本發明涉及焊接材料

　　技術領域：

　　，具體涉及一種高放廢物玻璃固化體容器用奧氏體不銹鋼焊絲及其制備方法和應用。

　　背景技術：

　　：由于能源利用和環境保護之間的矛盾日益加劇，核能作為一種綠色、清潔的能源正逐步替代化石能源，成為當今世界電力來源的重要組成部分，是我國新型能源結構調整的重要發展方向。然而，核能的開發利用在帶來巨大社會經濟效益的同時，將伴隨產生大量放射性廢物，如果處置不當將對人類的生存環境產生嚴重破壞。這些廢物含有放射性強、發熱量高、毒性大、半衰期長的核素，需要把它們與人類生存環境進行長期、可靠地隔離。迄今為止，世界上公認的最合理的放射性廢物處置方法為：首先將放射性廢物進行固化處理，然后再對得到的放射性廢物固化體進行地質處置。固化處理是將液態放射性物質通過減容轉變成固化體，以達到便于安全運輸、儲存和處置操作的目的；同時也將放射性廢物中的核素固結在固化體中，阻擋核素進入生物圈，以避免其對生態環境造成污染。放射性廢物玻璃化是指將放射性廢液轉化為玻璃固化體的過程，這是一種已達到商用規模的放射性廢液固化方法。通過將放射性廢液在高溫下熔制成玻璃體，使放射性核素固定在玻璃體內，再將熔鑄好的玻璃體澆注到貯罐內。玻璃體貯罐用耐熱耐蝕材料制成，如309s不銹鋼、310s不銹鋼、鎳基合金等。玻璃體貯罐完成澆注后，冷卻到罐表面溫度低于100℃后，在保護氣氛中焊接封蓋，封蓋后送去貯存。由于放射性廢物玻璃化工藝決定需要將熔融的高放廢物在1100℃澆注到容器(玻璃體貯罐)中進行固化，因而，高放廢物玻璃固化體產品容器需要承受約1100℃的高放液體高溫澆注沖擊不發生變形，且產品容器運輸過程中需要一定抵抗外界沖擊開裂的性能。普通的310s不銹鋼焊材無法滿足該容器的焊接要求，需要進一步提高其高溫力學性能。技術實現要素：針對目前高放廢物玻璃固化工藝對固化體產品容器焊接材料帶來的苛刻要求，本發明的目的在于提供一種高放廢物玻璃固化體容器用奧氏體不銹鋼焊絲及其制備方法和應用，所制備的焊絲適用于高放廢物玻璃固化體產品容器的焊接，高溫強度高，沖擊韌性好。為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：一種高放廢物玻璃固化體容器用奧氏體不銹鋼焊絲，按重量百分比計，該焊絲化學成分如下：c：0.04-0.12％；cr：24.0～26.0％；ni：19.0～21.0％；mn：≤2.0％；si：≤1.0％；nb：0.3-1.0％；n≤0.1％；fe余量。該焊絲化學成分中，雜質元素含量按重量百分比計控制為：s＜0.001％；p＜0.008％；o≤0.004％；h≤2ppm；ca＜0.005％；mg＜0.005％；ta＜0.02％；cu＜0.02％；co＜0.02％。該焊絲化學成分中，c元素含量優選為0.082-0.10wt.％，ni元素含量優選為20.0～21.0wt.％，n元素含量優選為0.06-0.10wt.％。所述的高放廢物玻璃固化體容器用奧氏體不銹鋼焊絲的制備方法，該方法首先按照所述焊絲成分進行配料，然后采用真空熔煉制備母合金鋼錠，母合金鋼錠經過1100～1200℃保溫1～3h后鍛造成方坯；鍛造后的方坯經過1100～1150℃保溫1～2h后熱連軋成φ5.5-6.5mm盤條；最后，盤條經過連續冷拉拔后制成φ1.17-1.23mm焊絲，即得到所述高放廢物玻璃固化體容器用奧氏體不銹鋼焊絲。焊絲抗拉強度為1300～1500mpa。本發明中所述高放廢物玻璃固化體容器用奧氏體不銹鋼焊絲用于高放廢物玻璃固化體容器的焊接，所述高放廢物玻璃固化體容器的材質為309s、310s、hr3c等耐熱奧氏體不銹鋼；焊接過程為：取規格為φ1.17-1.23mm焊絲，采用半自動送絲鎢極氬弧焊，焊接參數為：焊接電流140～220a，電弧電壓12～14v，送絲速度900～1200mm/min，焊接速度80～110mm/min，電流極性dcsp(直流電極接負)，電弧保護采用99.99％高純度氬氣；焊接后獲得焊縫熔敷金屬。所獲得的焊縫熔敷金屬的室溫抗拉強度σb>580mpa，屈服強度σp0.2＞360mpa，室溫沖擊韌性w＞90j；1000℃高溫抗拉強度σb>90mpa，屈服強度σp0.2＞70mpa。本發明的奧氏體不銹鋼焊絲能夠防止1100℃高溫澆注中產品受熱變形，同時具有較高的沖擊韌性防止運輸過程中產受碰撞發生開裂失效。能夠滿足玻璃固化體澆注工藝中對材料高溫性能的需求，保障產品容器的安全服役。節約成本，經濟方便。本發明中，主要元素設計思想如下：c、n在奧氏體不銹鋼中是比較重要的固溶強化元素。提高c，n含量能夠有效的通過固溶強化以及碳化物析出強化提高材料的高溫強度，但c含量過高，在熱作用下會與cr、fe等形成晶間碳化物m23c6，造成晶界附近貧cr，會降低材料的晶間腐蝕等耐蝕敏感性以及室溫韌性。因而提高c元素的同時，需要加入c穩定化元素。nb作為穩定化元素在奧氏體不銹鋼中起時效強化作用，在焊縫中能提高原子間結合力。它與c的結合能力比cr強，高溫階段生成nbc減少晶界上c的偏析從而減少m23c6和m7c3的形成，降低晶界貧cr程度，從而降低晶間腐蝕傾向。nb元素形成的mc型細小碳化物能釘扎晶界，提高材料高溫強度。但c、n和nb元素過高時會在焊接過程中會產生較多大尺寸的一次nb(c,n)相，會嚴重降低焊縫金屬的韌塑性。同時，n含量過高會增加焊接過程中氣孔的產生。本發明nb含量控制在0.3-1.0wt.％；c含量控制在0.04～0.12wt.％；n含量≤1.0％為宜。本發明的優點及有益效果是：1、本發明提供的焊絲焊接后，熔敷金屬高溫強度高，耐腐蝕性好，且焊接過程穩定，缺陷少，工藝性能好，成品率高。2、本發明的焊絲不僅可以用在玻璃固化體容器的制備加工中，還可以用在化工要求高溫高強耐腐蝕抗氧化器件的制備加工中。3、本發明能夠滿足核電站發展要求和提高核電設備材料性能，其高溫強度高于目前普通的310s奧氏體不銹鋼焊材，能夠保障高放廢物玻璃固化體產品容器的安全服役。具體實施方式在具體實施方式中，本發明玻璃固化體容器用耐高溫強韌化奧氏體不銹鋼焊絲的制備方法，通過真空熔煉制備的母合金鋼錠，經過1150℃保溫2h后鍛造成方坯；鍛造后的方坯經過1150℃保溫1.5h后熱連軋成φ6mm盤條；盤條經過連續冷拉拔(進行中間充氫退火)后制成φ1.2mm焊絲，其抗拉強度在1300～1500mpa之間。按重量百分比計，所述奧氏體不銹鋼焊絲的化學成分組成為：c：0.04-0.12％，cr：24.0～26.0％，ni:19.0～21.0％，mn：≤2.0％，si：≤1.0％，nb：0.3-1.0％，s：＜0.001％，p：＜0.008％，o≤0.004％，h≤2ppm，n≤0.1％，ca：＜0.005％，mg：＜0.005％，ta：＜0.02％，cu：＜0.02％，co：＜0.02％，fe余量。在使用過程中，母材采用310s不銹鋼板，采用半自動送絲鎢極氬弧焊進行堆焊，焊接參數為：焊接電流：180a，電弧電壓：13v，送絲速度：1000mm/min，焊接速度：100mm/min，電流極性：dcsp(直流電極接負)，電弧保護：99.99％高純度氬氣，獲得焊縫熔敷金屬，焊縫熔敷金屬的室溫抗拉強度σb>580mpa，屈服強度σp0.2＞360mpa，室溫沖擊韌性w＞90j；1000℃高溫抗拉強度σb>90mpa，屈服強度σp0.2＞70mpa。按重量百分比計，焊接接頭熔敷金屬的化學成分最終為：c：0.04-0.12％，cr：24.0～26.0％，ni:19.0～21.0％，mn：≤2.0％，si：≤1.0％，nb：0.3-1.0％，s：＜0.001％，p：＜0.008％，o≤0.004％，h≤2ppm，n≤0.1％，ca：＜0.005％，mg：＜0.005％，ta：＜0.02％，cu：＜0.02％，co：＜0.02％，fe余量。焊絲中主要合金元素的作用以及控制范圍如下：ni是奧氏體穩定化元素；cr主要起固溶強化作用，也是碳化物形成元素，cr是穩定合金表面重要的元素，它在基體材料的表面形成抗氧化和抗腐蝕的保護層。ni、cr元素是奧氏體不銹鋼具有優異的耐蝕性及耐熱性能的重要基礎。從性能以及經濟角度考慮，cr含量控制在24.0～26.0％，ni含量控制在19.0～21.0％。nb在奧氏體不銹鋼中主要起時效強化作用，在焊縫中能提高原子間結合力。nb也是碳化物形成元素，它與c的結合能力比cr強，生成nbc減少晶界上c的偏析從而減少m23c6和m7c3的形成，降低晶界貧cr程度，從而降低晶間腐蝕傾向。形成的mc型細小碳化物能釘扎晶界，提高材料的高溫變形能力，nb含量控制在0.3-1.0％。c在奧氏體不銹鋼中是重要的固溶強化元素，c的添加會顯著提高材料的高溫強度，但c和cr易形成碳化物(主要為(cr,fe)23c6型)在晶界析出，會導致晶界處貧cr，降低材料的耐蝕性能以及沖擊韌性。因此需要對c含量加以限制，c含量應控制在0.04-0.12％。n在奧氏體中同c一樣屬于間隙原子，具有較強的固溶強化能力。加入n元素能夠有效的提高焊縫金屬高溫強度以及耐蝕性能，但是n元素過高，會增加焊接過程中氣孔的出現。本發明中n含量應≤1.0％si在奧氏體不銹鋼中應控制在較低含量。一方面si的加入主要與mn聯合作用控制不銹鋼中的o含量，但是si在焊接凝固過程會發生偏析形成低熔點共晶，增加不銹鋼的熱脆傾向。同時si是鐵素體形成元素，si含量過高時會降低奧氏體的穩定性。因此，si含量要控制在≤1％。mn既是奧氏體穩定化元素又是重要的脫氧元素。si、mn聯合作用可以有效的控制奧氏體不銹鋼中氧的含量。同時，mn能夠與o結合控制鋼中o含量。mn在穩定奧氏體方面能夠部分代替ni的作用，可以降低奧氏體不銹鋼中ni含量，降低成本。mn能夠擴大n在奧氏體不銹鋼中的溶解度，對提高奧氏體不銹鋼高溫強度有利。另一方面，mn相比fe更易于s形成mns，提高了奧氏體不銹鋼凝固裂紋敏感性。mn含量控制在≤2％。s是奧氏體不銹鋼中有害元素。s極易形成晶界偏析，產生低熔點共晶的硫化物，偏析于晶界，在熱應變的作用下形成晶界開裂，即結晶裂紋。s含量控制應低于0.001％。p對奧氏體不銹鋼的影響與硫、鉛相似。它在合金中雖含量很少，但不能低估它的有害作用。p在合金中主要是與ni形成低熔點共晶物，偏析于晶界，增大半熔化區寬度，促使裂紋傾向增大，p含量控制在低于0.008％。本發明提供的焊絲，只要化學成分以及焊絲強度控制在發明要求范圍內即可。實施例與比較例采用的焊絲基本成分以及實驗結果與試驗參數如表1、表2和表3所示。實施例和比較例結果表明，本發明成分控制范圍內，實施例1、2獲得的焊縫金屬性能室溫抗拉強度σb>580mpa，屈服強度σp0.2＞360mpa；1000℃高溫抗拉強度σb>90mpa，屈服強度σp0.2＞70mpa；室溫沖擊性能akv>90j。比較例1中nb含量過低，室溫跟高溫強度不足。比較例2、3由于nb含量過高，室溫沖擊均達不到要求。該發明奧氏體不銹鋼焊絲能夠很好的滿足高放廢物玻璃固化體產品容器用，保障產品容易的長期服役。表1實施例與比較例焊絲的基本化學成分(wt.％)合金元素實施例1實施例2比較例1比較例2比較例3cr26.0525.9726.5126.1625.93ni21.020.821.020.821.0c0.0880.0890.0860.0890.051mn1.711.711.701.741.77si0.480.430.470.470.47nb0.410.8001.191.59s0.001＜0.0010.00130.0010.001p0.0050.0050.0050.0050.005o0.00220.00080.00220.00110.0007h1.6ppm1ppm2.7ppm1.2ppm1.0ppmn0.0940.100.0980.100.087ca<0.005<0.005<0.005<0.005<0.005mg<0.005<0.005<0.005<0.005<0.005ta<0.02<0.02<0.02<0.02<0.02cu<0.02<0.02<0.02<0.02<0.02fe余量余量余量余量余量表2實施例與比較例試驗測試結果表3實施例與比較例所采用的試驗參數當前第1頁12

　　技術特征：

　　技術總結

　　本發明公開了一種高放廢物玻璃固化體容器用奧氏體不銹鋼焊絲及其制備方法和應用，屬于焊接材料技術領域。按重量百分比計，其基本化學成分組成為：C：0.04?0.12％；Cr：24.0～26.0％；Ni：19.0～21.0％；Mn：≤2.0％；Si：≤1.0％；Nb：0.3?1.0％；N≤0.1％；Fe余量。焊絲制備過程為：采用真空熔煉制備母合金鋼錠，經過1100～1200℃保溫1～3h后鍛造成方坯；方坯經過1100～1150℃保溫1～2h后熱連軋成盤條；最后，盤條經過連續冷拉拔后制成焊絲。該焊絲用于高放廢物玻璃固化體容器的焊接，能夠滿足產品容器材料性能需求，其具有較好的高溫強度以及良好的沖擊韌性。

　　技術研發人員：陸善平;張旭;李殿中;李依依

　　受保護的技術使用者：中國科學院金屬研究所

　　技術研發日：2017.09.20

　　技術公布日：2018.01.23