耐高溫不銹鋼

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耐高溫不銹鋼管手工氬弧焊接頭的顯微組織

來源:至德鋼業 日期:2020-04-28 11:06:18 人氣:181

60.3mm×8mm的耐高溫不銹鋼管的母材及手工氬弧焊接頭進行了化學成分、力學性能和顯微組織的測定。結果表明,耐高溫不銹鋼管的化學成分、力學性能和顯微組織均滿足GB 5310-1995的要求,焊接接頭的組織為正常組織。

耐熱鋼焊接性較差,焊接中需防止冷裂紋及根部合金元素氧化過燒,但它有良好的塑性和韌性,對焊接有利。耐熱鋼對冷裂紋有組織上的敏感性;在焊后的馬氏體轉變中,氫以過飽和狀態殘留于馬氏體內,促使該區域進一步脆化,由于焊后發生馬氏體轉變,使接頭處的組織應力增大。如果焊接線能量較大,會造成層間過熱,出現粗大晶粒和網狀晶界,在晶界處產生微裂紋源;若焊后去應力回火不及時,裂紋將擴展,造成沖擊韌性下降。因此,對該鋼種施焊時,采用合理的氣體保護方法及預熱和熱處理工藝是非常重要的。

鐵素體熱強鋼只能在600℃以下的溫度長期服役。耐熱鋼是在9Cr-1M o鋼的基礎上添加釩、鈮元素和控制氮含量(0.030%0.050%)以提高蠕變強度。在610℃溫度下,耐熱鋼的持久強度與奧氏體熱強鋼TP304H(1Cr18Ni9)等強,而焊接工藝性能則優于奧氏體鋼,為火電超臨界壓力大容量機組首選材料之一。耐熱鋼在1 1001 200℃之間其熱塑性最好,再結晶進行完全、奧氏體組織均勻。

我國大型火電鍋爐的高溫過熱器和再熱器、核電蒸發器的高溫部件大量應用10Cr9Mo1VNb鋼管。在鍋爐上用于過熱器和再熱器以及主蒸汽管道等部件,用來代替102TP304H等不銹鋼,其高溫持久強度優異。上海寶山鋼鐵股份有限公司為我廠提供的60.3mm×8mm的耐高溫不銹鋼管供貨狀態為1 050℃正火+790℃回火。筆者對耐高溫不銹鋼管的顯微組織進行了觀察和分析。

1試驗材料及方法

試驗材料為耐高溫不銹鋼管,其化學成分分析結果(質量分數)見表1。用WJ-10A型機械式萬能試驗機進行拉伸、擴口和壓扁試驗,JB30B型沖擊試驗機進行沖擊試驗,HB-3000型布氏硬度計進行硬度測定。采用CAM-SCAN型掃描電鏡觀察斷口的斷裂特征,Neopht-Ⅱ型光學顯微鏡進行顯微組織觀察,組織顯示用4%硝酸酒精溶液。透射電鏡試樣采用M TP-1A型雙噴電子減薄儀減薄,PHILIPS CM 12型透射電鏡下進行觀察,EDAX?9100型能譜分析儀對碳化物進行成分測定。手工氬弧焊采用日本神戶制鋼所2.4mmTGS-9cb焊絲,采用日本Pulse CompA 300P交直兩用手工焊機,焊前預熱溫度≥10,焊接電流140A,焊接電壓12V。用2515X型射線機對焊接接頭進行TVRT探傷拍照,H15型熱處理爐對手工氬弧焊接頭進行760/0.5h空冷的消除應力熱處理。

2試驗結果與分析

2.1力學性能

取耐高溫不銹鋼管縱向試樣,沖擊試樣尺寸為5mm×10mm×55mm。力學性能測定結果見表2。

2.2顯微組織

9%12%Cr鋼的基本特點是空淬形成馬氏體的能力,即在100mm的斷面可空淬成馬氏體。馬氏體組織的優點是回火時能得到高的均勻的位錯密度并且密集的成核和碳化物、氮化物顆粒的析出。碳化物和氮化物細顆粒的彌散分布和高溫穩定性是保證材料高持久強度的關鍵。為了使9%12%C r鋼得到100%馬氏體,需要在大約1 050℃正火時轉變成全奧氏體組織,而要得到全奧氏體組織又取決于奧氏體形成元素鎳、錳、銅、鈷、碳和氮與鐵素體形成元素鉻、硅、鉬、鎢、釩和鈮的恰當平衡。因此鐵素體與奧氏體形成元素的適當平衡是開發新的9%12%Cr鋼的首要條件。大部分鐵素體形成元素在鋼中形成穩定的析出物,但是為了抑制δ鐵素體的形成,鐵素體形成元素的添加必須與奧氏體形成元素平衡。其中奧氏體形成元素碳和氮的添加又必須限量,因為過量會降低焊接能力。鎳的添加也必須限制,否則會降低奧氏體轉變溫度,使鋼的回火困難,鎳也會降低析出物的熱穩定性。在P91鋼中無M 2 X。9%12%Cr鋼中的主要析出物是由鉻、鐵、鉬()和碳組成的M 23 C 6碳化物。這種碳化物回火時在晶界析出保證了X20CrM oV121鋼的基本持久強度,M 23 C 6碳化物是通過阻礙晶粒長大來增加持久強度,M 23 C 6的熱穩定性相當高。通過增加強化M 23 C 6碳化物的量使600℃的持久強度提高約50%。通過釩、鈮和氮的平衡,P91鋼的晶內生成并析出主要由釩、鈮和氮組成的MX。MX析出物的熱穩定性非常高,這能解釋它們對持久強度巨大的影響。耐高溫不銹鋼管母材的顯微組織為回火馬氏體,晶粒度為9,見圖1,符合GB 5310-1995的要求。手工氬弧焊焊縫的顯微組織見圖2,從圖2可看到其組織為粗大的馬氏體,并且在晶內和晶界上都有碳化物析出;手工氬弧焊接頭熱影響區的顯微組織見圖3,從圖3可看到其組織與母材相近,晶界上的碳化物較多。

4至圖6為供貨狀態下耐熱鋼母材的TEM形貌。圖7至圖10為焊縫的TEM照片。在圖10a中可看到其位錯密度高于母材,10b試樣取自持久試樣中變細的部位,其形貌與母材、焊縫不一樣,可看到由于再結晶使晶粒變成了等軸狀,碳化物比母材多且大。

對焊后的焊口進行了著色檢查,發現有的焊口有微小的裂紋,因此建議焊接時的線能量不能大,以防止由于層間過熱而產生微裂紋源,并及時進行消除應力處理以防止裂紋擴展。

2.3斷口分析

耐高溫不銹鋼管母材的沖擊斷口屬于韌窩斷口,焊縫的沖擊斷口見圖11。圖11a是心部的SEM照片,為準解理+解理斷口,11b是沖擊斷口邊緣的SEM照片,為韌窩斷口并有夾雜。

3結論

(1)上海寶山鋼鐵股份有限公司供應我廠的60.3mm×8mm的耐高溫不銹鋼管的化學成分、力學性能、顯微組織等均符合GB 5310-1995標準的要求。

(2)斷口分析結果表明,耐高溫不銹鋼管的沖擊斷口為韌窩斷口;手工氬弧焊焊縫的斷口除韌窩外,出現了準解理+解理斷口。

(3)透射電鏡觀察結果表明,耐熱鋼的基體組織為馬氏體,晶界上分布著大的M 23 C 6型碳化物,晶內有小的碳化物,并有位錯。在手工氬弧焊焊縫中出現了孿晶馬氏體。

本文標簽:耐高溫不銹鋼管 

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