一种马氏体析出硬化不锈钢焊条及其制备方法和应用

摘要

本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种马氏体析出硬化不锈钢焊条，包括焊芯和包裹于所述焊芯表面的药皮，药皮包含的原料以及各原料的质量百分比如下：大理石20%‑31%，萤石8%‑14%，高钾长石6‑8%，金红石4%‑8%，45#钝化硅铁4%‑7%，电解锰4%‑6%，钛铁3%‑6%，硼铁1.5%‑3%，镍粉12%‑15%，铜粉7.5%‑11%，金属铬7.5%‑9%，纯碱0.5%‑1%，氟化稀土1%‑3%。本发明的马氏体析出硬化不锈钢焊条的制备方法是将上述药皮原料混合均匀后加入专用水玻璃，搅拌均匀后压凃于焊芯表面上，自然晒晾至药皮干硬后再经360℃烘干。本发明的马氏体析出硬化不锈钢焊条可用于15‑5PH钢的焊接。本发明提供的马氏体析出硬化不锈钢焊条采用与15‑5PH钢化学成分相同的Cr‑Ni‑Cu合金体系，加入Ti、B合金元素，改善焊缝金属组织、增加韧性，适用于15‑5PH钢焊接。

说明书

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种马氏体析出硬化不锈钢焊条及其制备方法和应用，尤其涉及一种适用于15-5PH钢焊接的焊条。

背景技术

析出硬化型（PH）不锈钢的强度中一个重要部分来自于析出反应。PH钢的优点是：可以强化到接近高强度结构钢的强度水平，而仍然保持很好的耐腐蚀性。这类钢用量少，加工过程复杂，一般要比其他类型不锈钢应用成本高。最常用于那些高强结构钢满足不了的，要求耐腐蚀性的地方。马氏体型PH钢15-5PH在冷却凝固过程近乎全部相变为马氏体，适用于航空航天、部件制造高压阀门等行业及设备易磨损部位的维修和维护。

马氏体PH钢具有良好的焊接性，可以在固溶/时效和过时效的任何状态下进行焊接，且焊前无需预热，焊后也无需缓冷，焊缝及热影响区也都不会产生裂纹。但如果要求等强度焊接接头，则焊接时就必须采用与母材化学成分相同的填充材料，焊后还需重新进行固溶和时效热处理。为限制接头的软化和偏析，在采用熔焊方法焊接马氏体PH钢时，必须严格限制线能量的输入。由于碳含量低，因而不存在氢致裂纹的问题，然而还是推荐用低氢的焊接方法，保证焊接接头的抗裂性。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种马氏体析出硬化不锈钢焊条及其制备方法和应用，采用与15-5PH钢化学成分相同的Cr-Ni-Cu合金体系，加入Ti、B合金元素，这样能在同一热处理制度下使焊缝的力学性能接近母材。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种马氏体析出硬化不锈钢焊条，包括焊芯和包裹于所述焊芯表面的药皮，所述药皮包含的原料以及各原料的质量百分比如下：大理石20%-31%，萤石8%-14%，高钾长石6-8%，金红石4%-8%，45#钝化硅铁4%-7%，电解锰4%-6%，钛铁3%-6%，硼铁1.5%-3%，镍粉12%-15%，铜粉7.5%-11%，金属铬7.5%-9%，纯碱0.5%-1%，氟化稀土1%-3%。

优选的，所述药皮包含的原料以及各原料的质量百分比如下：大理石31%，萤石14%，高钾长石8%，金红石4%，45#钝化硅铁4%，电解锰6%，钛铁3%，硼铁1.5%，镍粉12%，铜粉7.5%，金属铬7.5%，纯碱0.5%，氟化稀土1%。

优选的，所述药皮包含的原料以及各原料的质量百分比如下：大理石26%，萤石10%，高钾长石7%，金红石6.5%，45#钝化硅铁4%，电解锰4.5%，钛铁6%，硼铁2%，镍粉14%，铜粉8.2%，金属铬8%，纯碱0.8%，氟化稀土2%。

优选的，所述药皮包含的原料以及各原料的质量百分比如下：大理石20%%，萤石8%%，高钾长石6%，金红石8%，45#钝化硅铁7%，电解锰4%，钛铁5%，硼铁3%，镍粉15%，铜粉11%，金属铬9%，纯碱1%，氟化稀土3%。

进一步地，所述焊芯为1Cr13不锈钢焊芯。

本发明的这种马氏体析出硬化不锈钢焊条的制备方法，将上述药皮原料混合均匀后加入专用水玻璃，搅拌均匀后压凃于焊芯表面上，自然晒晾至药皮干硬后再经360℃烘干。

所述焊芯的直径为4mm，该焊条采用直径为6.35mm的定径模。

本发明的这种马氏体析出硬化不锈钢焊条可用于15-5PH钢的焊接。

在固溶状态下采用本发明的这种马氏体析出硬化不锈钢焊条对15-5PH钢进行焊接，焊接时不预热，道温为80℃-90℃，焊接电流为130A-140A；焊接后，在950℃固溶处理1h后空冷，480℃时效1h后空冷。

本发明的马氏体析出硬化不锈钢焊条中药皮配方的设计原理如下：

大理石：主要起造渣、造气作用。加入量少于20%时，电弧吹力小，保护作用不足；加入量大于31%时，熔滴粗大，套筒深，焊条工艺性差。因此，控制大理石的加入量为20%-31%。

萤石：能够降低熔渣的熔点，并且有效除氢，同时也会使电弧不稳，因此本发明中控制萤石的加入量为8%-14%。

高钾长石：高钾长石中钾元素的含量高，具有良好的稳弧作用。高钾长石作为酸性造渣剂，与大理石、萤石相互配合，调解溶渣的物理性质，同时能够细化熔滴颗粒度，稳定电弧，控制高钾长石加入量为6%-8%。

金红石：TiO₂是形成焊接熔渣的主要成分。加入TiO₂可以使得在焊接时稳定电弧，减少焊接飞溅，改善熔渣覆盖性和脱渣性。另外，TiO₂可以改善熔渣流动性，使全位置焊接操作变得方便易掌握。加入量少，金红石作用不明显，加入量过高，增加焊缝中的夹杂物，降低接头的力学性能。因此，控制金红石的加入量为4%-8%。

45#钝化硅铁：脱氧剂、渗合金剂。脱氧形成SiO₂，作为熔渣的一部分，可以调解熔渣的黏度。同时向焊缝过渡适量Si元素。含量过少，脱氧不足；含量过高，韧性、塑性均会降低。因此，控制加入量为4%-7%。

电解锰：脱氧剂、合金剂。相互配合，提高脱氧的效率。向焊缝中过渡适量的Mn合金。

钛铁：脱氧剂、渗合金。钛铁中的Ti主要用于脱氧，但是仍有部分作为合金过渡到焊缝中。Ti、B相互配合，细化晶粒，增加焊缝韧性。同时钛铁具有稳定电弧的作用。含量少，作用不明显；含量高，降低接头低温冲击韧性，因此，含量控制在3%-6%。

氟化稀土：稀土具有强烈的脱氧和去S的能力，对氢的吸附作用也很大，还可以改善夹杂物的形态和分布，提高抗裂能力。考虑生产成本和稀土利用率，加入量为1-3%。

Ni是马氏体沉淀硬化不锈钢中主要合金元素，它除了使钢在高温时具有单相的奥氏体组织外，还促使逆转变厚所得到的马氏体具有良好的塑性。Ni在马氏体沉淀硬化不锈钢中也是引起弥散强化的合金元素。但是加入Ni太多时，固溶后会保留大量的残余奥氏体。依据15-5PH钢的成分，限制Ni加入量12%-15%。

Cu在焊缝中形成金属间化合物强化相在时效后沉淀析出并弥散分布在马氏体的基体上，使强度进一步提高。但是Cu也是强烈的致热裂纹元素。因此，限制Cu加入量7.5%-11%。

合金元素Cr能形成致密的氧化膜，从而提高钢的抗腐蚀性能。依据15-5PH钢的成分，限制Cr加入量为7.5%-9%。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明提供的马氏体析出硬化不锈钢焊条采用与15-5PH钢化学成分相同的Cr-Ni-Cu合金体系，加入Ti、B合金元素，改善焊缝金属组织、增加韧性，适用于15-5PH钢焊接。

(2)本发明提供的马氏体析出硬化不锈钢焊条严格限制杂质含量，尤其是S的含量，焊接热裂纹敏感性低。

(3)本发明提供的马氏体析出硬化不锈钢焊条的药皮配方中加入适量稳弧剂，小电流规范下焊接时电弧的稳定性优良。

(4)本发明提供的马氏体析出硬化不锈钢焊条的焊接工艺性能优良，N、O、S、P等杂质含量少，满足使用要求，适用于航空航天、部件制造高压阀门等行业及设备易磨损部位的维修和维护。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种马氏体析出硬化不锈钢焊条，包括焊芯和包裹于所述焊芯表面的药皮，所述药皮包含的原料以及各原料的质量百分比如下：大理石20%-31%，萤石8%-14%，高钾长石6-8%，金红石4%-8%，45#钝化硅铁4%-7%，电解锰4%-6%，钛铁3%-6%，硼铁1.5%-3%，镍粉12%-15%，铜粉7.5%-11%，金属铬7.5%-9%，纯碱0.5%-1%，氟化稀土1%-3%。

焊缝金属的化学成分与母材一致，这样在同一热处理制度下，使焊缝的力学性能接近母材。为了防止裂纹、夹渣、氢脆等焊接缺陷的产生，该焊条严格限制N、H、O、S、P等杂质含量；含碳量低于母材，并添加Ti、B等适量细化晶粒的合金元素，可改善焊缝金属组织、提高抗裂性、增加韧性；为了限制热影响区中逆转奥氏体和焊缝金属中奥氏体糖块的产生，减少偏析和裂纹，焊接时采用小电流焊接规范，药皮配方中加入适量稳弧剂，可以实现小电流规范下电弧的稳定。

本发明提供的的这种马氏体析出硬化不锈钢焊条可用于15-5PH钢的焊接。本发明提供的马氏体析出硬化不锈钢焊条采用与15-5PH钢化学成分相同的Cr-Ni-Cu合金体系，加入Ti、B合金元素，改善焊缝金属组织、增加韧性，适用于15-5PH钢焊接。

本发明中焊接试验用母材采用15-5PH钢，在固溶状态下进行焊接。为了限制逆转奥氏体产生，焊接时不预热，道温80℃-90℃，焊接电流：130A-140A（焊条直径为4.0mm），焊后进行固溶＋时效处理。热处理制度为：950℃固溶处理1h后空冷，480℃时效1h后空冷。15-5PH钢化学成分见表1。

马氏体析出硬化焊条的焊芯采用1Cr13不锈钢焊芯。

按照配方将药皮原料混合均匀后加入专用水玻璃搅拌均匀，由油压机压凃于焊芯上，在自然环境晾晒至药皮干硬后，在放入烘干设备进行360℃烘干两个小时。本焊条的焊芯直径为4mm，采用直径为6.35mm的定径模。

焊条药皮化学成分重量百分比见表2。

本发明实施例1、实施例2和实施例3所制备的焊条的熔敷金属化学成分测试，结果如表3。

本发明实施例1、2、3所制备的焊条的熔敷金属力学性能测试，结果如表4。严格限制焊缝中杂质元素的含量，尤其是S的含量，降低焊接热裂纹倾向。

本发明实施例1、2、3所制备的焊条的对接接头力学性能，结果如表5。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。