用于焊覆的焊接材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序的奧氏體不銹鋼焊接材料。本發(fā)明也涉及根據(jù) 權(quán)利要求8的前序的焊接的制品。本發(fā)明還涉及根據(jù)權(quán)利要求14的用于制造焊接的制品 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 諸如核反應(yīng)器容器的大型部件通常以低合金化或非合金化碳鋼制造且為了保護(hù) 部件不受腐蝕而設(shè)置有不銹鋼層。通過所謂的焊覆（weld cladding)或堆焊（overlay welding)從而將不銹鋼層施加至容器。在表面的焊覆期間，通過在熔化焊劑（flux)層下 的電弧，不銹鋼帶形式的焊接材料在要涂布的表面上熔融。熔化的焊接材料在部件的表面 上固化且形成焊縫覆層（weld clad)。用于焊覆的代表性方法包括埋弧焊（SAW)和電渣焊 (ESff) 〇
[0003] 在反應(yīng)器技術(shù)的最新發(fā)展中，使覆層（cladding)成為反應(yīng)器容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計的 一部分，且因此通過焊接將另外的部件如燃料棒束（fuel bundle)的附件直接連接在反應(yīng) 器容器的不銹鋼覆層上。與此相關(guān)的一個問題是，在反應(yīng)器容器中使用的常規(guī)焊覆材料不 具有承受來自輔助部件的負(fù)荷的足夠強(qiáng)度。
[0004] 為了提高焊接覆層（welding cladding)的強(qiáng)度已經(jīng)進(jìn)行了各種嘗試，例如通過增 加焊接材料中碳的量。然而，高的碳量降低焊覆層（weld cladding)的腐蝕性能。
[0005] 其它工作已經(jīng)涉及解決焊接材料的制造問題。例如，US3537846公開了其中已經(jīng) 用氮取代了碳成分的不銹鋼焊覆帶。所得的焊接材料具有良好的可熱加工性能，這使得可 以容易地制造焊帶。然而，由US3537846中所述的鋼材制造的焊覆層不具有用于現(xiàn)今的現(xiàn) 代核容器的足夠強(qiáng)度。
[0006] W02007037447顯示用于如下焊縫的焊接材料，所述焊縫接合鋅涂布的鋼板。該焊 接材料含有24重量％~30重量％的大量的鉻，且進(jìn)行優(yōu)化以防止熔化的鋅涂層污染焊珠 和引起液態(tài)金屬脆化。
[0007] JP59159295顯示如下的焊接材料，對所述焊接材料進(jìn)行優(yōu)化而用于制造具有30 體積％~75體積％鐵素體含量的焊珠。
[0008] 因此，本發(fā)明的一個目的是解決至少一個上述問題。特別地，本發(fā)明的一個目的是 獲得一種奧氏體-鐵素體不銹鋼焊接材料，由其能夠制造具有高強(qiáng)度和良好耐腐蝕性能的 焊覆層。本發(fā)明的另一個目的是獲得一種焊接的部件，其包含具有高強(qiáng)度和良好耐腐蝕性 能的焊縫金屬。本發(fā)明的又一個目的是獲得能夠以低成本進(jìn)行制造的焊接材料。本發(fā)明的 再一個目的是獲得具有高強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性且適合用于核容器的焊接材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 根據(jù)本發(fā)明，通過用于制造焊縫金屬的奧氏體-鐵素體不銹鋼焊接材料實(shí)現(xiàn)這些 目的中的至少一個，所述奧氏體-鐵素體不銹鋼焊接材料按重量％計包含：
[0010] C 0. 02
[0011] Si 0. 45
[0012] Mn :1. 60 ~2.0
[0013] P 0. 03
[0014] S 0. 03
[0015] Cr : 18. 5 ~25
[0016] Ni :8· 5 ~10. 5
[0017] Mo 0. 75
[0018] Co 0. 2
[0019] Cu 0. 75
[0020] N :0· 12 ~0· 3
[0021] 余量為Fe和附帶的（incidental)雜質(zhì)。
[0022] 本發(fā)明的奧氏體鐵素體鋼焊接材料制造強(qiáng)度高和腐蝕性能良好的焊縫金屬，即焊 接接頭或焊覆層。試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)出人意料地顯示，在通過本發(fā)明的焊接材料制造的焊覆層 中獲得了 563MPa~575MPa的抗張強(qiáng)度。這使得本發(fā)明的焊接材料作為現(xiàn)代核反應(yīng)器中的 容器中的覆層材料是非常有用的。
[0023] 將本發(fā)明的焊接材料與氮合金化，氮填隙式地（interstitially)硬化了焊縫金 屬的奧氏體相，從而增加焊縫金屬的強(qiáng)度。然而，氮是強(qiáng)的奧氏體促進(jìn)元素，其高的量導(dǎo)致 在本發(fā)明的焊縫金屬中主要為奧氏體結(jié)構(gòu)。重要的是本發(fā)明的焊縫金屬具有奧氏體結(jié)構(gòu)， 因?yàn)閵W氏體具有非常好的腐蝕性能。由于奧氏體鋼與鐵素體鋼相比對輻射誘發(fā)的應(yīng)力腐蝕 沒那么敏感，所以在核應(yīng)用中使用奧氏體鋼是更加有利的。然而，在奧氏體鋼的固化期間， 硫和磷傾向于集中到液相且在固化的材料中造成富有硫和磷的條紋。在焊接期間，這一機(jī) 理會在焊縫金屬中導(dǎo)致熱裂紋（hot crack)的形成。因此，本發(fā)明的焊縫金屬應(yīng)該包含預(yù) 定量的鐵素體。鐵素體相具有對磷和硫的高溶解性。因此在焊縫金屬的固化期間，磷和硫 被均勻地溶解在鐵素體中且避免了熱裂紋。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明，通過對焊接材料即焊帶中的鎳的量和鉻的量進(jìn)行平衡（balance)而 在焊縫金屬中獲得足夠量的鐵素體，鎳是奧氏體穩(wěn)定化元素，鉻促進(jìn)鐵素體的形成。這在焊 縫金屬中產(chǎn)生對熱裂紋的非常好的抗性。
[0025] 然而，除了對熱裂的良好抗性外，還出人意料地發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的焊縫金屬具有非常 高的抗張強(qiáng)度。
[0026] 據(jù)認(rèn)為，出人意料的高抗張強(qiáng)度是由平衡量的鉻和鎳所引起的，所述平衡量的鉻 和鎳除了在焊縫材料中確保部分鐵素體結(jié)構(gòu)外，還有助于由源自氮成分的硬化效果而增加 強(qiáng)度。通常，鉻增加鋼的強(qiáng)度，而鎳通常是提高鋼的延展性的元素。因此認(rèn)為，高量的鉻結(jié) 合相對低量的鎳在本發(fā)明的焊縫金屬中產(chǎn)生另外的強(qiáng)度增加。
[0027] 定義：
[0028] 在本發(fā)明中，就"焊接材料"（welding material)而言，是指用于通過使所述"焊 接材料"熔化和使其在表面上固化而制造焊縫例如焊覆層的材料。就"焊縫金屬"（weld metal)而言，是指焊縫本身即焊覆層或焊珠的材料。
[0029] 關(guān)于附錄的簡要說明：
[0030] 表4 :本發(fā)明的焊接材料的化學(xué)組成
[0031] 表5 :本發(fā)明的焊縫材料的化學(xué)組成
【具體實(shí)施方式】
[0032] 所述奧氏體-鐵素體不銹鋼焊接材料包含以下元素：
[0033] 碳（C)為奧氏體穩(wěn)定化元素。由于本發(fā)明的焊接材料中刻意的高氮量，所以為了 在焊縫金屬中確保足夠的鐵素體相從而避免熱裂紋，將全部其它奧氏體穩(wěn)定化元素保持為 低的是重要的。因此碳應(yīng)該以盡可能少的量存在于本發(fā)明的焊接材料中。碳還在焊縫金屬 中產(chǎn)生增加晶間腐蝕（inter granular corrosion)風(fēng)險的絡(luò)碳化物。為了在焊縫金屬中 使不需要的奧氏體的形成最小化和確保良好的耐腐蝕性，應(yīng)將焊接材料中的碳限制至〇. 02 重量％，即0重量％~0. 02重量％。
[0034] 硅（Si)用于對鋼進(jìn)行除氧，因此少量的硅是不可避免的。然而，大量的硅會導(dǎo)致 焊縫金屬的熱裂。因此應(yīng)將焊接材料中的硅限制為最大〇. 45重量％。
[0035] 錳（Mn)增加氮在焊接材料中的溶解性，這使得可以向焊接材料添加高量的氮而 不會形成氮化物或氮?dú)猓∟2)的孔。錳還形成具有如下形狀的錳硫化物，所述形狀會積極地 降低焊縫金屬中熱裂紋的形成。因此焊接材料中的錳應(yīng)該以至少1.60重量％的量存在。 錳會在焊接材料中造成變形硬化且因此應(yīng)被限制為最大2. 0重量％。優(yōu)選地，錳為1. 70重 量％~1. 90重量％。
[0036] 磷⑵和硫⑶通常以雜質(zhì)的形式包含在焊接材料用原料中，且如果以高量存在 會在焊縫金屬中造成熱裂。因此，磷不應(yīng)該超過〇. 03重量％且硫不應(yīng)該超過0. 04重量％。
[0037] 鉻（Cr)在本發(fā)明的焊接材料中是重要的元素，因?yàn)樗ㄟ^在最終的焊縫金屬的 表面上形成鉻氧化物層（Cr203)而提供耐腐蝕性。鉻還是鐵素體促進(jìn)元素，因此高量的鉻 對于在本發(fā)明的焊縫金屬中獲得預(yù)定的鐵素體相是重要的。由于鉻的溶液硬化效果，其對 本發(fā)明的焊縫金屬的強(qiáng)度還具有積極的效果。因此在本發(fā)明的焊接材料中鉻應(yīng)該以至少 18. 5重量％的量存在。然而，高量的鉻會導(dǎo)致富鉻氮化物的析出，這在焊縫金屬中對沖擊韌 性和點(diǎn)狀腐蝕具有負(fù)面影響。因此應(yīng)將鉻限制至25重量％，優(yōu)選鉻應(yīng)該在18. 5重量％~ 21. 5重量％、更優(yōu)選20重量％~21重量％的區(qū)間內(nèi)。
[0038] 鎳（Ni)和鉻一起在本發(fā)明的焊接材料中是最重要的金屬合金元素。鎳是奧氏體 穩(wěn)定化元素，且因此為了在本發(fā)明的焊縫金屬中確保鐵素體相和避免熱裂紋，鎳應(yīng)該以低 量存在于本發(fā)明的焊接材料中。鎳還增加延展性。因此為了在發(fā)明的焊縫金屬中獲得高強(qiáng) 度，保持低的鎳含量是重要的。鎳還是相對貴的合金元素且因?yàn)檫@個原因而應(yīng)該以盡可能 少的量使用。然而，由于鎳提高焊縫金屬的沖擊韌性且還通過穩(wěn)定化Cr203提高腐蝕性，在 發(fā)明的焊接材料中包含鎳是重要的。因此鎳應(yīng)該以8. 5重量％~10. 5重量％、優(yōu)選9重 量％~10重量％的量存在。
[0039] 鉬（Mo)提高焊縫金屬的耐腐蝕性且還對鐵素體相具有強(qiáng)的穩(wěn)定化效果。然而，由 于金屬間相的形成，在焊后熱處理（PWHT)后鉬可能會造成焊縫金屬的低延展性。此外，鉬 是貴的合金元素，為了獲得有成本效益的焊接材料，鉬的量應(yīng)該低。因此，應(yīng)該將焊接材料 中的鉬的量限制為最大〇. 75重量％，優(yōu)選鉬為0重量％~0. 75重量％。
[0040] 鈷（Co)在核反應(yīng)器應(yīng)用中是不期望的元素，因?yàn)殁捲谳椛溆绊懴罗D(zhuǎn)變?yōu)榉派湫?同位素。為了避免這種情況和滿足國際輻射安全協(xié)議，在本發(fā)明的焊接材料中將鈷限制至 〇. 05重量％，即O重量％~0.05重量％。
[0041] 銅（Cu)通常存在于本發(fā)明焊接材料用原料中且可以視為雜質(zhì)。因?yàn)殂~降低焊縫 金屬的延展性且由此降低沖擊強(qiáng)度，所以高量的銅對焊縫金屬具有負(fù)面影響。銅還穩(wěn)定奧 氏體相，因此應(yīng)該避免高量的銅。因此，應(yīng)該將鋼合金中的銅的量限制為最大0.75重量％， 即〇重量％~〇. 75重量％。
[0042] 氮（N)被包含在本發(fā)明的焊接材料中，以增加焊縫金屬的強(qiáng)度。將氮原子填隙式 地排列在本發(fā)明的焊縫金屬的奧氏體結(jié)構(gòu)中，由此在發(fā)明的焊縫金屬中產(chǎn)生固溶體硬化效 果。因此為了使焊縫金屬中的硬化效果和由此導(dǎo)致的強(qiáng)度最大化，應(yīng)該使本發(fā)明的焊接材 料中的氮的量最大化。然而，高量的氮可能會造成鉻氮化物的析出，其降低焊縫金屬的耐腐 蝕性。高量的氮還會導(dǎo)致形成降低焊縫金屬的沖擊韌性的氣孔。因此本發(fā)明的焊接材料中 的氮含量應(yīng)該為〇. 12重量％~0.3重量％，優(yōu)選為0. 12重量％~0.20重量％、或0. 12重 量％~0. 18重量％或0. 14重量％~0. 18重量％，更優(yōu)選為0. 12重量％~0. 16重量％或 最優(yōu)選為〇. 12重量％~0. 14重量％。
[0043] 應(yīng)該對本發(fā)明焊接材料中的合金元素的量進(jìn)行平衡，以使得在固化的焊縫材料中 獲得具有至少5體積％的鐵素體相的奧氏體結(jié)構(gòu)。如上所述，重要的是有足夠的鐵素體存 在于所述結(jié)構(gòu)中從而防止熱裂紋，而且鐵素體還增加焊縫金屬的強(qiáng)度。然而，鐵素體相不應(yīng) 超過15體積％，因?yàn)檫@在輻射環(huán)境中會導(dǎo)致應(yīng)力誘發(fā)的腐蝕。因此，應(yīng)該對本發(fā)明焊接材 料中的合金元素進(jìn)行平衡，以使得在通過熔化本發(fā)明焊接材料而獲得的固化焊縫金屬中的 鐵素體的量為5體積％~15體積％。優(yōu)選地，鐵素體相的量為8體積％~12體積％，更優(yōu) 選為9體積％~11體積％，因?yàn)橛纱双@得了高強(qiáng)度和耐腐蝕性以及對焊縫破裂的良好抗 性。剩余相為奧氏體。
[0044] 顯而易見地，所述焊接材料也具有基本上相同的鐵素體相和奧氏體相的比率，即 所述焊接材料也具有5重量％~15重