专利名称：耐空泡腐蚀不锈钢焊丝及其焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种焊接材料及其焊接方法，特别是涉及一种用以耐空泡腐蚀的堆 焊焊丝及其焊接工艺方法。
背景技术：
空泡腐蚀是发生在水轮机、螺旋桨、水泵等流体设备上的腐蚀行为。当液体相 对于金属表面高速运动时，表面不断发生气穴，在气穴随后的破灭过程中液体对金属表 面产生强烈的冲击力，如此反复作用，使得零件表面金属产生疲劳而以致脱落，形成许 多小坑，它直接导致了材料表面裂纹的产生，缩短了流体设备的使用寿命。目前在应用 的耐空泡腐蚀材料主要为铜基、、钴基、镍基合金、铸铁和不锈钢等各类材料。其中钴 基、镍基合金耐空泡腐蚀性能较好，但生产成本也高，而不锈钢材料由于其较好的性价 比得到越来越广泛的应用。文献[1](陈岩.不同材料抗空泡腐蚀性能的比较，热加工工 艺，2000(3) 23-25)报道了 HT200、QT600、ZGO铬13镍6钼等多种材料的耐空泡腐 蚀性能数据，15小时总失重最多材料HT200达到961.4mg，最小失重量的材料ZGO铬13 镍6钼为25.2mg，失重量依然明显很大。总的来讲，水轮机、螺旋桨、水泵等流体设备 上相关部件亦然存在空泡腐蚀严重的问题，如高速螺旋桨实用寿命从几百小时到几千小 时，需要经常更换，除了带来较大的经济损失也造成了工作的不便。堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一层具有特定性能材料的工艺过程，作为焊 接领域的一个重要分支，堆焊可以用于制造新零件和修复旧零件。堆焊工艺在实际生产中得到大量的应用，堆焊材料是决定堆焊层金属性能和实 用寿命的关键技术，但市场上缺乏针对空泡腐蚀开发的专用焊材，目前应用较广的是耐 磨耐腐蚀等替代材料，不能满足市场的需要。因此研究新型材料用以堆焊制造或者修 复螺旋桨、水泵等耐空泡腐蚀部件，对提高耐空泡腐蚀性能并延长实用寿命具有重要意 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，10-40铬的碳化物形成体，5-15锰，3.5-7 硅，1.8-4.8镍，0.15-3.5碳和B，0-0.3氮，其余为铁。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。该发明提高镍的含量，降低锰硅含量并添加 铜元素，目的是提高材料的焊接性能，增强焊接熔覆金属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，焊接时合适的辅助特殊气体氮气作 为保护气体，这样电弧挺度好，能量更集中，固焊缝窄，变形小，由于焊速快，被焊金 属过烧轻，接头软化区小，熔覆效率高。同时通过焊接过程使得氮元素进入焊缝金属， 形成氮化物，增强合金耐腐蚀性能。
发明内容
本发明的目的是发明一种耐空泡腐蚀焊丝，用以堆焊修复或者制造耐空泡腐蚀 零部件，主要目的有
(1)不需整体采用耐空泡腐蚀材料，大量节约材料，减少成本；(2)针对我国现状，堆焊耐空泡腐蚀材料比更换耐空泡腐蚀设备更加经济和迅 速；(3)维修方便，适用于不易更换的大型流体设备，如水轮机；(4)作为船体堆焊材料，提高了舰船的机动性和战斗力。本发明是通过如下技术方案来实现的一种耐空泡腐蚀不锈钢焊丝，其材料为碳、铬、镍、锰、硅、铜、钼、氮、
铺、铁。一种耐空泡腐蚀不锈钢焊丝，成分为其材料配比为碳0.05-0.10%;铬 11-15%；镍6-9%；猛1-2.5%；娃0.3-1.0%； f同2-3.5%； 目1.8-2.8%；氮 0.03-0.2% ；铈0.01-0.03% ； P<0.03% ； S<0.03% ；余量为铁。一种耐空泡腐蚀不锈钢焊丝，成分为其材料配比为铬13.31%，镍 6.96%,猛1.36%,娃0.78%,铜2.46%,销2.33，碳0.078%,氮0.078， 铈0.019%，余量为铁。一种耐空泡腐蚀不锈钢焊丝，成分为其材料配比为铬12.10%，117.26%,锰 2.01%,硅 0.43%，铜 3.12%，钼 2.33，碳 0.063%，氮 0.11，铈 0.029%，余量为铁。一种采用权利要求1所述的一种耐空泡腐蚀不锈钢焊丝的焊接方法，采用钨极 氩弧焊(TIG)方法，焊接电流120A，焊接电压17V，焊接速度18碳m/min，保护气体为 纯度99.9%的氩气，流量为12L/min，堆焊4层，堆高6mm。一种采用权利要求1所述的一种耐空泡腐蚀不锈钢焊丝的焊接方法，采用钨极 氩弧焊方法进行堆焊，焊接电流130A，焊接电压17V，焊接速度16碳m/min，保护气体 为纯度99.9%的氩气，流量为15L/min，堆焊3层，堆高4mm。7、一种采用权利要求1所述的一种耐空泡腐蚀不锈钢焊丝的焊接方法，其特征 在于采用钨极氩弧焊(TIG)方法进行堆焊，焊接电流120A，焊接电压13V，焊接速度 20碳m/min，保护气体为纯度98%的氩气+2%氮气，流量为13L/min，堆焊3层，堆高 4mm。根据本发明的焊丝具有较低的碳含量和合适的合金元素，具有优良的焊接性能 和良好的成型性，并避免了贵重金属碳O的使用，并限制了镍的含量，降低了材料成 本。可用于耐空泡腐蚀产品如螺旋桨、水泵叶轮等零部件的堆焊修复和制造。说明书附1为本发明材料1_2#、2_1#及其堆焊层金属1_3#、2_2#、2_3#和0#对比材 料的累积失重量对比图。图2a 2e为本发明1_3#材料空泡腐蚀不同时间下的表面形貌，其中图2a为0.5h空泡腐蚀后的表面形貌；图2b为5h空泡腐蚀后的表面形貌；图2c为7.5h空泡腐蚀后的表面形貌；图2d为IOh空泡腐蚀后的表面形貌；图2e为50h空泡腐蚀后的表面形貌。
具体实施例方式堆不锈钢焊丝，本身在保证耐腐蚀性能、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空泡腐蚀性能。本发明所提供的这种不锈钢焊丝具有良好的焊接 性。本发明中材料化学成分范围的确定依据及原因如下碳(碳)为保证良好的焊接性和成型性能，降低含碳量，同时为了保证堆焊后 熔敷金属的强度和耐空泡腐蚀性，含碳量优选为0.05-0.10wt% ；铬(铬)能提高大多数类型腐蚀的耐受能力，要求铬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 ll-15wt%。镍(镍)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空泡腐蚀 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6-9.0wt%之间。锰(锰)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 l-2.5wt%。铜(铜)可以提高焊接材料在海水中的腐蚀性能，从而提高材料的耐空泡腐蚀性 能。铜的含量优选为2-3.5wt%。钼(钼)能够改善在弱酸环境下和氯化物中的抗腐蚀能力，这有利于海水中的 抗腐蚀能力提高，但太高的钼有可能会与铬形成金属间析出物，本发明中钼含量的优选 范围应在1.8-2.8wt%之间。硅(硅)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0.3-1%。氮的加入可以弥补部分含碳量较低造成的强度损失，降低Ms点，与锰配合还可 以降低镍的使用量，优选范围为0.03-0.2wt%。稀土铈主要是可以细化晶粒，提高材料的综合性能，含量优选为0.01-0.03%。硫、磷都是钢中的有害杂质。应尽量将S、P含量控制在0.03%以下。本发明耐空泡腐蚀不锈钢焊丝先在中频电炉中炼后浇注成钢锭，成分为碳 0.05-0.10% ；铬11-15% ；镍6-9% ；锰1-2.5% ；硅0.3-1.0% ；铜2-3.5% ； 钼1.8-2.8 % ；氮0.03-0.2 % ；铈0.01-0.03 % ； P<0.03 % ； S<0.03 % ；余量为 铁。部分钢锭轧制成8mm厚板材(标记为1_1#)，部分钢锭由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(标记为1_2#)将本发明材 料在常用材料上进行异种金属堆焊，可以用于耐空泡腐蚀部件的制造。采用钨极氩弧 焊(TIG)方法采用1_2#焊丝在304L不锈钢(标记为0#材料)表面进行堆焊，焊接电 流120A，焊接电压17V，焊接速度18碳m/min，保护气体为纯度99.9%的氩气，流量 为12L/min，堆焊4层，堆高6mm.l-2#焊丝材料本身及堆焊层金属(标记为1_3#)制 成15mmX 15mmX 13mm的置于如表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标准在超声振动空泡腐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。0#母材、1_2#焊丝材料及堆焊层金属1_3#失重量如
图1所示。1_3#试样的空 泡腐蚀形貌如图2a 2e所示，可以看到，在腐蚀刚开始的时候，堆焊表面没发生多大 变化，在空泡腐蚀了 0.5h后，试样表面只产生了很轻微的微观塑性变形，到空泡腐蚀了
55h时，堆焊表面出现了较大的微观塑性变形，试样表面出现了大量的起伏和少量微观裂 纹，并呈现板条化的趋势，那是这段时间内部分奥氏体吸收了空泡腐蚀带来的冲击功， 使组织向板条马氏体发生转变，而相变不能吸收的那部分冲击能，使得板条马氏体发生 扭曲变形，塑性变形的发生使得晶界处应力集中，进而最先在晶界处产生晶间裂纹。在 空泡腐蚀5h 7.5h这段时间内，大量的空泡冲击能使得板条马氏体的发生剧烈扭曲， 加速了晶间裂纹的不断延伸和扩展，导致了相邻晶粒交界处的夹杂相的优先剥落。由于 正应力的作用，奥氏体晶粒内产生了微裂纹，奥氏体相不仅均勻腐蚀严重，还有明显的 脆性裂纹，可以观察到裂纹的扩展方向与滑移带的取向不尽相同，有的裂纹与滑移带平 行，有的裂纹与滑移带垂直，当裂纹扩展到相界时，大多转而沿相界扩展，在部分区域 可观察到材料脱落后留下的解理台阶。在空泡腐蚀进行了 IOh后，从图2d看到，堆焊 层表面已经形成纵横交错的脆性裂纹，这是因为晶内微裂纹随着空泡腐蚀时间的增加不 断的扩展延伸，最终与晶间裂纹连接，而裂纹的连接必然使得材料产生许多断裂的小碎 片，这些碎片在空泡冲击下很容易被剥落，这样试样表层开始不断的脱落材料。这个时 候材料的失重异常增大。当空泡腐蚀进行了 50h后，出现宏观大尺寸的空泡腐蚀坑，空 泡腐蚀破坏区域覆盖了奥氏体基体和马氏体相，试样表面的材料大量剥落，见图2e。表1试验海水化学成分
权利要求
1.一种耐空泡腐蚀不锈钢焊丝，其特征在于其材料为碳、铬、镍、锰、硅、 铜、钼、氮、铈、铁。
2.根据权利要求1所述的一种耐空泡腐蚀不锈钢焊丝，其特征在于成分为其材料 配比为碳0.05-0.10% ；铬11-15% ；镍6-9% ；锰1-2.5% ；硅0.3-1.0% ； 铜2-3.5% ；钼1.8-2.8% ；氮:0.03-0.2% ；铺:0.01-0.03% ； P<0.03% ； S<0.03% ； 余量为铁。
3.根据权利要求2所述的一种耐空泡腐蚀不锈钢焊丝，其特征在于成分为其材 料配比为铬13.31%，镍6.96%，锰1.36%，硅0.78%，铜2.46%，钼 2.33，碳0.078%，氮0.078，铈0.019%，余量为铁。
4.根据权利要求1所述的一种耐空泡腐蚀不锈钢焊丝，其特征在于成分为其材 料配比为铬12.10%，镍7.26%，锰2.01%，硅0.43%，铜3.12%，钼 2.33，碳0.063%,氮 0.11，铈 0.029%，余量为铁。
5.—种采用权利要求1所述的一种耐空泡腐蚀不锈钢焊丝的焊接方法，其特征在于 采用钨极氩弧焊(TIG)方法，焊接电流120A，焊接电压17V，焊接速度18碳m/min，保 护气体为纯度99.9%的氩气，流量为12L/min，堆焊4层，堆高6mm。
6.—种采用权利要求1所述的一种耐空泡腐蚀不锈钢焊丝的焊接方法，其特征在于 采用钨极氩弧焊(TIG)方法进行堆焊，焊接电流130A，焊接电压17V，焊接速度16碳 m/min,保护气体为纯度99.9%的氩气，流量为15L/min，堆焊3层，堆高4mm。
7.一种采用权利要求1所述的一种耐空泡腐蚀不锈钢焊丝的焊接方法，其特征在 于采用钨极氩弧焊(TIG)方法进行堆焊，焊接电流120A，焊接电压13V，焊接速度 20碳m/min，保护气体为纯度98%的氩气+2%氮气，流量为13L/min，堆焊3层，堆高 4mm。
全文摘要
本发明涉及一种专门的耐空泡腐蚀堆焊合金焊丝，该焊丝的熔敷金属具有优良的耐空泡腐蚀性能和焊接成型性能，本发明堆焊熔敷金属层具有高耐海水腐蚀和空泡腐蚀性能。其特征在于该堆焊材料的具体化学成分质量百分比为碳0.05-0.10％；铬11-15％；镍6-9％；锰1-2.5％；硅0.3-1.0％；铜2-3.5％；钼1.8-2.8％；氮0.03-0.2％；铈0.01-0.03％；硫≤0.03％；磷≤0.03％；余量为铁，本发明主要用于螺旋桨、海水泵、叶轮叶片等具有汽腐蚀特性产品的堆焊制造或者修复，堆焊后的熔敷金属在海水环境中具有优异的耐汽腐蚀性能和海水冲蚀性能。
文档编号B23K35/30GK102009283SQ20101021327
公开日2011年4月13日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者邱新国, 邱瑜铭, 陈希章, 雷玉成 申请人:江苏锋泰钻石工具制造有限公司