熱處理對347型不銹鋼帶極埋弧堆焊層性能的影響

張德金，馬 鳴，2，徐祥久，2

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046；2.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，哈爾濱 150046)

0 引 言

鉻-鉬鋼基體堆焊奧氏體不銹鋼在耐蝕壓力容器中應(yīng)用十分廣范，對于不銹鋼堆焊容器產(chǎn)品，縱、環(huán)縫坡口處，接管與殼體焊接坡口處的堆焊在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中通常是不可避免的。其中絕大部分基材設(shè)計為厚壁高等級材質(zhì)，標準規(guī)定鉻-鉬鋼制壓力容器焊后需進行整體去應(yīng)力退火熱處理。對于這類鉻-鉬鋼基體堆焊容器而言，熱處理有利亦有弊，即適當?shù)臒崽幚碛欣谙附託堄鄳?yīng)力、減小應(yīng)力腐蝕傾向[1]；而弊端是長時間高溫熱處理易導(dǎo)致不銹鋼堆焊層敏華、抗晶間耐蝕性降低等不利影響。

本文以不銹鋼帶極埋弧堆焊為研究對像，分別制定兩種對比方案來進行試驗。方案一，試板堆焊耐蝕層后按產(chǎn)品的熱處理工藝制度進行消應(yīng)力熱處理；方案二，試板堆焊耐蝕層后在焊態(tài)下直接取樣試驗。對比分析熱處理對堆焊試板力學(xué)性能及耐蝕性能的影響。

1 試驗材料和設(shè)備

1.1 試驗材料和設(shè)備

本試驗采用SA-387Gr.11Cl.2鉻-鉬合金鋼試板做為堆焊基材，試板尺寸為50 0 mm×300 mm×60 mm，其化學(xué)成分如表1所示[2]。焊接材料選用EQ309L 60×0.5 mm 、EQ347 60×0.5 mm焊帶及對應(yīng)匹配焊劑，焊帶化學(xué)成份見表1。試驗設(shè)備選用ESAB LAF 1251電源配CZ20-2×2操作機帶極埋弧堆焊。

表1 SA-387Gr.11Cl.2母材及焊帶EQ309L、EQ347化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)%)

1.2 試驗方法

堆焊采用帶極埋弧焊，選用兩種方案分別進行堆焊試驗，即：

方案一：堆焊完耐蝕層后按SA-387Gr.11Cl.2基材的熱處理制度消應(yīng)力退火熱處理，熱處理后進行試驗；

方案二：耐蝕層堆焊后不進行消應(yīng)力熱處理，即在焊態(tài)下進行試驗。

1.3 試驗過程

試板采用帶極埋弧堆焊，過渡層堆焊一層EQ309L，耐蝕層堆焊一層EQ347，方案一、二堆焊工藝詳見表2。焊后對堆焊層做無損探傷，探傷結(jié)果合格。將堆焊合格的試板分為兩塊，分別按方案一、二進行相關(guān)試驗，選用兩種方案分別進行試驗，方案一熱處理曲線如圖1所示。

表2 堆焊工藝參數(shù)

圖1 方案一焊后熱處理曲線

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 焊態(tài)鐵素體檢測結(jié)果

對于不銹鋼類堆焊產(chǎn)品，通常有焊態(tài)鐵素體含量要求，且通常要求焊態(tài)鐵素體含量FN(3-10)。本文也做了焊態(tài)鐵素體含量測定(磁性法測鐵素體)，由于測量在焊態(tài)下進行，所以兩種方案選用的相同的鐵素體試樣，具體實驗結(jié)果詳見表3。

表3 鐵素體含量(FN)

2.2 彎曲性能試驗

考核堆焊層塑性及與堆材的熔合情況，彎曲試驗往往是必項目，本文按NB/T47014-2011要求取樣做全厚度彎曲性能試驗，試樣尺寸200×10×66 mm，彎曲結(jié)果完好無裂紋。

根據(jù)試驗結(jié)果，方案一、方案二試板堆焊層塑性較好，堆焊層與母材熔合良好，故判斷堆焊層性能均可以滿足產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)要求。

2.3 堆焊層化學(xué)成分分析

方案一與方案二化學(xué)分析試樣均在熱處理前>取樣，故可用同一試樣，大部分容器產(chǎn)品技術(shù)要求中對堆焊層表面化學(xué)成分提出了明確要求，Cr當量與Ni當量共同決定了鐵素體數(shù)FN，這就要求Cr，Ni元素含量相匹配[3]。鐵素體含量過低會導(dǎo)致焊后堆焊層表面產(chǎn)生凝固裂紋，但鐵素體含量高，會引起選擇性腐蝕熱處理后會造成σ相脆化[4]。熔敷金屬化學(xué)元素含量測定值(見表4)滿足技術(shù)要求及相關(guān)標準要求。

表4 熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)%)

2.4 宏觀、微觀及硬度試驗

取樣做宏觀檢驗、微觀檢查并做截面的硬度(母材、過渡層、耐蝕層)檢測。宏觀檢查表明在此工藝參數(shù)下，堆焊層表面成型良好，母材、過渡層、耐蝕層之間熔合良好。微觀組織母材為貝氏體，熱影響區(qū)為貝氏體+珠光體+鐵素體，堆焊層為奧氏體+鐵素體。方案一、二硬度試驗結(jié)果詳見表5。

表5 方案一、二硬度對比

由表5可見，方案一母材和熱影響區(qū)硬度與方案二相比消應(yīng)力熱處理后硬度降低，去應(yīng)力退火可以使母材和熱影區(qū)產(chǎn)生一定的回火作用故硬度降低；而過渡層和耐蝕層硬度經(jīng)熱處理后則增大，根據(jù)文獻[5]可能由于堆焊層有少量σ相析出，少量σ相(體積分數(shù)<3%)呈孤立彌散分布時，對不銹鋼堆焊層的韌性影響不大，且有一定的強化效果，故可以產(chǎn)生一定的硬化效果[5]。方案一熱處理后由于硬度變化不大且不滿足產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)要求，由此可以得出堆焊耐蝕層后進行消應(yīng)力熱處理與否都能滿足產(chǎn)品的使用性能。

2.5 晶間腐蝕試驗

不銹鋼堆焊層大多用與腐蝕介質(zhì)相接觸，堆焊層抗蝕性能是確保產(chǎn)品質(zhì)量的重中之重。本試驗按GB/T 4334-2020不銹鋼晶間腐蝕試驗方法(方法E)對距基材6 mm處堆焊層試樣進行晶間腐蝕試驗，試樣經(jīng)腐蝕后彎曲均無晶間腐蝕裂紋產(chǎn)生(如圖2a、b所示)，試驗合格。試樣規(guī)格80 mm×20 mm×3 mm。

圖2 晶間腐蝕試樣

3 結(jié)束語

(1)方案一母材和熱影響區(qū)硬度與方案二相比，經(jīng)過消應(yīng)力熱處理后硬度呈降低趨勢，其中熱影響區(qū)由于回火作用明顯，故硬度降低明顯。

(2)耐蝕層熱處理前、后微觀組織均為奧氏體+少量鐵素體，熱處理后堆焊層硬度呈上升趨勢。

(3)堆焊層熱處理后晶間腐蝕試驗未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋，表明EQ347堆焊層經(jīng)過熱處理敏化后仍能保持良好的抗晶間腐蝕能力。

由此可見，EQ347型奧氏體不銹鋼材料堆焊后，耐蝕層堆焊后是否進行消應(yīng)力熱處理，堆焊試板各方面性能均能滿足產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)要求及產(chǎn)品工藝性能要求；目前EQ347型奧氏體不銹鋼材料堆焊后進行消應(yīng)力熱處理與不進行消應(yīng)力熱處理產(chǎn)品現(xiàn)場運行均良好。對于需要EQ347型奧氏體不銹鋼堆焊的石化容器產(chǎn)品，可根據(jù)設(shè)計技術(shù)要求及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式擇優(yōu)選取堆焊后是否進行焊后熱處理的工藝方案。