Ni-M o-Cr-V 材料焊接回火脆性淺析

鐘 玉 張從平 曹天蘭 梁 剛 徐永峰

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

Ni-M o-Cr-V 材料焊接回火脆性淺析

鐘 玉 張從平 曹天蘭 梁 剛 徐永峰

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章研究了 Ni-Mo-Cr-V 鍛件材料經不同的熱處理過程后焊縫金屬沖擊韌性變化情況， 并通過投射電子顯微鏡觀察及回火脆性敏感系數 J、 X 計算分析。 試驗結果表明， 在鍛件材料和焊材中雜質元素及合金元素的共同作用下， 焊縫金屬熱處理后晶界處析出物為 Fe3C 或合金滲碳體， 降低了焊縫金屬的韌性； 焊縫金屬回火脆性敏感系數 J、 X 數值大大增加，增加了其產生回火脆性的概率。

熱處理；回火脆性；晶界；敏感系數

0 引言

目前， 大多數電站設備制造公司采用 Ni-Mo-Cr-V 系鋼作為汽輪機轉子及輪盤材料， 由于轉子尺寸大，為了避免產生較大的內應力，回火后不能采用空冷、水冷以及油冷工藝，因此，轉子鍛件經長期回火和緩冷后，產生回火脆性現象。回火脆性除了使韌性降低外，還使塑脆轉變溫度升高，斷裂韌性降低，氫致裂紋和應力腐蝕敏感性增加。

轉子鍛件通過嚴格控制回火脆性敏感系數J與X來改善鍛件回火脆性，就目前而言，一般要求控制 J≤150 （%） 與 X≤15ppm， 更嚴格要求控制在 J≤100 （%） 與 X≤10ppm。

J= （Si+Mn） × （P+Sn） ×104

X= （10P+5Sb+4Sn+As） ×10-2

Ni-Mo-Cr-V 系鋼焊縫合金成分為基材與焊材的混合，其焊縫金屬同樣具有回火脆性產生的可能性。 因此， 本文就 Ni-Mo-Cr-V 材料焊接后焊縫金屬是否會產生回火脆性，回火脆性屬于第一類還是第二類回火脆性，以及產生回火脆性的原因進行了淺析， 對掌握 Ni-Mo-Cr-V 材料的焊接特性以及指導生產具有一定的意義。

1 試驗條件

1.1 試驗材料

本次試驗， 采用以 Ni-Mo-Cr-V 為主要合金元素的低合金珠光體耐熱鋼進行試驗，其材料化學成分檢測值見表1， J=45.6（%）； X=4.95 ppm。

同時，選擇了與該母材相匹配的焊材，其焊材 化 學 成 分 檢 測 值 見 表2， J=136 （% ） ； X=7.8 ppm。

表1 Ni-Mo-Cr-V 鋼化學成分 （w t%）

表2 焊材化學成分 （w t%）

1.2 焊前準備

將 Ni-Mo-Cr-V 珠光體耐熱鋼板按圖1 進行加工。

為了保證預熱溫度的可靠性及均勻性，將加工好的試板點焊固定在大厚底板上， 并按圖1 （a）在坡口兩側 5～10mm 范圍各布置 2 根測溫線， 布置測溫線時采用點焊機用薄鋼片將測溫線端部牢固地壓緊至試板端面， 具體方法如圖1 （b） 所示。測溫線布置完畢進行編號 （保證各通道溫度參數與各測溫位置對應記錄溫度）， 接至中頻感應加熱設備的記錄通道檢查其是否正常工作。隨后，將試板放置在電阻爐中進行預熱，預熱溫度到250℃， 保溫 30min 后出爐。

圖1 試板加工及測溫線布置圖

1.3 焊接工藝

本次試驗采用自動埋弧焊焊接方法，熱輸入控制在 15～20kJ/cm 以內， 層間溫度控制在 200～350℃之間， 焊后及時進行后熱處理， 溫度 250～300℃， 保溫 2h 以上， 保溫毯包裹緩冷。

2 試驗過程及結果

2.1 熱處理過程

本次熱處理試驗在 RT-180 箱式電阻爐中進行，將試件放置在墊鐵上，避免與爐體接觸，布置監控熱電偶，嚴格控制升降溫速度。

熱處理溫度選擇為 590℃、 620℃， 保溫時間4h， 升溫速度控制在≤25℃， 降溫速度根據試驗需要分為緩冷、 空冷、 空冷+緩冷、 緩冷+空冷。

（1） 緩冷： 在電阻爐中進行冷卻， 降溫速度控制在≤20℃；

（2） 空冷： 熱處理并經保溫后出爐在空氣中冷卻；

（3） 空冷+緩冷： 先按 （2） 經過一次空冷，再按 （1） 進行緩冷；

（4） 緩冷+空冷： 先按 （1） 經過一次緩冷，再按 （2） 進行空冷。

2.2 結果

焊態及不同熱處理后的埋弧焊焊縫中心沖擊試驗結果見表3。

表3 焊態及不同熱處理后的沖擊結果

從表3數據可以看出：焊態下焊縫中心沖擊值最高， 平均值達到 158J， 隨著熱處理溫度的升高， 經緩冷后的焊縫中心沖擊值逐漸降低： 590℃緩冷后， 沖擊值只有焊態下的 56%； 620℃緩冷后， 沖擊值只有焊態下的 28%， 焊縫中心沖擊韌性已經嚴重下降； 而 620℃空冷后的焊縫中心平均沖擊值與焊態一致。

為了驗證焊縫中心韌性下降現象，進一步進行了空冷+緩冷和緩冷+空冷熱處理兩種狀態試驗，其結果見表4。

表4 經兩次不同熱處理狀態后的沖擊結果

從表4 可以看出： 對 620℃空冷后的試件再進行一次 620℃緩冷處理， 焊縫中心沖擊值同樣嚴重下降； 而對 620℃緩冷后的試件再進行一次 620℃空冷處理，焊縫中心沖擊值得到恢復。

3 結果分析

通過不同熱處理狀態下的試驗，可以得出，Ni-Mo-Cr-V 材料經該焊材焊接后焊縫中心沖擊韌性下降，說明產生了回火脆性，并且該回火脆性具有可逆性。從文獻資料中看出，該回火脆性屬于第二類回火脆性，其形成機理為：碳化物、氧化物、磷化物等脆性相沿晶界析出，雜質元素偏聚于晶界導致晶界脆化。

3.1 焊縫金屬電鏡掃描

采用投射電子顯微鏡 （TEM） 對回火前和回火后晶界進行了觀察、檢測，結果顯示：回火前在晶界及晶內均未見有析出物 （見圖2 （a））， 而回火后晶界處存在塊狀、條狀析出物，該析出物主要為 Fe3C 或合金滲碳體 （見圖2 （b）、 （c）），并有大量合金元素的偏聚 （見圖2 （d））。 晶界處碳化物、合金滲碳體的析出和偏聚，將降低晶界結合強度，加劇焊縫金屬脆化。

圖2 電鏡掃描結果

3.2 沖擊斷口掃描

對熱處理后的沖擊試樣斷口進行掃描，其結果見圖3。

從圖3中可以看出，焊縫金屬沖擊宏觀斷口較齊整，啟裂區、擴展區及瞬斷區斷口韌窩較細、較淺。

圖3 斷口掃描

3.3 焊縫金屬 J、 X 系數

P、 Sn、 Sb、 As等雜質元素在原奧氏體晶界偏聚， 降低 Fe原子在晶界的結合力， 當材料受到沖擊或拉伸時，晶界能已經下降的晶界處很容易首先開裂，如果材料的晶內韌性好，裂紋就容易沿晶界擴展， 引起沿晶斷裂。 而 Si、 Mn、 Ni、 Cr等合金元素與上述雜質元素在晶界發生共偏聚，促進雜質元素的富集而加劇焊縫金屬脆化。Mo（0.5%～0.7%） 在一定時間內有吸附 P 雜質元素形成化合物的作用，可使在晶內產生沉淀相，從而阻礙P雜質元素的晶界偏聚。

截取焊縫金屬進行化學成分檢測，其成分含量見表5， 經計算： J=275 （%）； X=13.2 ppm。

表5 焊縫金屬化學成分 （w t%）

從焊縫金屬J、 X 系數計算值可以看出， 其值已經超出鍛件本身控制范圍，因此，焊縫金屬產生回火脆性的可能性大大增加。

4 改善建議

根據產品結構特點及使用條件，鍛件本身和焊縫金屬必須采用長時間回火和緩冷，以避免產生較大的內應力，但這樣提高了焊縫金屬產生回火脆性的概率，因此，提出了以下幾個方面的改善建議：

（1） 嚴格控制鍛件及焊材中 P、 Sn、 Sb、 As等雜質元素的含量；

（2） 調整焊材中 Si、 Mn、 Ni、 Cr等促進雜質元素偏聚的合金元素的含量；

（3） 調整焊劑成分及特點， 細化焊縫金屬組織晶粒， 降低焊縫金屬中 P、 Sn、 Sb、 As等雜質元素的含量， 調整焊縫金屬中 Si、 Mn、 Ni、 Cr 等促進雜質元素偏聚的合金元素比例。

以上三個方面的建議，主要是為了控制焊縫金屬J、 X 系數， 以改善或者消除焊縫金屬回火脆性。

5 結論

Ni-Mo-Cr-V 材料經焊接后焊縫中心沖擊韌性下降，回火脆性具有可逆性，屬于第二類回火脆性。

鍛件材料和焊材J、 X 系數控制較好， 自身不易產生回火脆性，但經組合焊接以后，焊縫金屬J、 X 系數大大增加， 同時也增加了其產生回火脆性的概率。

在鍛件材料和焊材中雜質元素 （P、 Sn、 Sb、As） 及合金元素 （Si、 Mn、 Ni、 Cr） 的共同作用下， 使得焊縫金屬回火后晶界處析出物為 Fe3C 或合金滲碳體，并伴隨大量合金元素的偏聚，降低了焊縫金屬的韌性。

[1] 翁宇慶.NiCrMoV 和 NiCr轉子鋼回火脆性的研究[J].北京:鋼鐵研究總院學報,1986,6(2):7-18

[2] 楊亦石. 含磷 N i-C r鋼 480℃等溫脆化的研究 [J]. 北京:金屬熱處理學報,1983,4(2):32-37

[3] 張幼德,柳曉民,湯曉英.C r-M o 鋼的焊接性和回火脆性分析[J]. 上海: 化工設備與管道,2002,39(4):55-58

Analysis on the Tem per Brittleness of Ni-Mo-Cr-V Material in Welding

Zhong Yu， Zhang Congping， Cao Tianlan， Liang Gang， Xu Yongfeng
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This paper studies on impact toughness ofweld metal after differentheat treatment process about Ni-Mo-Cr-Vmaterial, and observes by transmission electronmicroscope and analyzes by temper brittleness sensitivity coefficient J,X.The result indicates that Fe3C or alloy cementite are separated out in grain boundary after heat treatment in weld metal,which reduces the toughness of weld metal,and the numeric value of temper brittleness sensitivity coefficient J,X is increased obviously in weld metal,which grows the probability of temper brittleness occurring.

heat treatment,temper brittleness,grain boundary,sensitivity coefficient

鐘玉 （1979-）， 男， 工學碩士， 主要從事汽輪機焊接技術研究。