[发明专利]超高强管线钢用高强度高韧性埋弧焊丝

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高强管线钢用高强度高韧性埋弧焊丝，属于焊接材料领域，特别适用于X120级超高强管线钢的埋弧焊接。

背景技术

随着世界经济的快速增长，对石油天然气等能源的需求也相应增加，而油气资源大都分布在极地、深海、沙漠等地质环境复杂的边缘地区，油气输送管线的发展趋势是长距离、高压力及大输量输送，这就决定管线钢向高钢级、大口径、大壁厚方向发展。采用高强度、长距离管线高压输送油气，可以节约钢材，大幅度降低管线的建设成本和运行成本，增加管线的运行效益。正是由于此原因，X120级管线钢已成为国内外的研发热点，国外X120级超高强管线钢已有1.6km试验段，国内宝钢、济钢相继成功开发出X120中厚板管线钢，太钢、首钢先后开发出X120热轧板卷管线钢，但制管过程中使用的埋弧焊丝国内仍是空白。与X120级超高强管线钢的强韧性相比，X120管线钢埋弧焊丝熔敷金属的强韧性很难达到要求，必须通过合金元素和微合金元素的最佳匹配，以及焊丝的纯净化，才能确保焊丝熔敷金属达到X120超高强管线钢的使用要求。由于X120超高强管线钢的碳含量已达到低于0.06％的超低碳水平，其金属组织是以贝氏体为主，要求焊缝金属与其相匹配，因此焊缝组织也应以贝氏体为主，所以焊接X120超高强管线钢埋弧焊丝的碳含量不能太高，应采用低的碳含量；但随着碳含量的降低，熔敷金属和焊缝金属的强度也降低，因此必需添加不影响熔敷金属和焊缝金属韧性的固溶强化元素来保证焊缝金属的强韧性，另外考虑到焊丝的成本，应尽量减少价格很高的Ni、Mo等贵重合金元素的加入，以降低焊丝的成本。本发明开发了一种低碳含量、低成本X120超高强管线钢埋弧焊丝，填补了国内X120超高强管线钢埋弧焊丝的空白。

发明内容

本发明目的就是要提供一种适用于X120超高强管线钢焊接的高强度、高韧性、低成本的埋弧焊丝。

实现本发明目的所涉及的X120超高强管线钢埋弧焊丝：其化学成分按重量％为：C≤0.10；Si 0.10-0.30；Mn 1.80-3.00；P＜0.010；S＜0.010；Mo 0.40-0.80；Ti 0.05-0.30；B 0.003-0.010；Ni 1.00-2.50；Cr0.2-0.6；Zr 0.002-0.015；余量为Fe。

本发明从成分设计上，适当降低碳含量，由碳含量减少而引起强度的降低，通过提高Mn含量来弥补，同时添加Mo、Ni、Cr、Ti、B等微合金元素，限制S、P等元素的含量，来确保焊缝金属的强韧性。

Mn是奥氏体化稳定元素，在一定范围内，焊缝中增加Mn不仅可提高针状铁素体的体积分数，减少先共析铁素体数量，同时容易得到低碳贝氏体组织，锰含量的增加既可提高钢材韧性，又可提高钢材强度。

Mo可降低相变温度，抑制先共析铁素体的生成，并能提高碳氮化物的沉淀强化效果，因而Mo可提高强度，细化晶粒，降低韧脆转变温度。

Cr降低γ→α相变临界温度，抑制先共析铁素体的生成，增加焊缝金属中针状铁素体和贝氏体的含量，从而提高焊缝金属的强韧性。焊缝金属的硬度随Cr含量的增加而渐增，在低Mn含量时基本上呈线性增加，但在高Mn含量时则呈非线性。Cr含量超过0.5％时，随Cr含量的增加，生成带第二相的侧板条铁素体，而使焊缝的韧性恶化，对于韧性要求较高的焊缝，Cr的添加应慎重。

Ni是奥氏体稳定化元素，Ni无限固溶于γ-Fe，在焊缝金属中也起固溶强化作用，能增加针状铁素体析出，细化组织。在焊缝金属的整个冷却速度范围内，Ni都可以使相变温度降低，在焊缝金属中含有Mn时，Ni的这种效果更有利于针状铁素体的形成。

Ti是缩小γ相区的元素，为强脱氧剂及Ti(C，N)形成元素，在焊缝金属中加入Ti，一方面可降低焊缝金属中自由N的含量，另一方面生成的Ti(C，N)、TiO夹杂物颗粒，这些高熔点化合物质点可以作为结晶核心，促使奥氏体晶内针状铁素体的形核，细化焊缝晶粒。

B可明显抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核，使铁素体转变曲线明显右移，同时使贝氏体转变曲线变得扁平，较大的冷却范围内就能得到贝氏体组织。随着焊缝中B含量的增加，先共析铁素体量减少，侧板条铁素体消失，针状铁素体数量增加，从而得到细小的焊缝显微组织。B和Ti之间存在强烈的交互作用，焊缝中没有足够的Ti，B的有利影响不大；相反，没有B存在，Ti对促进焊缝中针状铁素体形成效果也不佳。