[发明专利]一种耐汽蚀不锈钢焊丝及其焊接方法

说明书

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）：23-25)报道了HT200、QT600、ZG0Cr13Ni6Mo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ZG0Cr13Ni6Mo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，1.8-4.8Ni，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Fe，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匀化，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匀分布于焊缝中，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 %。