C含量對2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊焊縫金屬性能的影響

范陽陽, 繆興平, 楚成剛

(1.四川西冶新材料股份有限公司，成都 611730;2.四川省特種焊接材料研究開發工程實驗室，成都 611730)

0 前言

。加氫反應器是各種加氫裂化工藝的核心關鍵設備，長期運行于高溫、高壓、臨氫環境，設計要求高，制造難度大，是國家高端裝備制造水平的重要標志之一。加釩改進型鉻鉬鋼(2.25Cr-1Mo-0.25V)是加氫反應器主流材質。通過V-Nb元素添加，鋼材的強度與2.25Cr-1Mo相比進一步提高，高溫蠕變性能改進，有效減少反應器結構壁厚，并進一步提高抗氫腐蝕能力[1]。

2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的配套埋弧焊材研發需要同時滿足如下技術要求：①良好的焊接工藝性及穩定抗缺陷能力。②超高焊縫純凈度， P, As, Sn, Sb等痕量元素嚴格受控。③多種熱處理條件下，焊縫金屬同時具備高強度高韌性特征，滿足室溫拉伸性能、低溫沖擊韌性、高溫拉伸性能、高溫持久性能、耐回火脆化等全套性能。焊材配方研發難度高，導致在反應器設計、鍛件、制造全部國產化的背景下，配套焊材長期依賴于日本進口[2]。

如何使2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊焊縫金屬同時具備高強度高韌性特征，是焊材設計企業和用戶單位重點關注的內容。C元素是影響2.25Cr-1Mo-0.25V焊縫金屬綜合性能的最關鍵元素之一[3]。文中通過對比不同C含量對于焊縫金屬綜合性能的影響，研究了C含量對埋弧焊焊縫組織和性能的影響規律，對于2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊焊材的配方設計及后續產品質量控制具有重要意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

通過對2.25Cr-1Mo-0.25V盤圓進行不同的熱處理，獲得不同C含量的盤圓并加工為焊絲。盤圓正常熱處理過程中采用氫氣進行保護，避免表面氧化以及脫碳，φ5.5 mm盤圓正常熱處理后斷面狀態如圖1a所示。為了制備不同C含量的焊縫金屬，在焊絲的盤圓制作過程中，使用同一爐號的盤圓，將熱處理氣氛變更為普通空氣，使盤圓在熱處理過程中產生表面脫碳。脫碳后的φ5.5 mm盤圓斷面狀態如圖1b所示，從圖中可見，表面脫碳層的厚度約為0.3～0.4 mm，計算得到脫碳層面積約為盤圓橫截面積的21%～27%。采用紅外碳硫儀對兩種盤圓的整體C含量進行了分析，其中正常盤圓的C含量為0.128%，脫碳后盤圓的C含量為0.096%，C含量的降低比例與脫碳層的對應面積是一致的。

將正常及脫碳的盤圓加工為成品焊絲后，搭配同一焊劑(牌號XY-AF605)，在完全相同的試板、焊接參數、熱處理條件下完成全部對比試驗。試驗鋼板使用2.25Cr-1Mo-0.25V鍛件，加工為1 400 mm×200 mm×40 mm規格試板后組合焊接坡口。坡口根部間隙20 mm，坡口角度10°。

圖1 熱處理后的盤圓

1.2 焊接及熱處理參數

采用伊薩Aristo 1000 AC/DC焊機進行焊接，焊接極性為交流方波模式，頻率為50 Hz。所使用的焊接工藝參數見表1。

表1 焊接工藝參數

焊接完成后，分割試板，按照2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接技術條件，進行最小熱處理(705±14) ℃×8 h及最大熱處理(705±14) ℃×32 h。

1.3 試驗項目

采用SPECTRO LAB M11直讀光譜儀對焊縫金屬的化學成分進行分析。焊縫金屬的力學性能試驗部分包括：室溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗、-30 ℃夏比沖擊試驗、回火脆化評定試驗、高溫持久試驗。其中，室溫拉伸試驗及沖擊試驗在最大和最小2種熱處理狀態下考核，高溫拉伸試驗和高溫持久試驗僅在最大熱處理狀態下考核。

回火脆化試驗是對焊縫金屬進行步冷試驗以判斷其回火脆化的敏感性。步冷前和步冷后各取8組不同溫度下的沖擊試驗試樣，每個溫度下進行3個試樣的沖擊試驗，繪制轉變溫度曲線并計算回火脆化評定結果。其中，步冷前為最小熱處理狀態下的試樣，步冷后為最小熱處理狀態試樣進一步按照步冷溫度曲線完成回火脆化試驗的試樣，步冷試驗溫度曲線如圖2所示。

圖2 步冷試驗溫度曲線

2 試驗結果

2.1 焊縫金屬化學成分

正常及低C焊縫金屬的化學成分見表2。從表中可見，脫碳盤圓所加工焊絲的焊縫金屬，比正常焊絲焊縫金屬的C含量降低了0.023%。2個焊縫金屬的其他合金基本一致，說明盤圓的熱處理脫碳過程對于其他合金元素未產生影響。

表2 焊縫金屬的化學成分(質量分數%)

2.2 室溫拉伸性能及低溫沖擊韌性

經過最小熱處理和最大熱處理后，正常及低C焊縫金屬的室溫拉伸試驗及-30 ℃夏比沖擊試驗的結果見表3。從室溫拉伸試驗的結果可以看出，2種焊縫金屬均符合2.25Cr-1Mo-0.25V焊縫的技術條件，在最小及最大熱處理態下均具有較大的室溫強度和低溫沖擊韌性裕度。

表3 焊縫金屬的室溫拉伸及-30 ℃沖擊韌性

在相同的熱處理狀態下，C含量降低，焊縫金屬的強度降低，其中抗拉強度的降低幅度較為顯著，在最小和最大熱處理狀態下，均降低了15～20 MPa。在焊縫金屬的塑性和韌性方面，隨著C含量降低后，焊縫的斷裂伸長率略有增加，沖擊韌性有較為明顯的提升，特別是最小熱處理狀態下，沖擊韌性提高了40 J以上。

2.3 回火脆化性能

在2.25Cr-1Mo-0.25V焊縫金屬長時熱循環過程中，會發生碳化物的析出和P, As, Sn, Sb等雜質向晶界的擴散，使焊縫金屬發生脆化[4]。按照圖2所示的步冷試驗程序，完成了2種焊縫金屬的回火脆化試驗，并分別繪制步冷前和步冷后的夏比V形缺口沖擊吸收能量轉變溫度關系曲線，試樣經分步冷卻脆化處理后應滿足下式要求

VTr54+3ΔVTr54≤0 ℃

(1)

式中：VTr54為步冷前沖擊吸收能量為54 J時相應的轉變溫度；ΔVTr54為步冷后沖擊吸收能量為54 J時相應的轉變溫度增量。沖擊吸收能量與試驗溫度的關系曲線示意圖如圖3所示。圖中曲線A和曲線B分別為步冷前和步冷后的沖擊吸收能量與試驗溫度的曲線。

圖3 沖擊吸收能量與試驗溫度的關系曲線示意圖

2種焊縫金屬的試驗結果見表4。C含量降低后，焊縫金屬經過長時間熱循環后的回火脆化傾向降低，具有更好的耐回火脆化性能。

表4 回火脆化性能

2.4 高溫拉伸及持久性能

將完成最大熱處理的焊縫金屬，按照2.25Cr-1Mo-0.25V材質加氫反應器常用的設計溫度454 ℃和482 ℃進行高溫拉伸試驗，結果見表5。

表5 焊縫金屬的高溫拉伸試驗結果

從高溫拉伸的試驗結果來看，2種焊縫金屬都能夠滿足2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊材的高溫拉伸技術要求。但是低C焊縫金屬在高溫下的屈服強度和抗拉強度均比正常焊縫低15～20 MPa，在抗拉強度上已經接近合格指標，性能裕度較小。

ASME標準中，對于設計溫度高于440 ℃的2.25Cr-1Mo-0.25V焊縫，焊材需要進行高溫持久試驗，試驗溫度為540 ℃，持久應力為210 MPa，要求持久試驗的失效時間≥900 h。按照高溫持久試驗技術要求，在鋼研納克GNCJ-50試驗機上，完成了2種焊縫金屬的高溫持久試驗。結果顯示，正常C含量的焊縫金屬的高溫持久時間達到939 h，而低C焊縫金屬的高溫持久斷裂時間僅為587 h。低C焊縫金屬的高溫持久時間大幅降低，低于技術條件的要求。

3 分析與討論

從上述系列試驗結果來看，C含量降低后，2.25Cr-1Mo-0.25V焊縫金屬整體表現出強度降低，塑韌性提高的特點。2種焊縫金屬在室溫拉伸試驗、沖擊韌性試驗、高溫拉伸試驗等短時試驗中，性能結果均符合技術要求。

對最小熱處理后兩種焊縫金屬的沖擊試樣的金相組織進行了分析，如圖4所示。焊縫金屬均為回火貝氏體組織，在鐵素體基體上無序分布較多的殘留M-A組元，在受力過程中能夠有效延緩裂紋的擴展，因此使焊縫金屬表現出良好的強度和塑韌性特征[5-6]。

圖4 沖擊試樣的金相組織

在高溫持久過程中，低C焊縫的持久斷裂時間比正常焊縫縮短了30%以上，表現出巨大的性能差異。通過掃描電鏡觀察了正常及低碳焊縫的持久斷裂試樣碳化物析出狀態，如圖5所示。低碳焊縫中碳化物的析出數量、尺寸均顯著低于正常焊縫。通過透射電鏡對圖5a中的碳化物進行了分析，結果如圖6所示。衍射結果的進一步分析顯示碳化物的存在方式為MC型碳化物。

圖5 高溫持久試樣的碳化物

圖6 高溫持久試樣的TEM分析

碳化物的析出，一方面起到沉淀強化作用，另一方面在高溫持久過程中，作為阻止晶界滑移和位錯遷移的主要釘扎物，能夠有效保證焊縫的高溫持久及蠕變性能[7]。因此，在焊縫金屬成分設計時，通過控制熔敷金屬的C與Cr, Mo, V, Nb元素的形成足夠的碳化物的析出狀態，是2.25Cr-1Mo-0.25V焊縫金屬具備足夠高溫持久性能的關鍵。

對于焊材制造企業和焊材用戶企業來說，2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊材的復驗過程中，高溫持久試驗是時間周期最長的試驗項目，其數據結果的時效性遠滯后于其他短時的化學及力學性能結果，因此在實際交貨及生產中存在各項常規性能結果檢驗合格后，不等待高溫持久結果就提前使用焊材的風險。因此，在2.25Cr-1Mo-0.25V焊材進行設計以及產品質量檢驗過程中，需要將焊絲及熔敷金屬的C含量作為重點進行監控，避免出現此類風險。

4 結論

(1) 熱處理工藝可控制2.25Cr-1Mo-V焊絲盤圓表面發生脫碳，脫碳后焊絲及熔敷金屬的C含量與正常焊絲及熔敷金屬相比降低約20%，其他合金元素未發生改變。

(2) C含量降低，2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊縫金屬表現出強度降低，塑韌性提高、回火脆化傾向減小的特點。在不同熱處理狀態下，正常焊縫及低碳焊縫的室溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗、-30 ℃夏比沖擊試驗、回火脆化評定試驗結果均滿足2.25Cr-1Mo-0.25V焊材的技術要求。

(3) C含量降低顯著降低了2.25Cr-1Mo-0.25V焊縫金屬高溫持久斷裂時間。低C焊縫中碳化物的析出數量、尺寸均顯著低于正常焊縫。

(4) 碳化物是高溫持久試驗過程中阻止晶界滑移和位錯遷移的釘扎物，是保證焊縫的高溫持久性能的關鍵。在2.25Cr-1Mo-0.25V焊材進行設計及產品質量檢驗過程中，需要將焊絲及熔敷金屬的C含量作為重點進行監控，避免出現C含量過低。