本發(fā)明屬于焊接材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種耐非氧化性酸腐蝕的奧氏體不銹鋼焊條及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：在化學(xué)工業(yè)和有機(jī)合成領(lǐng)域，通常需要處理大量的硫酸、硫酸鹽、磷酸、鹽酸以及紡絲液等酸性物質(zhì)，因此，316、317系列奧氏體不銹鋼等耐腐蝕性較強(qiáng)的不銹鋼種得到了大量應(yīng)用。而對(duì)于一些難以抵抗的非氧化性酸環(huán)境中，需采用高合金含量的cr-ni不銹鋼，如carpenter20(20cr-30ni-2mo-3cu)等，鎳基合金hastelloyb(ni-30mo)、hastelloyc(ni-16cr-16mo)，甚至是鈦合金等等。20世紀(jì)70年代以后，n元素對(duì)耐點(diǎn)蝕性能的作用效果得到關(guān)注，并開發(fā)了一系列含n的耐點(diǎn)腐蝕奧氏體不銹鋼，n元素可替代ni元素并提高不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能，而且其耐酸性也較316系列奧氏體不銹鋼更加優(yōu)異，更適合排煙脫硫設(shè)備的洗滌塔等場(chǎng)合和環(huán)境惡劣的非氧化性酸性環(huán)境。作為耐酸性不銹鋼，新開發(fā)了增加cu、mo等合金元素含量的含氮奧氏體不銹鋼，如20cr-15ni-3mo-1.7cu-0.2n、18cr-15ni-4mo-3cu-0.15n等，這些耐酸性?shī)W氏體不銹鋼較高cr-ni奧氏體不銹鋼更經(jīng)濟(jì)，在惡劣環(huán)境中如煙囪中遇到的硫酸露點(diǎn)腐蝕、漂白工序、發(fā)生鹽酸露點(diǎn)腐蝕或聚氯乙烯等合成反應(yīng)場(chǎng)合等具有更好的耐腐蝕性能，在化學(xué)工業(yè)、有機(jī)合成領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用背景。cr-ni-mo-cu-n系耐酸性?shī)W氏體不銹鋼首先由瑞典于20世紀(jì)80年代末期開發(fā)出來(lái)，日本在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了開發(fā)和改良，推出了20cr-15ni-3mo-1.7cu-0.2n耐酸性?shī)W氏體不銹鋼，這種不銹鋼具有較好的經(jīng)濟(jì)性，耐點(diǎn)蝕性能十分優(yōu)異，在多種非氧化性酸環(huán)境中均可使用。這種不銹鋼在制造和加工過(guò)程中均不同程度地依靠焊接技術(shù)，因此，針對(duì)cr-ni-mo-cu-n系耐酸性?shī)W氏體不銹鋼開發(fā)一種焊接工藝和耐酸性能優(yōu)異的不銹鋼焊條是其獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。然而，與此類新型耐酸型不銹鋼相比，市場(chǎng)上成熟的普通奧氏體不銹鋼焊條如e316l等存在化學(xué)成分和耐腐蝕性能不足的問(wèn)題，已無(wú)法滿足此類新型耐酸性?shī)W氏體不銹鋼的要求。由于此類不銹鋼中含有較高含量的ni，焊縫中粗大的柱狀?yuàn)W氏體晶粒發(fā)達(dá)，嚴(yán)重惡化其力學(xué)性能，因此，此類焊材開發(fā)的難點(diǎn)在于保障焊材熔敷金屬化學(xué)成分的基礎(chǔ)上如何提高其力學(xué)性能，特別是焊接接頭韌性。目前，中國(guó)專利cn103817464a公開了一種耐腐蝕焊條，此專利公開的焊條適用于非氧化性酸的環(huán)境，但其采用高cr、ni、mo體系，焊條經(jīng)濟(jì)性差；此外，過(guò)高的cr、ni、mo含量會(huì)影響對(duì)硫酸的耐腐蝕性能；而且其焊條中未添加cu和n元素，焊接部位的韌性及耐腐蝕性能較cr-ni-mo-cu-n系耐酸性?shī)W氏體不銹鋼差，無(wú)法滿足20cr-15ni-3mo-1.7cu-0.2n、18cr-15ni-4mo-3cu-0.15n等cr-ni-mo-cu-n系耐酸性?shī)W氏體不銹鋼的焊接要求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種耐非氧化性酸腐蝕的奧氏體不銹鋼焊條，解決現(xiàn)有高cr、ni、mo焊條耐非氧化性酸腐蝕性能和韌性不足的問(wèn)題。為此，本發(fā)明提供了一種耐非氧化性酸腐蝕的奧氏體不銹鋼焊條，包括焊芯和裹覆在焊芯表面的藥皮，所述藥皮由干粉和粘接劑混合而成，所述藥皮中干粉的成分及各成分占干粉總質(zhì)量的百分比如下：金紅石：39～45％；石英：5～10％；鉀長(zhǎng)石：8～15％；al2o3：3～5％；方解石：5～15％，螢石：5～10％；纖維素：0.5～1.0％；氮化鉻鐵：2.0～5.0％；金屬鉻：7.0～8.0％；電解錳：5.5～7.0％；鉬鐵：0.3～0.5％；鎳粉：0.5～0.7％。進(jìn)一步的，所述焊芯的質(zhì)量占焊條總質(zhì)量的百分比為55～60％，藥皮的質(zhì)量占焊條總質(zhì)量的百分比為40～45％。進(jìn)一步的，所述焊芯中所含合金化學(xué)元素的種類及各元素的質(zhì)量百分比為：c：0.010～0.030％，si≤0.10％，mn：1.8～2.0％，cr：21.0～23.0％，ni：14.0～16.0％，mo：3.0～3.2％，cu：1.5～2.0％，n：0.25～0.50％，s≤0.0050％，p≤0.010％，余量為fe；采用該專用焊芯向焊縫中穩(wěn)定過(guò)渡合金元素cr、ni、mo、cu、n等，可穩(wěn)定熔敷金屬的化學(xué)成分以及力學(xué)性能。進(jìn)一步的，所述藥皮中粘接劑的質(zhì)量為干粉總質(zhì)量的15～20％。進(jìn)一步的，所述粘接劑采用k:na為1:1的高模鉀鈉混合水玻璃，所述高模鉀鈉混合水玻璃的模數(shù)為2.8～3.0；采用高模鉀鈉混合水玻璃增加了藥皮強(qiáng)度，焊條表面質(zhì)量?jī)?yōu)異，同時(shí)可提高焊條的抗吸潮性能。進(jìn)一步的，所述氮化鉻鐵中cr元素的含量為60％，n元素的含量為5％，其余為fe元素和不可避免的雜質(zhì)。具體的，所述藥皮中干粉的成分及各成分占干粉總質(zhì)量的百分比如下：金紅石：39％；石英：5％；鉀長(zhǎng)石：10％；al2o3：5％；方解石：15％，螢石：6％；纖維素：0.5％；氮化鉻鐵：3.5％；金屬鉻：8.0％；電解錳：7.0％；鉬鐵：0.5％；鎳粉：0.5％。具體的，所述藥皮中干粉的成分及各成分占干粉總質(zhì)量的百分比如下：金紅石：43％；石英：10％；鉀長(zhǎng)石：8％；al2o3：4％；方解石：6％，螢石：10％；纖維素：0.5％；氮化鉻鐵：5％；金屬鉻：7％；電解錳：5.5％；鉬鐵：0.3％；鎳粉：0.7％。具體的，所述藥皮中干粉的成分及各成分占干粉總質(zhì)量的百分比如下：金紅石：45％；石英：9％；鉀長(zhǎng)石：15％；al2o3：3％；方解石：5％，螢石：5％；纖維素：1％；氮化鉻鐵：2％；金屬鉻：7.5％；電解錳：6.5％；鉬鐵：0.4％；鎳粉：0.6％。本發(fā)明提供的這種耐非氧化性酸腐蝕的奧氏體不銹鋼焊條，用于cr-ni-mo-cu-n系耐酸性?shī)W氏體不銹鋼的全位置焊接。本發(fā)明耐非氧化性酸腐蝕的奧氏體不銹鋼焊條中藥皮配方設(shè)計(jì)原理如下：金紅石，主要作用為造渣、穩(wěn)弧、調(diào)節(jié)熔渣的物理性能，改善焊縫成形；金紅石加入量小于30％時(shí)，電弧穩(wěn)定性差、難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的焊接；其加入量大于40％時(shí)，焊縫脫渣過(guò)早，焊縫表面氧化色嚴(yán)重，影響焊縫表面質(zhì)量，而且容易形成酸性氧化物夾雜并造成焊縫增氧，惡化力學(xué)性能，特別是韌性。石英，主要作用是造渣，在鈦酸型藥皮不銹鋼焊條中可以形成典型的渣壁過(guò)渡形態(tài)過(guò)渡，減少飛濺，增加電弧穩(wěn)定性并改善渣的活潑性；石英含量太小則作用不明顯，其含量若超過(guò)10％則使渣的粘度急劇增加，爆炸聲音顯著。鉀長(zhǎng)石，作用主要是造渣和穩(wěn)弧，其中含有的低電離物質(zhì)如k、na等元素可增加電弧的穩(wěn)定性，鉀長(zhǎng)石中含有al2o3等熔點(diǎn)較高的物質(zhì)，適量添加鉀長(zhǎng)石可增加焊條套筒的長(zhǎng)度，形成渣壁過(guò)渡，鉀長(zhǎng)石含量超過(guò)15％則減慢焊速，增加渣的粘度，焊接工藝性能惡化。al2o3，熔點(diǎn)較高，可提高藥皮熔點(diǎn)，形成合適長(zhǎng)度的套筒，可促進(jìn)焊渣形成短渣，提高全位置焊接工藝性能，本發(fā)明中控制其添加量為3～5％。方解石，與大理石相近，為碳酸鹽(caco3)，在藥皮中的作用是造渣、造氣、脫硫等，在不銹鋼焊條中不宜多用，不然會(huì)導(dǎo)致焊縫增碳，降低焊接接頭的耐腐蝕性能，本發(fā)明中將方解石的含量限定在5～15％之間。螢石，作為稀釋劑，能活化焊渣，增加焊渣的流動(dòng)性能，使焊縫中的氣體易于逸出，螢石中的f元素與h結(jié)合形成hf而揮發(fā)，減少焊縫金屬中的擴(kuò)散氫含量，從而提高焊縫金屬的力學(xué)性能，但是f元素屬于高電離元素，會(huì)破壞電弧的穩(wěn)定性，因此本發(fā)明中將螢石含量限定在5～10％之間。纖維素，主要作用是穩(wěn)弧和改善焊條的壓涂性能，提高焊條表面質(zhì)量和成品率，本發(fā)明中控制其含量為0.5～1.0％。氮化鉻鐵，主要向焊縫金屬中補(bǔ)充合金元素cr和n。氮化鉻鐵中cr元素的含量約為60％，n元素的含量約為5％，其余為fe元素和不可避免的雜質(zhì)。氮化鉻鐵可補(bǔ)充cr和n元素的燒損，使焊縫金屬中的合金成分保持穩(wěn)定，從而達(dá)到優(yōu)異的耐腐蝕性能。當(dāng)?shù)t鐵的加入量低于2.0％時(shí)，焊縫金屬中n元素的含量不足，焊縫金屬的強(qiáng)度以及耐腐蝕性能下降，當(dāng)加入量超過(guò)5.0％時(shí)，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度急劇增加，塑性降低，因此其加入量的范圍為2.0～5.0％。金屬鉻，補(bǔ)充cr元素的燒損并向焊縫金屬中過(guò)渡合金元素cr。當(dāng)金屬鉻的加入量低于7.0％時(shí)，熔敷金屬中cr元素含量不足，當(dāng)金屬鉻加入量超過(guò)8.0％時(shí)，cr元素含量偏高，導(dǎo)致焊縫金屬?gòu)?qiáng)度增加，對(duì)塑性以及韌性不利。電解錳，對(duì)焊縫金屬起到脫氧的作用并凈化焊縫金屬，向焊縫金屬過(guò)渡合金元素mn，提高焊縫金屬力學(xué)性能。加入量低于5.5％時(shí)脫氧不足，力學(xué)性能低，加入量高于7.0％時(shí)，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度增加，但焊接煙塵明顯增加。因此，本發(fā)明中電解錳的加入量為5.5～7.0％。鉬鐵，合金劑，補(bǔ)充焊芯中mo元素的燒損并向焊縫金屬過(guò)渡必要的合金元素mo。當(dāng)鉬鐵加入量低于0.3％時(shí)，焊縫金屬中mo元素含量不足，而加入量高于0.5％時(shí)，mo元素含量偏高，導(dǎo)致焊縫金屬?gòu)?qiáng)度顯著增加，塑性降低。因此，本發(fā)明中鉬鐵的加入量為0.3～0.5％。鎳粉：合金劑，向焊縫中補(bǔ)充合金元素ni，穩(wěn)定焊縫金屬的化學(xué)成分，鎳粉的添加量低于0.5％時(shí)，焊縫金屬化學(xué)成分ni含量偏低，與焊材對(duì)應(yīng)的母材化學(xué)成分不匹配，其加入量高于0.7％時(shí)，將導(dǎo)致化學(xué)成分中ni元素的含量偏高，同時(shí)導(dǎo)致焊縫金屬?gòu)?qiáng)度降低。因此，鎳粉的加入量為0.5～0.7％。本發(fā)明的有益效果：(1)本發(fā)明提供的這種耐非氧化性酸腐蝕的奧氏體不銹鋼焊條采用cr-ni-mo-cu-n系不銹鋼專用焊芯，以焊芯過(guò)渡的方式向焊縫過(guò)渡主要合金元素，并通過(guò)藥皮過(guò)渡部分合金元素如si、mn、cr、ni、n等，提供穩(wěn)定的焊縫金屬化學(xué)成分，通過(guò)控制cr、ni、n等合金元素的含量而獲得優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。(2)本發(fā)明提供的這種耐非氧化性酸腐蝕的奧氏體不銹鋼焊條設(shè)計(jì)了tio2-sio2-al2o3體系的鈦酸型渣系，形成深套筒渣壁過(guò)渡形態(tài)，改善了焊條的工藝性能，電弧穩(wěn)定、飛濺小、脫渣優(yōu)良，可進(jìn)行全位置焊接。(3)本發(fā)明提供的這種耐非氧化性酸腐蝕的奧氏體不銹鋼焊條用于cr-ni-mo-cu-n系耐酸性?shī)W氏體不銹鋼的全位置焊接，通過(guò)控制藥皮中氮化鉻鐵的含量，控制焊縫金屬中n元素的含量，通過(guò)高熔點(diǎn)n化物顆粒如crn等細(xì)化焊縫晶粒，解決了現(xiàn)有高cr、ni、mo焊條耐非氧化性酸腐蝕性能和韌性不足的問(wèn)題。(4)本發(fā)明提供的這種耐非氧化性酸腐蝕的奧氏體不銹鋼焊條焊縫金屬對(duì)硫酸、鹽酸和醋酸等非氧化性酸具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，在硫酸濃度為40％，測(cè)試溫度為50℃的惡劣環(huán)境下，其耐硫酸溶液腐蝕速率遠(yuǎn)小于0.1mm/a，耐硫酸溶液腐蝕性能明顯優(yōu)于316l奧氏體不銹鋼。具體實(shí)施方式下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。實(shí)施例中的耐非氧化性酸腐蝕的奧氏體不銹鋼焊條采用焊芯的質(zhì)量占焊條總質(zhì)量的百分比為55～60％，藥皮的質(zhì)量占焊條總質(zhì)量的百分比為40～45％；所述焊芯為cr-ni-mo-cu-n系不銹鋼專用焊芯，焊芯中所含合金化學(xué)元素的種類及各元素的質(zhì)量百分比為：c：0.010～0.030％，si：0.05％，mn：1.93％，cr：21.9％，ni：15.2％，mo：3.0％，cu：1.85％，n：0.45％，s：0.0450％，p：0.008％，余量為fe。而對(duì)應(yīng)實(shí)施例中藥皮所采用的干粉組分配比如表1所示，所采用的粘結(jié)劑如表2所示，所述粘接劑采用k:na為1:1的高模鉀鈉混合水玻璃，所述高模鉀鈉混合水玻璃的模數(shù)為2.8～3.0，以干粉總重為100％計(jì)，粘接劑加入量為干粉總質(zhì)量的15～20％。表1：藥皮中干粉成分配比(wt.％)干粉組成實(shí)施例1實(shí)施例2實(shí)施例3金紅石394345石英5109鉀長(zhǎng)石10815al2o3543方解石1565螢石6105纖維素0.50.51氮化鉻鐵3.552金屬鉻877.5電解錳75.56.5鉬鐵0.50.30.4鎳粉0.50.70.6表2：粘接劑添加比例(wt.％)粘接劑實(shí)施例1實(shí)施例2實(shí)施例3高模鉀鈉混合水玻璃181520采用上述實(shí)施例1～3制備的耐非氧化性酸腐蝕的奧氏體不銹鋼焊條經(jīng)過(guò)焊接后，對(duì)焊縫金屬進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表3和表4所示。表3：奧氏體不銹鋼焊條熔敷金屬化學(xué)成分(wt.％)表4：奧氏體不銹鋼焊條熔敷金屬力學(xué)性能力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度rm(mpa)延伸率a(％)沖擊功kv2(j)/室溫實(shí)施例15943963、56、59實(shí)施例26073555、53、57實(shí)施例35873759、65、68另外，為了測(cè)試本發(fā)明的耐非氧化性酸腐蝕的奧氏體不銹鋼焊條熔敷金屬對(duì)非氧化性酸的耐腐蝕性能，選擇腐蝕性較強(qiáng)的硫酸溶液對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。腐蝕性酸溶液一般分為氧化性酸和還原性酸兩種類型，而硝酸則屬于典型的氧化性酸，硫酸由于濃度和溫度的不同呈現(xiàn)不同程度的氧化還原性質(zhì)，在其濃度為65％以下時(shí)，均呈現(xiàn)出還原性，濃度大于85％時(shí)則呈現(xiàn)出氧化性，濃度位于65％-85％之間時(shí)則隨著溫度的變換呈現(xiàn)不同的性質(zhì)，低溫時(shí)呈現(xiàn)出還原性，高溫下則呈現(xiàn)出氧化性；當(dāng)硫酸濃度較高或較低時(shí)，其對(duì)不銹鋼的腐蝕均較小，當(dāng)硫酸濃度較低時(shí)，硫酸呈現(xiàn)較弱的酸性，氫去極化作用較弱，腐蝕速率低；當(dāng)硫酸濃度較高時(shí)，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的氧化性，使不銹鋼表面形成鈍化膜，降低了腐蝕速率；而硫酸濃度在30％-40％范圍內(nèi)時(shí)，其酸性較強(qiáng)，而氧化性還處于較弱的水平，其腐蝕性最大。因此，本發(fā)明中選擇溫度為50℃、濃度為40％的硫酸溶液中進(jìn)行耐腐蝕試驗(yàn)。硫酸溶液對(duì)本發(fā)明中的cr-ni-mo-cu-n系耐酸性?shī)W氏體不銹鋼焊條熔敷金屬的腐蝕屬于典型的氫去極化腐蝕，其腐蝕過(guò)程如下：陽(yáng)極反應(yīng)：m(金屬)→mn++ne；陰極反應(yīng)：2h++2e→h2。試驗(yàn)采用失重法對(duì)本發(fā)明的耐非氧化性酸腐蝕的奧氏體不銹鋼焊條熔敷金屬進(jìn)行測(cè)試，即檢測(cè)試樣腐蝕前后的重量差并計(jì)算其腐蝕速率來(lái)評(píng)定材料的耐腐蝕性能，試驗(yàn)采用的電子天平精度為±0.1mg。為了對(duì)比，試驗(yàn)中同時(shí)將316l焊條熔敷金屬進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。表5：奧氏體不銹鋼焊條焊縫金屬耐腐蝕性能種類酸溶液測(cè)試溫度/℃腐蝕速率mm/a316l40％h2so4溶液502.785實(shí)施例140％h2so4溶液500.0736實(shí)施例240％h2so4溶液500.0825實(shí)施例340％h2so4溶液500.0893由表5可知，本發(fā)明提供的這種耐非氧化性酸腐蝕的奧氏體不銹鋼焊條熔敷金屬的耐腐蝕性能十分優(yōu)異，在硫酸濃度為40％，測(cè)試溫度為50℃的惡劣環(huán)境下，其耐硫酸溶液腐蝕性能明顯優(yōu)于316l奧氏體不銹鋼。綜上所述，本發(fā)明提供的這種耐非氧化性酸腐蝕的奧氏體不銹鋼焊條采用專用焊芯、鈦酸型藥皮和新合金體系，獲得了優(yōu)良的焊接工藝性能和熔敷金屬力學(xué)性能、熔敷金屬對(duì)非氧化性酸的耐腐蝕性能，解決了現(xiàn)有高cr、ni、mo焊條耐非氧化性酸腐蝕性能和韌性不足的問(wèn)題，在化學(xué)工業(yè)、有機(jī)合成等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。以上例舉僅僅是對(duì)本發(fā)明的舉例說(shuō)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設(shè)計(jì)均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)12