不同焊后熱處理方式對P92鋼近表面組織性能的影響

田旭海，齊向前

（天津誠信達金屬檢測技術有限公司，天津市，300384）

0 引言

P92鋼具有比P91鋼更高的抗蠕變性能，可以減輕鍋爐和管道部件的重量，其抗熱疲勞性能優(yōu)于奧氏體不銹鋼，已廣泛應用于超超臨界機組的主蒸汽、熱段、低壓和高壓旁路等管件[1-2]。P92鋼焊后淬硬傾向較大，為避免產(chǎn)生裂紋、獲得良好的焊縫性能，必須對其進行焊后熱處理。試驗表明，當熱處理溫度低于740℃時，其沖擊性能已不能滿足標準要求，這就要求盡量提高熱處理溫度，降低焊縫內外壁溫差[3-10]。本文比較了電阻加熱與感應加熱這2種熱處理方式對P92鋼近表面組織性能的影響。

1 試驗方法

選取規(guī)格為φ538×94.5 mm的P92管道，嚴格按照P92焊接工藝進行焊接，焊后分別采用感應加熱及電阻加熱焊后熱處理工藝進行焊后熱處理。感應加熱設備采用美國Proheat-35，電阻加熱設備選用XDJW-D-360KW熱處理控制柜，熱處理恒溫時間均為8 h，外壁溫度均控制為760～770℃，控制內外壁溫差小于20℃。對于感應加熱，經(jīng)計算可知趨膚效應深度為6 mm。對熱處理后的距表層6 mm以內的母材進行顯微組硬度、拉伸試驗，并用金相顯微鏡、透射電鏡對其微觀組織進行觀察分析。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能

經(jīng)熱處理后，距P92鋼管表面不同深度處的硬度值如表1所示。由表1可知：（1）經(jīng)電阻加熱和感應加熱處理后，母材表層的硬度均低于母材中部的硬度，這是由于這2種加熱方式都是靠熱傳導向內壁傳遞熱量，表層溫度較高，硬度較低；（2）在外壁溫度相同的情況下，采用電阻加熱的母材近表面硬度平均值低于采用感應加熱的母材近表面硬度平均值；（3）對于感應加熱方式，趨膚層深度以內母材的硬度值低于母材中部的硬度，由于趨附效應的影響，趨膚層內硬度偏低，但硬度值相差不大。

表1 距P92鋼管表面不同深度處的硬度平均值Tab.1 Mean hardness of the P92 steel pipe at different depth

表2給出了這2種加熱方式下P92母材近表面及中部的拉伸及沖擊性能值。由表2可知：（1）無論采用感應加熱方式還是電阻加熱方式，母材表層的拉伸性能均低于母材中部；（2）采用感應加熱的鋼管表層和中部的力學性能均高于電阻加熱對應位置的力學性能值。對于P92鋼，其室溫抗拉強度最低為620 MPa，屈服強度440 MPa[11]，采用感應加熱和電阻加熱處理后母材的力學性能均能滿足標準的要求。

表2 不同加熱方式下P92鋼管的力學性能Tab.2 Mechanical properties of the P92 steel pipe under different heating modes

2.2 微觀組織觀察

圖1給出了熱處理后P92鋼管不同部位的金相顯微組織，圖像的放大倍數(shù)為200。由圖1可知：采用電阻加熱和感應加熱后，P92鋼管不同部位的母材組織均表現(xiàn)為板條馬氏體組織。

P92鋼供貨態(tài)為正火＋回火處理，正火冷卻時，奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，高溫回火時，馬氏體發(fā)生高溫回復，沉淀和析出碳化物，碳化物多沿著亞晶的晶界分布，同時馬氏體板條內的位錯密度降低，位錯由纏結狀形成位錯網(wǎng)，馬氏體板條整體形態(tài)存在，但板條內碎花成多個由位錯胞轉化成的亞晶塊，

分別取電阻加熱與感應加熱處理后母材表層及中部試樣，在透射電鏡下觀察其微觀結構，如圖2、3所示。圖4給出了壁厚方向母材中部的透射電鏡形貌。

由圖2～4可知：經(jīng)電阻加熱和感應加熱處理后，母材近表面的碳化物的體積均明顯大于母材中部。這是由于熱處理過程中溫度由外向內傳導，母材近表層溫度始終高于母材中部，在長時間高溫作用下碳化物體積變大，使近表面材料力學性能降低。對比圖2、3可以看出，經(jīng)電阻加熱和感應加熱處理后，母材近表面碳化物的體積無明顯區(qū)別，其近表面鋼管的抗拉強度分別為722 MPa和732 MPa，說明感應加熱所產(chǎn)生的趨膚效應對鋼管近表面的組織性能不會產(chǎn)生明顯影響。

基體A及碳化物B（見圖2）的能譜分析結果如圖5所示，相應元素的含量見表3。由圖5可知：該類碳化物為M23C6型；相對于基體，碳化物中的Cr、W含量均明顯偏高。在相同的正火溫度下，當回火溫度從715℃增加到775℃時，M23C6碳化物粒子的平均直徑從72 nm增加到89 nm，說明隨回火溫度的升高，M23C6碳化物粒子將長大。由于碳化物粒子中含有較多的Cr和W元素，碳化物長大會使基體中這2種元素含量降低，對基體的固溶強化作用減弱，M23C6還有阻礙位錯運動的作用，隨著粒子尺寸變大，釘扎位錯能力下降，另外回火溫度越高，亞晶長大越嚴重，亞晶內位錯密度下降，這些都會使材料拉伸強度降低[12]。

表3 基體A區(qū)與碳化物B區(qū)各元素含量Tab.3 Contents of various elements in base metal A and carbide B

3 結論

（1）采用電阻加熱和感應加熱方式對P92鋼進行焊后熱處理，其近表面鋼管力學性能均低于中部鋼管，感應加熱的趨膚效應對P92鋼近表面組織性能無明顯影響。

（2）采用電阻加熱和感應加熱方式對P92鋼進行焊后熱處理，母材均表現(xiàn)為回火板條馬氏體組織，近表面鋼管碳化物區(qū)別不明顯，但母材近表面碳化物的體積均明顯大于母材中部，由于碳化物有較高的Cr和W，使基體內相應元素固溶度降低，導致近表層母材金屬抗拉強度降低。

（3）在滿足熱處理后焊縫性能要求的前提下，應盡可能降低熱處理溫度，避免對母材壽命產(chǎn)生不利影響。

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