专利名称：一种耐汽蚀不锈钢焊丝及其焊接方法
技术领域：
本发明属于特殊合金钢技术领域，特指耐汽蚀亚稳态奥氏体不锈钢焊丝及其焊接 方法，适用于制作汽蚀条件下的各种构件及其修复，并有效提高构件的使用寿命。
背景技术：
汽蚀是一种复杂的水动力学现象，普遍认为汽蚀是由于液流流道中的局部低压低 于该处温度下液体的饱和蒸汽压使液体在该处汽化而引起大量微汽泡爆发性生长，微汽泡 急剧生长成大气泡后随液流至压力高处突然溃灭，对流道壁面产生高达几百个大气压的冲 击，造成壁面材料剥蚀，导致金属材料的疲劳破坏，同时伴随着化学腐蚀，更加速材料的 气蚀破坏过程；汽蚀是发生在水轮机、螺旋桨、水泵等流体设备上的腐蚀行为，材料本身耐 汽蚀性能的好坏决定了结构件的使用寿命，船舶上大量使用的叶轮以及螺旋桨目前使用 较多的是铜合金，其最大问题是耐汽蚀性能差，寿命短，需要经常更换，高速螺旋桨的累积 寿命仅200-300小时，不能满足需要，现在也有将铸铁、钛合金、不锈钢等材料应用到汽蚀 部件上，文献(陈岩.不同材料抗汽蚀性能的比较，热加工工艺，2000 (3):23-2 报道 了 HT200、QT600、ZG0Crl3Ni6Mo等多种材料的耐汽蚀性能数据，15小时总失重最多材料 HT200达到961. 4mg,最小失重量的ZG0Crl3Ni6Mo为25. 2mg,失重量依然明显过大，因此研 究新型材料以提高螺旋桨、水泵等的耐汽蚀能力，延长寿命具有重要意义，美国斯图迪公司 的R.迈农等人发明的专利ZL 96193879.X给出了一种抗空泡腐蚀钢，其所述的合金含有， 以重量百分比表示，10-40Cr的碳化物形成体，5-15Mn，3. 5_7Si，l. 8-4. 8Ni，0. 15-3. 5C和 B, 0-0. 3N,其余为Fe，该材料也可以制成焊丝用于焊接，但没有结合相应的焊接工艺用于 焊接。本发明以上述ZL 96193879. X发明材料为基础，根据汽蚀原理，设计一种不锈钢 焊丝，在奥氏体钢的基础上引入合适的新元素，如Co、B、Y或者Ce等，并控制Ni、Si等元素 的含量，将熔炼钢材经锻造、轧制并拉拔成所需直径的焊丝；焊接时候辅以超声振动，打乱 稀土的偏聚效应，利用该材料及采用的焊接工艺能获得奥氏体熔敷组织，该亚稳态奥氏体 组织在水流或者固体颗粒冲击时会发生马氏体转变能吸收部分能量，增强了材料在海水中 的腐蚀性能、耐空泡腐蚀性能以及在流动的含泥沙的水中的耐磨蚀性能，同时还具有耐腐 蚀、耐冲击、耐磨损和易于焊接等特点，使得该材料在人工海水环境中平均耐汽蚀失重低于 0. 05mg/h，远远低于普通不锈钢304的平均耐汽蚀失重0. 91mg/h。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐汽蚀不锈钢焊丝及其焊接方法。本发明具体技术方案为，一种耐汽蚀奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于Cr 15-20%, Co 8-12%, Mn 8-11%, Ni 1. 5-4%, Si 3-5%, B 0. 12-0. 22%, C 0. 010-0. 025%，稀土 Ce 或者 Y 0.02-0. 1%，余量为狗，杂质的重量百分比不高于0.03%。将熔炼钢材经锻造、轧制并拉拔 成所需直径的焊丝；该焊接材料在超声振动频率为12-25KHZ辅助熔化焊条件下，抗空泡腐蚀性能达到最佳，在人工海水环境中平均耐汽蚀失重低于0. 05mg/h。添加钴(Co)的目的除了常见的提高材料回火稳定性和固溶强化外，主要用来降低 奥氏体堆垛层错能(SFE)，从而提高材料的耐汽蚀性能，其优选范围为8-12 wt %。硼(B)的加入能增加晶界扩散能，提高持久强度，同时用来提高材料的热加工性 能，但B含量太高会导致抗腐蚀性和焊接性变差，故而其含量优选为0.12-0.22 wt %。添加稀土元素一般用来细化钢铁材料的晶粒，从而提高材料强度；但在实际熔炼 中，稀土 Y或者Ce加入后会形成很大的富钇块，出现偏聚现象，这样，不仅起不到应有的有 益作用，反而会割裂基体的连续性，降低材料的强韧性，因此材料制备中需要严格控制精 炼温度和时间，采用电磁搅拌等方法降低偏聚程度，实际生产中由于钢铁冶炼体积一般达 到几吨至几十吨，电磁搅拌等方法并不能保证钇的充分溶解和均勻化，不可避免的出现偏 聚现象，本发明充分结合焊接熔池是个小冶金的特点，电弧焊条件下其熔池体积仅有30立 方厘米，重量不超过100克(单丝埋弧焊)，因此将超声振动引入该材料的焊接中，在焊接过 程中可以充分搅拌熔池金属，使得稀土元素及其化合物均勻分布于焊缝中，达到提高熔敷 金属力学性能和抗空泡腐蚀性能的目的，也大大降低了对制造焊丝所用钢锭的熔炼要求。 本发明中稀土 Y或者Ce优选范围为0. 02-0. 1 wt %。上述的奥氏体不锈钢焊接材料，在保证耐腐蚀性能、耐冲击性能和耐磨损性能提 高的基础上能大大提高它的耐汽蚀性能，其结构为亚稳态奥氏体，该结构在冲击力作用下 容易发生马氏体相变，一是使硬度强度提高，二是相变引起体积增大，表面产生压应力层， 阻止裂纹的扩散和发展，此外，本发明所提供的这种组织的钢焊接过程无马氏体相变，故无 冷裂可能。本发明中除上述Co、B、Y或Ce外，其它材料化学成分范围的确定依据及原因如下 碳(C)在奥氏体中溶解度有限，有限的溶解度意味着碳化铬析出的危险，同时为了保证良好 的焊接性能，因此碳的含量不能超过0. 025wt%。铬(Cr)铬是铁素体稳定化元素，能提高大多数类型腐蚀的耐受能力，要求Cr含量 保持尽可能高以改善抗腐蚀性能，但是，铬含量过高易引起金属间化合物的析出危险，要求 其含量在15-20wt%。镍(Ni)是奥氏体形成元素，可以改善金属在还原介质中的耐蚀性和耐汽蚀性能以 及在流动的含泥沙的水中的耐磨蚀性能，材料中镍含量应在1. 5^4. 之间。锰(Mn)是比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈的稳定奥氏体的作用，同时是有 效的脱氧和脱硫剂，锰还可以提高材料强度，含量要求控制在8-llwt%。硅(Si)在生产中主要的脱氧元素，在生产和焊接过程中也会增加金属流动性，但 过高的硅含量会使材料产生脆性，因此硅的含量优选为3、wt%。硫、磷都是钢中的有害杂质。应尽量将S、P含量控制在0.03 wt%以下。根据本发明的材料由于其高合金成分而具有优良的力学性能，具有良好的可加工 性能，尤其是热加工性能，如其可焊接性；由此非常适用于生产例如棒材、管材如焊管和无 缝管、板材、带材、线材焊材以及结构零件典型的如螺旋桨、水泵叶轮等。
图1 1#材料微观组织；
4图2 1#材料汽蚀试验中不同时间段的表面形貌；
图2中，(a)汽蚀0. 5h时的表面形貌；(b)汽蚀2. 5h时的表面形貌；(c)汽蚀证时的 表面形貌；(d)汽蚀7. B时的表面形貌；(e)汽蚀IOh时的表面形貌；(f)汽蚀时的 表面形貌；
图3汽蚀试验中累积失重量的变化
图4为焊接方法示意图，1为TIG焊接电源，2为焊枪，3为添加焊丝，4是焊接母材，5为 超声电源，6为变幅杆，7为电弧。
具体实施例方式实施例1
在中频电炉中冶炼本发明耐汽蚀奥氏体不锈钢并轧制拉拔成直径为1. 6mm的焊丝(标 记为 1# 材料)成分为:Cr 18%, Ni 1. 7%, Mn 8. 6%, Si 3. 4%, B 0. 16% C 0. 018%, Ce 0. 02%, 杂质S和P为0. 02%，余量为狗。1#材料的显微组织如图1所示，获得了均勻的奥氏体组 织，晶界间有增强碳化物析出。将试样尺寸为15mmX15mmX13mm的对比材料奥氏体不锈钢 304(标记为0#材料)和本发明1#材料置于如表1所示成分的海水溶液中，控制温度为恒定 21摄氏度，PH值控制在8.0，根据ASTM G32/92标准在超声振动汽蚀试验机上进行试验，振 动频率为20kHz，振幅为50 μ m,试样距变幅杆端面1mm，变幅杆浸入介质的深度为20mm。1# 材料试样的汽蚀形貌如图2所示，(a) (f)分别为腐蚀0. 5h, 2. 5h, 5h, 7. 5h, IOh, 25h 腐蚀后的形貌，图加是汽蚀了 0. 5h时的形貌，试样表面出现了轻微的微观塑性变形，图的 中间能有晶界处出现的少量的平行滑移带。在汽蚀2. 小时后，在奥氏体晶粒的边界处， 由应力产生的滑移带变得明显起来，而且不同晶粒内的滑移带趋向不尽相同，如图2b，在图 中也能看到由于长期受高幅压应力而产生的蚀孔。到了汽蚀证的时候，晶间裂纹首先在奥 氏体晶界处产生，见图2c，而且在图的上部分还能看见由相变产生的马氏体片层交叉所呈 现的三角形结构。图2d是汽蚀了 7. 后的形貌，可以看到晶粒内的滑移非常密集，晶间裂 纹在扩展延伸，奥氏体晶粒内也出现显微裂纹。当汽蚀进行到IOh时(图加)，扭曲变形的 马氏体片层使得奥氏体晶粒内裂纹向晶界扩展并与晶间裂纹相连接，在晶界处优先出现断 裂和材料的脱落。图2f是汽蚀2 后的形貌，材料脱落后新裸露出来的奥氏体继续向马氏 体转变，从图中可以清晰地看到马氏体片层扭曲断裂后留下的解理台阶，材料表面的裂纹 已经纵横交错，本发明1#及对比材料304 (即0#)的累积失重量如图3所示。实施例2:
在中频电炉中冶炼本发明耐汽蚀亚稳态奥氏体不锈钢成分为Cr 18%, Ni 2.3%，Mn 9. 2%, Si 3%, B 0. 2% C 0. 012%, Y 0. 01%,杂质 S 和 P 为 0. 02%,余量为 Fe。冶炼后浇注成 钢锭，钢锭由40mm方坯到8mm盘条经过15道孔，再经过多道拉拔制成直径为1. 6mm的焊丝， 采用钨极氩弧焊(TIG)方法采用该材料焊丝在304L不锈钢表面进行堆焊，焊接电流110A， 焊接电压16V，焊接速度16cm/min，保护气体为纯度99. 9%的氩气，流量为15L/min，采用图 4所示的TIG电源，超声电源直接与被焊工件相连，超声电源振动频率为20KHz，堆焊4层， 堆高6mm，所获得的堆焊层熔敷金属标记为姊材料.采用与获得姊材料相同的焊接参数， 但去除超声电源或者将超声频率设置为0Hz，获得的堆焊层金属标记为3#材料。堆焊后的 姊及3#材料取样后置于如实施例1所述的试验条件下试验。堆焊层材料和姊材料本身的失重量如图3所示，其腐蚀后微观形貌与1#相近，此处不予重复。通过图3的对比发现，本发明的耐汽蚀亚稳态奥氏体不锈钢焊接材料在超声振动 汽蚀试验机上经过50小时后的腐蚀仅失重最多2. 5mg,明显低于常用奥氏体不锈钢304的 失重量45. 3mgo采用超声振动钨极氩弧焊的方法在304上进行堆焊后堆焊层2#的耐腐蚀 性能接近于焊材本身，而不加超声采用与2#相同焊接参数进行焊接得到的3#堆焊层金属 失重同样小于304不锈钢，但大于2#材料，说明超声辅助焊接能提高材料的抗空泡腐蚀性 能。该材料采用实施例2的工艺进行表面堆焊时，堆焊层厚度应不小于6mm。表1试验海水化学成分
权利要求
1.一种耐汽蚀不锈钢焊丝，其特征在于所述成份按重量百分比计算Cr 15-20%, Co 8-12%, Mn 8-11%, Ni 1. 5-4%, Si 3-5%, B 0. 12-0. 22%, C 0. 010-0. 025%，稀土 Ce 或者 Y 0. 02-0. 1%,余量为Fe，杂质的重量百分比不高于0. 03%。
2.如权利要求1所述的一种耐汽蚀不锈钢焊丝在钨极氩弧焊中的应用。
3.如权利要求1所述的一种耐汽蚀不锈钢焊丝在钨极氩弧焊中的应用，其特征在于 焊接工艺参数为焊接电流110A,焊接电压16V，焊接速度16cm/min，保护气体为纯度99. 9% 的氩气，流量为15L/min，堆焊层厚度应不小于6mm。
4.如权利要求2所述的一种耐汽蚀不锈钢焊丝在钨极氩弧焊中的应用，其特征在于 焊接时对工件辅以频率为12-25KHZ超声振动。
5.如权利要求1所述的一种耐汽蚀不锈钢焊丝，其特征在于所述焊丝在海水环境中 平均耐汽蚀失重低于0. 05mg/h。
6.如权利要求5所述的一种耐汽蚀不锈钢焊丝，其特征在于所述海水的成分为=NaCl 26. 225g/L,MgCl2 · 6H20 5. 236g/L, MgSO4 3. 390g/L,CaCl2 1.153g/L,KCl 0. 768g/L, NaHCO3 0.196 g/Lo
全文摘要
本发明涉及一种耐汽蚀不锈钢焊丝及其焊接方法，该材料配合其焊接方法得到的熔覆金属具有高耐海水腐蚀和耐汽蚀性能，其特征在于具有如下的成分及质量百分比Cr15-20%，Co8-12%，Mn8-11%，Ni1.5-4%，Si3-5%,B0.12-0.22,C0.010-0.025%,稀土Ce或者Y0.02-0.1%，余量为Fe。将熔炼钢材经锻造、轧制并拉拔成所需直径的焊丝。该焊接材料在超声振动频率为12-25KHz范围内的TIG电弧作用下取得更为理想的耐汽蚀性能。本发明主要用于海水螺旋桨、水泵、叶轮叶片等具有汽蚀特性的产品的修复和制造，其熔覆金属平均耐汽蚀失重低于0.05mg/h，远远低于普通不锈钢304的平均耐汽蚀失重0.91mg/h，在海水环境中均具有优异的耐汽蚀性能和海水冲蚀性能，强度高、韧性好。
文档编号B23K9/16GK102069318SQ20101058656
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者陈希章 申请人:江苏大学