Super304H奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感性研究

陳浩　蔣奕鋒　左敦桂　李勇　王峰　王演銘　陳器

摘要：針對Super304H鋼管母材和焊接接頭在高溫運行過程中發(fā)生晶間腐蝕的問題，通過焊接試驗、晶間腐蝕試驗、金相檢驗等方法系統(tǒng)開展了Super304H鋼管母材和焊接接頭晶間腐蝕敏感性的研究。結(jié)果表明，隨著C含量的減少和Nb/C比的增加，Super304H鋼管晶間腐蝕敏感性越低;焊接接頭晶間腐蝕敏感性隨著焊接熱輸入量和層間溫度的增加呈上升趨勢。

關(guān)鍵詞：Super304H鋼;C含量和Nb/C比;晶間腐蝕敏感性;層間溫度

中圖分類號：TG457.11文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0095-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.16

0 前言

Super304H鋼是日本住友金屬于20世紀80年代在TP304H基礎(chǔ)上開發(fā)的新型奧氏體耐熱不銹鋼，該鋼主要通過增加C含量，降低Mn、Si、Cr和Ni含量，加入約2.5%～3.5%的Cu、0.30%～0.60%的Nb和0.05%～0.12%的N，從而使Super304H鋼在奧氏體基體中形成M23C6（M=Fe，Cr）、Nb（C，N）、NbCrN以及ε-Cu相等4種主要析出相[1-4]。

因此，Super304H鋼在高溫運行溫度下保持了較高的持久強度和良好的抗高溫蒸汽氧化性能，可作為超超臨界機組過熱器和再熱器管的首選材料之一。

但是，Super304H長期在其敏化溫度區(qū)間服役，M23C6和MC型碳化物的沿晶析出均會導(dǎo)致晶界附近貧鉻，從而引發(fā)晶間腐蝕[1-3]。另外，Super304H鋼在焊接過程中，由于焊縫金屬的組織、成分等與基體差異較大，同時焊接殘余應(yīng)力的存在以及焊后冷卻過程中在敏化溫度區(qū)間的停留，都使其抗晶間腐蝕性能受到了較大考驗[5-8]。

本文系統(tǒng)研究了化學(xué)成分對Super304H鋼管晶間腐蝕敏感性的影響，同時，分析不同焊接工藝對典型成分的Super304H鋼管焊接接頭晶間腐蝕性能的影響規(guī)律，從而有效控制焊接質(zhì)量，為機組的安全穩(wěn)定運行提供有效依據(jù)。

1 試驗材料與設(shè)備

1.1 試驗材料

試驗用材料為日本住友Super304H奧氏體不銹鋼鋼管，尺寸規(guī)格為φ51×3.5 mm，化學(xué)成分如表1所示。

1.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為直流脈沖氬弧焊機WSM-315（PNE

61-315P）數(shù)字焊機，焊材采用與Super304H相配的德國伯樂焊接集團Thermanit 304H Cu焊絲，直徑φ2.4 mm，焊接位置為2G，保護氣體為純氬，流量為7～10 L/min，焊后采用自然冷卻方式。具體焊接工藝如表2所示。

2 試驗方法

在Super304H管母材和焊接管縱截面上截取尺寸為80 mm×15 mm試樣，在650 ℃保溫2 h后空冷，對試樣表面進行打磨、清洗、干燥等處理后放入H2SO4-CuSO4溶液，保證試樣與銅屑充分接觸，加熱處理并通冷卻水促使溶液維持微沸狀態(tài)，持續(xù)進行16 h后取出試樣，經(jīng)清洗、干燥處理后，利用彎曲法觀察試樣晶間腐蝕裂紋情況。測試標準為GB/T 4334-2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》。

采用ZEISS AXIOVERT 200 MAT研究級倒置萬能金相顯微鏡，對經(jīng)過晶間腐蝕試驗的焊接接頭試樣進行金相取樣，測量焊接接頭部位的晶間腐蝕裂紋深度。檢測標準為GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》。

3 分析與討論

3.1 化學(xué)成分對Super304H鋼管晶間腐蝕敏感性的影響

3.1.1 C含量對Super304H鋼管晶間腐蝕敏感性的影響

Super304H鋼中的C含量導(dǎo)致M23C6晶界析出機會增多，從而增加了晶間腐蝕的風(fēng)險。為了單獨研究C含量對Super304H鋼管晶間腐蝕敏感性的影響規(guī)律，需將試驗材料中的Nb含量控制在同一水平。因此，將試驗材料按Nb含量分成兩組，分析在Nb含量一定的情況下，C含量對Super304H鋼管晶間腐蝕敏感性的影響規(guī)律。具體分組如下：第一組試樣的Nb含量為0.47%±0.01%，C含量為0.075%～0.091%。按C含量從低到高編號為17#（0.075%）、9#（0.077%）、10#（0.083%）、2#和6#（0.088%）、4#和15#（0.090%）、12#（0.091%）;第二組試樣的Nb含量為0.50%±0.01%，C含量為0.072%～0.097%，試驗編號為16#（0.072%）、3#（0.081%）、1#（0.084%）、8#（0.087%）、13#（0.089%）、14#（0.093%）、11#（0.094%）、7#（0.097%）。

在Nb含量一定的情況下，C含量對Super304H鋼管晶間腐蝕敏感性的影響規(guī)律結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，在Nb含量為0.47%±0.01%的情況下，隨著C含量的增加，Super304H鋼管晶間腐蝕敏感性也越高，其中C含量在0.088%以下未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋，C含量在0.090%以上均發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。其中4#和15#在C含量一致的情況下，晶間腐蝕敏感性存在細微差別。Nb含量為0.50%±0.01%的情況下，除7#試樣外，隨著C含量的增加，Super

304H鋼管晶間腐蝕敏感性也越高，其中C含量在0.087%以下未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋，C含量在0.089%以上均發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。其中試樣14#的晶間敏感性高于11#，可能是因為化學(xué)成分中的Nb存在細微差別，而7#試樣的晶間敏感性在C含量最高的情況下未出現(xiàn)晶間腐蝕裂紋的原因可能和其中的Cr、Nb等元素稍微偏高有關(guān)。

3.1.2 Nb/C比對Super 304H鋼管晶間腐蝕敏感性的影響

Super304H鋼的C含量導(dǎo)致M23C6晶界析出機會增多，從而增加了晶間腐蝕的風(fēng)險。Nb與C的親和力遠大于Cr，添加Nb可以促使MC型碳化物優(yōu)先形成，達到彌散強化和固定游離碳，降低鋼的晶間腐蝕敏感性的效果。因此，需綜合考慮Nb、C含量即Nb/C比對Super304H鋼管晶間腐蝕敏感性的影響規(guī)律。

研究不同的Nb/C比對Super 304H鋼管晶間腐蝕敏感性的影響規(guī)律，試樣分別為14#（5.26）、12#（5.27）、4#/15#（5.26）、11#（5.42）、13#（5.73）、5#（5.76）、9#（5.97）、17#（6.00）、3#（6.17）、16#（7.08）。影響規(guī)律如圖2所示。隨著Nb/C比的增加，Super

304H鋼管晶間腐蝕敏感性也越低，其中Nb/C比在5.76以上規(guī)律較為明顯，均未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋;除5#、11#以外，Nb/C比在5.76以下Super 304H鋼管晶間腐蝕敏感性隨Nb/C比的下降，敏感性越高。

3.2 焊接工藝對Super304H鋼管焊接接頭晶間腐蝕敏感性的影響

3.2.1 焊接電流對Super304H鋼管接頭晶間腐蝕敏感性的影響

分別選取不同的層間溫度研究焊接電流對接頭晶間腐蝕敏感性的影響規(guī)律，層間溫度分別控制在小于100 ℃和小于300 ℃，結(jié)果如圖3～圖6所示。層間溫度在小于100 ℃的情況下，管內(nèi)壁側(cè)晶間腐蝕裂紋深度為55～93 μm，規(guī)律不明顯，裂紋最短的接頭焊接電流為105 A;管外壁側(cè)晶間腐蝕裂紋深度為29～31 μm，深度明顯小于內(nèi)壁側(cè)，但規(guī)律較為明顯，隨著焊接電流的增加，晶間腐蝕裂紋深度也呈增加趨勢。層間溫度在小于300 ℃的情況下，管內(nèi)壁側(cè)、外壁側(cè)晶間腐蝕裂紋深度均呈相同規(guī)律，即裂紋深度最淺的接頭焊接電流為105 A。

3.2.2 層間溫度對Super304H鋼管接頭晶間腐蝕敏感性的影響

在相同的焊接工藝下，研究不同層間溫度對接頭晶間腐蝕深度的影響規(guī)律，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，隨著層間溫度的升高，焊接接頭的晶間腐蝕裂紋深度也呈現(xiàn)增加趨勢，并且在焊接電流為105 A的情況下，接頭晶間腐蝕裂紋的深度均呈最小。

4 結(jié)論

（1）Super304H鋼管的C含量控制在0.087%以下，Nb/C控制在5.76以上可有效抑制晶間腐蝕裂紋的產(chǎn)生。（2）層間溫度在小于100 ℃情況下，焊接電流控制在約105 A時接頭晶間腐蝕敏感性影響最低，并且在相同焊接工藝條件下，層間溫度越高，焊接接頭的晶間腐蝕裂紋深度越深。

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