性、延展性等機械特性良好的焊接部。本發明是解決上述課題的發明，作為其要旨的部分如下所述。(1) 一種用于使凝固晶粒微細化的雙相不銹鋼焊接用藥芯焊絲，其是在鋼制外皮 的內部填充有焊劑的雙相不銹鋼焊接用藥芯焊絲，其特征在于，作為外皮及焊劑中含有的 化學成分，以相對于焊絲總質量的質量％計含有c :0.001 0. 1%、Si 0.01 1.0%、 Mn :2. 0 6. 0 %、Cr 17. 0 27. 0 %、Ni 1. 0 10. 0 %、Mo :0. 1 3. 0 %、Al :0. 002 0. 05 Mg 0. 0005 0. 01 %、Ti :0. 001 0. 5 %、N :0. 10 0. 30 %，另夕卜，將 P 限制 在0. 03%以下、將S限制在0.01%以下，且滿足0. 73XCr當量-Ni當量彡4. 0及Ti (質 量％)XN(質量％)彡0.0004，剩余部分由鐵及不可避免的雜質構成。其中，Cr當量 =Cr (質量 ％ )+Mo (質量 ％ )+1.5XSi (質量 ％ )，Ni 當量=Ni (質量 ％ )+0.5XMn (質 量％ )+30XC(質量％ )+30XN(質量％ )。(2)根據上述(1)所述的用于使凝固晶粒微細化的雙相不銹鋼焊接用藥芯焊絲， 其特征在于，作為所述雙相不銹鋼焊接用藥芯焊絲的外皮及焊劑中含有的化學成分，以質 量％計，還含有Cu 0. 1 2.0%。根據本發明，在焊接通常的雙相不銹鋼材及廉價型雙相不銹鋼材時，通過對使用 的焊接材料的成分進行規定，可以使焊縫金屬組織微細化，由此能夠大幅度改善焊縫金屬 的韌性及延展性。
具體實施例方式本發明人等通過采用添加有多種化學成分的Cr-Ni系不銹鋼焊絲的TIG焊接，對 雙相不銹鋼材進行對接焊接，對形成的焊縫金屬的組織、韌性及延展性進行了詳細調查及 研究。其結果是，新弄清了通過在以鐵素體單相結束凝固的成分系中復合添加Mg和Ti， 可實現焊縫金屬組織的等軸晶化、微細化，由此可提高焊縫金屬的韌性、延展性。此外，還得 到如下的推測在以鐵素體單相結束凝固的成分系中，通過控制Ti和N量的關系，焊縫金屬 的凝固晶粒的微細化變得容易，即使在凝固狀態下也能改善韌性、延展性。基于這樣的研究結果，對本發明進行以下詳細說明。此外，以下說明中的“％”只 要沒有特別注明都表示“質量％ ”。首先，對本發明的用于使焊縫金屬的晶粒微細化的技術思想進行說明。對于Cr-Ni系不銹鋼的焊縫金屬，根據其成分系將其分類為初晶凝固相為鐵素體 相或奧氏體相的成分系，另外，將這些相分類為以單相結束凝固的相和以鐵素體相+奧氏 體相的雙相結束凝固的相。TiN與鐵素體相的晶格匹配性非常好，因此成為鐵素體相的凝固核，對于促進鐵 素體相的等軸晶化和使凝固時的鐵素體晶粒微細化是有效的。此外，Mg系夾雜物(包含 MgO-Al2O3尖晶石相)成為TiN的生成核，促進TiN的生成，其結果是，促進鐵素體相的等軸 晶化，使凝固時的鐵素體晶粒微細化。另一方面，由于TiN與奧氏體相的晶格匹配性不好，因此幾乎不成為奧氏體相的 凝固核。此外，液相/奧氏體相間的界面能大于液相/鐵素體相間的界面能，因此難以在鐵素體相上形成奧氏體相，奧氏體相與鐵素體相的生成、生長無關地獨自生長。也就是說，不 能期待奧氏體相的微細化。所以，為了在焊縫金屬中，以TiN及Mg系夾雜物為核，促進鐵素體相的等軸晶化， 從而使凝固時的鐵素體晶粒微細化，需要將焊縫金屬的成分系限定在初晶凝固相為鐵素體 相、以鐵素體單相結束凝固的成分系。在焊縫金屬為初晶鐵素體相+奧氏體相的雙相凝固的成分系中，即使鐵素體相等 軸晶凝固，由于奧氏體相與鐵素體相的生成、生長無關地獨自生長，因此奧氏體相以柱狀晶 凝固，因而不能實現奧氏體相的微細化。根據本發明人等的實驗結果發現，在雙相不銹鋼的焊接中，要使焊縫金屬的初晶 凝固相為鐵素體相、以鐵素體單相結束凝固，最好形成滿足0. 73XCr當量-Ni當量> 4. 0 關系式的成分系。這里，Cr當量及Ni當量分別按以下的(式1)及(式幻來規定。Cr 當量=Cr (質量％)+Mo (質量％ )+1.5 X Si (質量％) (式 1)Ni 當量=Ni (質量 ％ )+0. 5XMn(質量 ％ )+30XC(質量 ％ )+30XN(質量 ％ ) (式2)此外，為了焊縫金屬的凝固晶粒的微細化，在上述的初晶凝固相為鐵素體相、且以 鐵素體單相結束凝固的成分系中，需要在初晶鐵素體凝固之前形成TiN。為此，根據本發明人等的實驗結果還發現，為了在比初晶鐵素體相凝固的溫度 (液相線溫度)高的溫度下使TiN結晶，最好限定Ti含量和N含量，通過以滿足Ti (質 量％ ) XN(質量％ ) ^ 0. 0004的關系的方式控制成分，可在初晶鐵素體凝固之前確實生成 TiN，得到凝固晶粒微細化的效果。根據上述情況，在本發明中，為了通過焊縫金屬的初晶凝固相為鐵素體相、且以鐵 素體單相結束凝固、同時在初晶鐵素體凝固之前確實生成TiN，由此得到凝固晶粒微細化效 果，將焊接雙相不銹鋼時所用的藥芯焊絲的成分系滿足0. 73XCr當量-Ni當量>4.0、且滿 足Ti XN彡0. 0004作為必要條件。這里，Cr當量及Ni當量分別按上述(式1)及(式幻來規定。此外，如果0.73XCr當量-Ni當量的值超過16.0，則室溫組織為鐵素體單相，不能 形成作為目標的雙相不銹鋼，因此優選將此值的上限規定為16. 0。接著，下面對實現上述技術思想的本發明的焊絲成分的限定理由進行說明。此外， 下述的成分含量為相對于焊絲總質量的全部外皮及焊劑所含的合計量(質量％)。首先，在本發明中，為了在焊縫金屬中形成TiN及Mg系夾雜物(包含MgO-Al2O3尖 晶石相)，規定以下的焊絲成分的含量。Al :A1是脫氧元素，同時與Mg共存而形成MgO-Al2O3尖晶石相，成為TiN的生成核， 使焊縫金屬組織微細化。發揮此效果的量為0.002%，將其設為下限。此外，如果多量添加 則大量生成Al氧化物，使機械特性變差，因此將0. 05%設為上限。Mg =Mg通過形成Mg系夾雜物而成為TiN的生成核，使焊縫金屬組織微細化。發 揮此效果的量為0.0005%，將其設為下限。此外，即使多量添加其效果也飽和，還產生耐 腐蝕性下降或向焊接部的熔解減少、在焊道上生成焊渣等問題，因此將0. 01%設為上限。 Mg系夾雜物只要是氧化物、硫化物等含有Mg的化合物，對凝固晶粒的微細化就具有效果， MgO-Al2O3尖晶石相也具有同樣的效果。
Ti =Ti通過形成TiN而成為鐵素體相的凝固核，使焊縫金屬組織微細化。通過與 Mg復合添加可進一步提高其效果。發揮此效果的量為0. 001%以上，因此將其設為下限。但 是，在添加超過0.5%時，使韌性、延展性降低，因此將其作為上限。N =N通過形成TiN而成為凝固核，使焊縫金屬組織微細化。此外，N是強力的奧氏 體生成元素，在將作為奧氏體生成元素的Ni含量設為1.0 10.0%時，從鐵素體相和奧 氏體相的相平衡的觀點出發是必要的，而且可提高氯化物環境下的耐孔蝕性。發揮此效果 的量為0. 10%以上，將其設為下限。此外，如果多量添加，則因硬化而使韌性降低，因此將 0. 30%設為上限。再有，在MIG焊接或MAG焊接中使用時，如果N量多則容易產生氣泡，因此優選將 上限設為0. 22%。此外，為了得到其它的效果，規定以下的成分的含量。C :C對于耐腐蝕性是有害的，但從強度的觀點出發，需要含有某一程度，因此添加 0. 001%以上。此外，在其含量超過0. 時，焊縫金屬的韌性、延展性顯著下降，而且如果保 持焊接狀態并受到再次加熱，則與Cr等結合，使這些區域的耐腐蝕性顯著變差，因此將其 含量限定在0. 001 0. 1%。Si =Si是作為脫氧元素而添加的，但在其含量低于0.01%時，其效果不充分，另一 方面，在其含量超過1.0%時，伴隨著鐵素體相的延展性降低，韌性大大降低，而且焊接時的 熔融熔解也減小，成為實用焊接上的問題。所以，將其含量限定在0.01 1.0%。Mn :Mn是奧氏體生成元素，在將作為奧氏體生成元素的Ni的含量設為1. 0 10.0%時，從鐵素體相和奧氏體相的相平衡的觀點出發，需要2.0%以上。另一方面，如果 添加超過6. 0%，則焊接時產生大量的煙氣，同時延展性下降，因此將其含量限定在2. 0 6. 0%。Cr =Cr是鐵素體形成元素，作為雙相不銹鋼的主要元素有助于提高耐腐蝕性，但 在其含量低于17.0%時，不能得到充分的耐腐蝕性。另一方面，如果其含量超過27.0%，則 韌性變差，因此將其含量限定在17. 0 27. 0%。Ni =Ni是奧氏體形成元素，是雙相不銹鋼的主要元素，但在本發明中，由于需要以 鐵素體單相結束凝固，因此從添加了 17. 0 27. 0%的作為鐵素體形成元素的Cr時的凝固 形態和相平衡的觀點出發、以及從原料成本增高的觀點出發，將其上限設為10.0%。另一方 面，關于下限，可考慮在廉價型雙相不銹鋼中的應用而選定，但在其含量低于1.0%時韌性 顯著降低，因此將其含量限定在1. 0 10. 0%。Mo =Mo是特別可提高氯化物環境下的耐腐蝕性的元素，為提高耐腐蝕性可添加 0.1%,但如果其含量超過3. 0%，則因生成西格馬相等脆性的金屬間化合物而使焊縫金屬 的韌性降低，因此將其含量限定在0. 1 3. 0%。P、S是焊縫金屬中不可避免的成分，基于以下的理由將其限制在少量。P =P如果多量存在，則使凝固時的耐高溫焊接裂紋性及韌性降低，因此優選少量， 將其含量的上限設為0. 03%。S =S也是如果多量存在則使耐高溫裂紋性、延展性及耐腐蝕性降低，因此優選少 量，將0.01%設為上限。將以上元素作為本發明的焊絲的基本成分，但也可以有選擇地添加以下的成分。
Cu :Cu對于提高強度和耐腐蝕性具有顯著的效果，此外，作為確保韌性的奧氏體 生成元素可以添加0. 以上，但即使添加超過2. 0%，其效果也飽和，因此在添加時，將其 含量設為0. 1 2.0%。再有，在本發明中，關于填充在外皮內部的焊劑，除了為控制焊縫金屬中的成分組 成而按上述含量范圍添加的合金以外，不需要特別規定。所以，在藥芯焊絲中，作為填充在外皮內部的焊劑，例如，可以添加為提高焊渣包 覆性或電弧穩定性而通常含有的金屬氧化物或金屬氟化物，例如Tih 1 2%、SiO2 2 3 %、ZrO2 1 2 %、Al2O3 :0· 3 0. 8 %、Fe2O3 :0· 2 0. 6 %、Na2O 0. 05 0. 2 %、K2O 0. 01 0. 1%,A1F3 :0. 01 0. 等。其中，將作為這樣的為提高焊渣包覆性或電弧穩定性而添加的金屬氧化物或金屬 氟化物所含的金屬成分，從作為本發明規定的上述合金的金屬成分的含量范圍中除去。對于本發明的藥芯焊絲，不需要特別限定TIG焊接、MIG焊接、MAG焊接、等離子 焊接、埋弧焊接等焊接方法，通過將焊接所用的藥芯焊絲的外皮成分及焊劑中含有的、轉移 到焊縫金屬中的成分的合計按上述進行規定，可進行凝固過程中的組織的等軸晶化及微細 化，可得到焊接部的韌性及延展性優良的雙相不銹鋼焊接接頭。實施例以下通過實施例進一步說明本發明。采用鐵素體系不銹鋼或普通鋼作為外皮，在內部填充焊劑，制成焊絲直徑為1. 2Φ 的藥芯焊絲，其作為相對于焊絲總質量的質量<%具有表1所示的成分。再有，作為焊劑，除 了為提高焊渣包覆性或電弧穩定性而通常使用的金屬氧化物、金屬氟化物以外，填充Ni、 Cr、Mo、Ti、Mg等金屬粉。接著，在具有表2所示成分的板厚為12mm的雙相不銹鋼板上，設 置坡口角度60°、鈍邊0. 5mm的V型坡口，然后采用上述藥芯焊絲，通過MIG焊接進行對 接焊接，從而制作焊接接頭。再有，此時的焊接條件設為焊接電流250A、電弧電壓:28V、 焊接速度25Cm/min，保護氣體為Ar+2% 02。再有，關于表1中的凝固模式，用F表示以鐵素體單相結束凝固的模式，用FA表示 以初晶鐵素體+奧氏體的雙相結束凝固的模式。對通過焊接得到的焊接接頭，分別實施了焊縫金屬的組織觀察、焊縫金屬的夏比 沖擊試驗、及焊接接頭的正面和背面彎曲試驗，評價了凝固晶粒的微細化及等軸晶化、韌 性、彎曲延展性。各自的評價結果示于表3。關于表3中的晶粒直徑的評價結果，將鐵素體及奧氏體的晶粒直徑都為50μπι以 下、且等軸晶率為90%以上的規定為〇(良好)，將其以外的組織規定為Χ(不良)。關于 示出焊接接頭的韌性評價結果的表3的夏比吸收能，通過從與自焊接接頭起的焊接方向相 垂直的方向采集2mmV缺口夏比試驗片，在0°C進行夏比沖擊試驗，來求出其吸收能。關于示 出焊接接頭的彎曲延展性評價結果的表3的正面彎曲或背面彎曲的試驗結果，通過從與自 焊接接頭起的焊接方向相垂直的方向采集削去了堆高的試驗片(10tX30WX250Lmm)，從正 面或背面對焊接部進行滾壓彎曲(彎曲半徑R = 20mm)，將沒有發生裂紋的規定為良好，將 發生裂紋的規定為不良。在表3中，在No. 8的比較例中，(0.73XCr當量-Ni當量)的值低于本發明范圍， 因此焊縫金屬為鐵素體+奧氏體的雙相凝固，凝固晶粒粗大化，焊縫金屬的韌性、彎曲延展7性都降低。在No. 9的比較例中，Ni在本發明范圍外，(0.73XCr當量-Ni當量)的值也低 于本發明范圍，因此焊縫金屬為雙相凝固，凝固晶粒粗大化，焊縫金屬的韌性及彎曲延展性 降低。此外，在No. 10的比較例中，(TiXN)的值低于本發明范圍，在No. 11的比較例中， Al含量及Mg含量低于本發明范圍，因此焊縫金屬為鐵素體單相凝固，但不能進行鐵素體的 等軸晶化及微細化，凝固晶粒粗大化，焊縫金屬的韌性、彎曲延展性都降低。另外，No. 12 14的比較例為鐵素體單相凝固，(TiXN)也在本發明范圍內，發現凝固晶粒微細化，但Mn含 量、Si含量、Cr含量、Mo含量、N含量分別在本發明的范圍外，因此焊縫金屬的韌性及彎曲 延展性都降低。另一方面，在No. 1 7的本發明例中，由于成分含量在本發明的范圍內，因此與比 較例相比，焊縫金屬的晶粒微細化，因而韌性及延展性顯著優良。
權利要求
1.一種用于使凝固晶粒微細化的雙相不銹鋼焊接用藥芯焊絲，其是在鋼制外皮的內部 填充有焊劑的雙相不銹鋼焊接用藥芯焊絲，其特征在于，作為外皮及焊劑中含有的化學成 分，以相對于焊絲總質量的質量％計含有C 0. 001 0. 1%,Si 0. 01 1. 0%,Mn 2. 0 6. 0%,Cr 17. 0 27. 0%,Ni 1. 0 10. 0%,Mo 0. 1 3. 0%,Al 0. 002 0. 05%,Mg 0. 0005 0. 01%、Ti 0. 001 0. 5%,N 0. 10 0. 30%，另外，將P限制在0. 03%以下、將S限制在0.01%以下，且滿足0. 73 X Cr當量-Ni當量彡4. 0，及Ti (質量％ ) XN(質量％ )彡 0. 0004，剩余部分由鐵及不可避免的雜質構成，其中，Cr當量=Cr (質量％ )+Mo(質量％ )+1. 5XSi (質量％ )，Ni 當量=Ni(質量％ )+0.5XMn(質量％ )+30XC(質量％ )+30XN(質量％ )。
2.根據權利要求1所述的用于使凝固晶粒微細化的雙相不銹鋼焊接用藥芯焊絲，其特 征在于，作為所述雙相不銹鋼焊接用藥芯焊絲的外皮及焊劑中含有的化學成分，以質量％ 計,還含有Cu 0. 1 2.0%。
全文摘要
本發明提供一種為得到韌性及延展性優良的焊縫金屬而使凝固晶粒微細化的雙相不銹鋼焊接用藥芯焊絲，其特征在于作為外皮及焊劑中含有的化學成分，以相對于焊絲總質量的質量％計含有C0.001～0.1％、Si0.01～1.0％、Mn2.0～6.0％、Cr17.0～27.0％、Ni1.0～10.0％、Mo0.1～3.0％、Al0.002～0.05％、Mg0.0005～0.01％、Ti0.001～0.5％、N0.10～0.30％，另外，將P限制在0.03％以下、將S限制在0.01％以下，且滿足0.73×Cr當量-Ni當量≥4.0及Ti(質量％)×N(質量％)≥0.0004，剩余部分由鐵及不可避免的雜質構成。
文檔編號C22C38/58GK102046325SQ20098011943
公開日2011年5月4日 申請日期2009年5月27日 優先權日2008年5月27日
發明者井上裕滋, 及川雄介, 水本學, 行方飛史 申請人:新日鐵住金不銹鋼株式會社