9Ni鋼及其焊材的研究與應(yīng)用

李亞軍，楊 飛

（四川大西洋焊接材料股份有限公司，成都610500）

9Ni鋼及其焊材的研究與應(yīng)用

李亞軍，楊 飛

（四川大西洋焊接材料股份有限公司，成都610500）

介紹了儲(chǔ)存和運(yùn)輸液化天然氣所用低溫9Ni鋼的發(fā)展歷程，以及國內(nèi)外常見9Ni鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能。重點(diǎn)介紹了9Ni鋼焊接過程中容易出現(xiàn)的問題，如熱裂紋、冷裂紋、電弧磁偏吹等，給出了控制焊接熱裂紋的措施。研制的埋弧焊劑CHF205配套焊絲CHW-NiCrMo-3、焊劑CHF206配套焊絲CHW-NiCrMo-4，焊接后焊縫脫渣容易，無夾渣、咬邊、氣孔等缺陷，且焊縫具有優(yōu)良的塑性、韌性和抗裂性能。

焊接；9Ni鋼；焊接材料；低溫韌性

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，液化天然氣（LNG）用量每年以10%的速度增長，預(yù)計(jì)不久的將來，天然氣將成為我國在煤和石油之后的第三大能源。儲(chǔ)存和運(yùn)輸LNG所用低溫9Ni鋼已成為鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)的又一個(gè)焦點(diǎn)[1]。

9Ni鋼取代Ni-Cr不銹鋼已成為建造LNG低溫儲(chǔ)罐的主要材料。9Ni鋼始于美國國際鎳公司的產(chǎn)品研究實(shí)驗(yàn)室，最低使用溫度可達(dá)－196℃。第一臺(tái)9Ni鋼儲(chǔ)罐于1952年在美國率先投入使用。1980年，我國從法國引進(jìn)7臺(tái)9Ni鋼制作的容積達(dá)1.0×104m3球罐，并于20世紀(jì)80年代末開始進(jìn)行LNG裝置的實(shí)踐。2004年，我國首個(gè)大型低溫液化氣項(xiàng)目（廣東LNG工程）共有3臺(tái)大型儲(chǔ)罐，單臺(tái)容積1.6×104m3。到目前為止，中石油、中石化和中海油已建成或在建的大型低溫LNG儲(chǔ)罐有20多臺(tái)。因9Ni鋼具有良好的焊接性能及優(yōu)良的低溫韌性，成為國際上低溫設(shè)備領(lǐng)域使用廣泛的鋼種，我國也在逐步實(shí)現(xiàn)9Ni鋼的國產(chǎn)化[2-3]。從2008年開始，在國家發(fā)改委等部門支持下，鞍鋼、南鋼及太鋼等國內(nèi)鋼鐵企業(yè)陸續(xù)成功研發(fā)出國產(chǎn)低溫9Ni鋼，打破了9Ni鋼長期進(jìn)口現(xiàn)象，加速了我國LNG工業(yè)的發(fā)展[4]。

1 9Ni鋼組織成分和力學(xué)性能

9Ni鋼的低溫力學(xué)性能主要決定于其化學(xué)成分，尤其是C和N的含量。此外，9Ni鋼的韌性還取決于鋼的純凈度和微觀組織。國內(nèi)外各種9Ni鋼的牌號(hào)和化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1和表2。較低的碳含量可使回火時(shí)馬氏體中碳化物的析出減少，提高低溫韌性，而碳含量過高則會(huì)使焊接性能和冷脆性能顯著惡化。9Ni鋼中添加Ni，可增強(qiáng)基體的交叉滑移能力，減少間隙原子與位錯(cuò)的交互作用，可降低Ac3點(diǎn)、細(xì)化晶粒、降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，使材料的低溫韌性得到明顯改善[3,5]。

表1 國內(nèi)外各種9Ni鋼的牌號(hào)和化學(xué)成分

表2 國內(nèi)外各種9Ni鋼的力學(xué)性能

目前，9Ni鋼有三種主要熱處理工藝[2,6-10]：①NNT處理，第一次正火加熱至900℃空冷，第二次正火加熱至790℃空冷，然后在550～580℃回火后急冷，處理后的組織為回火馬氏體與貝氏體。②QT處理，在800℃水淬或油淬.然后550～580℃回火，處理后的組織為低碳馬氏體。③IHT處理，即α+γ雙相區(qū)淬火+回火，通常800℃水淬+670℃水淬，然后經(jīng)550～580℃回火，處理后的組織為低碳馬氏體。在這三種熱處理工藝中，經(jīng)NTT處理的9Ni鋼低溫韌性最差，其次是QT處理，經(jīng)IHT處理的最好。原因在于：①相同回火溫度下，逆轉(zhuǎn)奧氏體數(shù)量比經(jīng)QT處理后多；②不同溫度回火處理，經(jīng)QT與IHT處理的9Ni鋼可獲得同樣數(shù)量的逆轉(zhuǎn)奧氏體，但QT處理的逆轉(zhuǎn)奧氏體析出部位較集中分布于原奧氏體晶界與馬氏體束界上。經(jīng)IHT處理的逆轉(zhuǎn)奧氏體分布比較均勻，尤其是在馬氏體板條間析出，析出的彌散性提高了9Ni鋼的韌性。

2 9Ni鋼焊材

目前，9Ni鋼在電弧焊中常用的焊接材料有4 種， 即 w（Ni）=11%的鐵素體型、 w（Ni）=13%和w（Cr）=16%的奧氏體不銹鋼型、 w（Ni）>60%的鎳基型（Ni-Cr-Mo系合金）和 w（Ni）≈40%的 Fe-Ni基型（Fe-Ni-Cr系合金）。其中，9Ni鋼焊接常用的焊條是ENiCrMo-3和ENiCrMo-6，焊絲是ERNiCrMo-3和ERNiCrMo-4。這類焊材主要依賴國外進(jìn)口，如日本神鋼，進(jìn)口價(jià)格昂貴且周期長，嚴(yán)格制約著我國9Ni鋼及其LNG工業(yè)的發(fā)展。

針對這種情況，四川大西洋焊接材料股份有限公司研制了ENiCrMo-6焊條。該焊條焊接過程中脫渣好，焊接后的焊縫具有優(yōu)良的塑性、韌性和抗裂性能，抗拉強(qiáng)度可達(dá)680 MPa（GB/T 13814規(guī)定為620 MPa），延伸率可達(dá)40%(GB/T 13814規(guī)定為35%)，在-196℃沖擊吸收功 KV2可達(dá)到130 J，滿足9Ni鋼的使用要求。此外，新研制的埋弧焊劑CHF205配套焊絲CHWNiCrMo-3和CHF206配套焊絲CHW-NiCrMo-4，兩種渣系為鋁堿型堿性渣系。焊接過程中工藝性能優(yōu)良，脫渣容易，無夾渣、咬邊、氣孔等缺陷，力學(xué)性能優(yōu)異。埋弧焊熔敷金屬力學(xué)性能見表3。

表3 埋弧焊熔敷金屬力學(xué)性能

3 焊接難點(diǎn)及對策

9Ni鋼焊接過程中容易出現(xiàn)的問題主要包括熱裂紋、冷裂紋、電弧磁偏吹和低溫韌性四種，其中熱裂紋缺陷比較突出，需要重點(diǎn)控制。

3.1 熱裂紋

9Ni鋼焊接時(shí)可能出現(xiàn)的熱裂紋主要有四種，即折疊中的顯微裂紋或疏松、高溫失塑裂紋、液化裂紋、弧坑裂紋。其中，弧坑裂紋傾向比較大，其實(shí)質(zhì)是一種沿晶間開裂的典型的凝固時(shí)產(chǎn)生的熱裂紋。因此，在焊接過程中，應(yīng)盡可能減小弧坑，弧坑越小則弧坑裂紋越不容易產(chǎn)生，同時(shí)要注意填滿弧坑，并且在清根時(shí)應(yīng)打磨成U形坡口，避免出現(xiàn)窄而深的V形坡口[11]。

減少有害雜質(zhì)元素是消除以上幾種裂紋最根本的辦法。此外，正確的收弧技術(shù)并配合適當(dāng)打磨也可避免熱裂紋的出現(xiàn)[3]。

3.2 冷裂紋

在焊接不當(dāng)?shù)那闆r下，低鎳型焊條會(huì)產(chǎn)生冷裂紋，如用低鎳高錳型奧氏體焊條焊接時(shí)，熔合區(qū)會(huì)出現(xiàn)高硬度的馬氏體帶，對氫脆比較敏感。由于9Ni鋼自身有較好的抗冷裂能力，正常施焊條件下一般不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。若焊接不當(dāng)，會(huì)有一定的冷裂敏感性。如果焊條、焊劑沒烘干或周圍環(huán)境潮濕，在熔合區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)氫致冷裂紋[3,12]。

只要選用低氫、低碳含量的焊條，合適的焊接規(guī)范，特別是焊材烘干、合理控制道間溫度和熱輸入等，可避免熔合區(qū)出現(xiàn)硬化層，降低硬化層中氫的積聚，從而降低冷裂敏感性。

3.3 電弧磁偏吹

9Ni鋼本身屬于一種強(qiáng)磁性材料，易于出現(xiàn)磁偏吹現(xiàn)象?？朔牌涤腥N途徑：①對母材進(jìn)行消磁處理；②將永久磁鐵放在坡口兩側(cè)，以抵消母材的磁場；③選用交流焊接。研究表明[13]，采用交流焊接對克服磁偏吹比較有效，但為了使電弧能穩(wěn)定燃燒，焊機(jī)應(yīng)具有較高的空載電壓。

3.4 低溫韌性

9Ni鋼焊接過程中，造成低溫韌性下降的原因有兩方面：①焊接材料的影響，焊縫金屬及熔合區(qū)的化學(xué)成分與焊材有關(guān)，如果焊材含碳量高或者[Ni]和[Cr]當(dāng)量搭配以及焊材與母材熔合后的[Ni]和[Cr]當(dāng)量搭配落在不銹鋼組織圖中含馬氏體的區(qū)域內(nèi)，都會(huì)引起低溫韌性下降[14]。②焊接線能量和道間溫度的影響，研究表明[3]，焊接線能量和道間溫度會(huì)改變焊接熱循環(huán)的峰值、溫度，進(jìn)而影響熱影響區(qū)的金相組織。逆轉(zhuǎn)變奧氏體有利于改善9Ni鋼焊接熱影響區(qū)的低溫韌性。若峰值溫度過高，會(huì)使逆轉(zhuǎn)變奧氏體數(shù)量大大減少，并產(chǎn)生粗大的貝氏體，從而使低溫韌性下降。有關(guān)研究表明[15-17]，9Ni鋼焊接時(shí)熱輸入應(yīng)為7～35 kJ/cm，層間溫度應(yīng)在100℃以下，可保證良好的焊接低溫韌性。

4 結(jié) 論

（1）9Ni鋼的三種熱處理工藝后，9Ni鋼低溫韌性由低到高分別是NNT＜QT＜IHT，是由于逆轉(zhuǎn)奧氏體分布和數(shù)量不同，使得IHT比QT的低溫韌性高。

（2） 9Ni鋼焊接用 CHNiCrMo-6， CHF205/CHW-NiCrMo-3和CHF206/CHW-NiCrMo-4，焊接工藝性能良好，力學(xué)性能優(yōu)異，且價(jià)格便宜，為工業(yè)和工程材料生產(chǎn)帶來巨大前景。

（3）9Ni鋼具有良好的焊接工藝性能，選用合適的焊接工藝措施，就可以避免焊接冷、熱裂紋及焊后低溫韌性的下降。

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Research and Application of 9Ni Steel and ItsW elding M aterials

LIYajun，YANG Fei
（Atlantic ChinaWelding Consumables,INC.,Chengdu 610500,China)

In this paper,the development history of low temperature 9Ni steel used for storage and transportation liquefied natural gas(LNG)was simply introduced,aswell as the common chemical composition and mechanical properties of 9Ni steel at home and abroad.It emphasized some problems easily occurred in 9Ni steelwelding process,such as hot crack,cold crack,arc blow and so on,provided controlmeasures for welding hot crack.The submerged-arc welding flux CHF205 matched with wire CHW-NiCrMo-3,and submerged-arc welding flux CHF206 matched with wire CHW-NiCrMo-4.After welding,the weld deslagging is easy,without slag inclusion,undercut,stomates and other defects,moreover the weld possesses perfect plasticity,toughness and anti-cracking ability.

welding;9Nisteel;weldingmaterial;low-temperature toughness

TG457.1

B

1001－3938（2015）11-0037-04

李亞軍（1985—），男，陜西寶雞人，碩士，工程師，主要從事焊接材料的研究。

2015-07-09

謝淑霞