熱處理工藝對雙相鋼帶極埋弧堆焊層組織及性能的影響

高成龍， 李憲爽

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 前言

雙相不銹鋼在室溫下其顯微組織中鐵素體與奧氏體相大約各占一半且兼有兩相組織特征[1-2]。奧氏體相的存在，降低了高Cr鐵素體不銹鋼的脆性，提高了韌性和可焊性。鐵素體相的存在，提高了奧氏體不銹鋼的室溫強度[3]。雙相不銹鋼一方面保留了鐵素體不銹鋼耐點蝕、縫蝕及氯化物應力腐蝕等諸多優點，同時也存在475 ℃脆化及σ相脆化等缺點；另一方面又具備奧氏體不銹鋼韌性好、抗晶間腐蝕、力學性能及焊接性能優良等優點，基于上述特性，使其廣泛應用于造紙、核電、建筑、海水淡化及石油化工等行業[4-9]。

隨著國內外石油化工、煤化工用壓力容器向著大型化、高效化的方向發展，雙相不銹鋼大面積帶極堆焊的需求日益增加[10]，因此對雙相鋼帶極堆焊的研究顯得尤為重要。由于雙相鋼在經歷600～900 ℃加熱時會析出第二相[11-13]，因此選取665 ℃熱處理溫度作為研究對象，通過對EQ2209埋弧帶極堆焊層焊態及熱處理態試樣分別進行力學性能試驗及微觀組織分析等試驗，總結出665 ℃熱處理對雙相鋼堆焊層組織及性能的影響規律。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗中使用的材料為15CrMoR，規格500 mm×300 mm×60 mm，其化學成分詳見表1。焊接材料使用焊帶EQ2209，規格60 mm×0.5 mm及與其匹配的埋弧焊劑，焊帶化學成分詳見表1。

表1 材料化學成分(質量分數，%)

1.2 焊接工藝

采用埋弧堆焊方式在15CrMoR上堆焊2209，首層堆焊前母材預熱150 ℃，焊道間的清理采用不銹鋼刷及專用不銹鋼砂輪打磨，焊劑堆高25～30 mm，壓道量6～8 mm，最大層道間溫度200 ℃，其余焊接工藝參數詳見表2。

表2 堆焊工藝參數

對堆焊試樣進行665 ℃熱處理，保溫時間分別為0.5 h，1.0 h，2.0 h。

1.3 試驗方法

研究2209堆焊層的力學性能及微觀組織。使用WE-60液壓萬能材料試驗機進行彎曲試驗，使用NI500金屬擺錘沖擊試驗機進行堆焊層的沖擊試驗，使用AXIOVERT 200MAT金相顯微鏡對堆焊層的微觀組織進行觀察。采用MP30E-S鐵素體檢測儀測量堆焊層鐵素體數，采用HVS維式硬度計進行堆焊層的硬度試驗，采用Apollo300掃描電鏡觀察沖擊試樣斷口及堆焊層表面形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能

根據NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》，對堆焊層進行彎曲試驗，結果詳見表3。

表3 焊態及665 ℃不同熱處理時間側彎試驗

由表3可看出，只有焊態下的試樣是完全合格的，未出現裂紋。經過665 ℃熱處理后的彎曲試樣均在堆焊層出現斷裂現象。根據ASTM A923-14中方法B，對堆焊層進行-40 ℃沖擊試驗，試樣尺寸為5 mm×10 mm×55 mm，結果如圖1所示。

圖1 焊態及665 ℃不同熱處理時間試樣沖擊值

從圖1可看出，焊態試樣的平均沖擊吸收能量超過32.5 J，滿足標準要求(AKV(-40 ℃)≥27 J)，而經過665 ℃熱處理后的試樣平均沖擊吸收能量均低于5.0 J，遠低于標準要求。

對焊態及熱處理態的試樣進行硬度試驗。結果表明，焊態下堆焊層的硬度平均值最低(263.0 HV10)，隨著熱處理保溫時間的延長，硬度值逐漸升高，保溫2 h后堆焊層硬度值最高(290.3 HV10)，相比焊態下堆焊層的硬度，其增大約10%。

2.2 微觀組織

采用50%鹽酸酒精溶液分別對堆焊層試樣進行腐蝕，對堆焊層進行金相觀察，如圖2所示。

圖2 焊態及665 ℃不同熱處理時間雙相不銹鋼堆焊層的微觀組織

從圖2可看出：焊態試樣的組織為奧氏體+條狀鐵素體，熱處理態試樣在鐵素體/奧氏體邊界附近存在析出物。由圖2b～2d試樣的組織表明，析出物在鐵素體/奧氏體邊界析出，同時隨著熱處理時間延長，析出物數量增多。

為確定析出物的形貌及成分，采用掃描電鏡及EDS能譜分析分別對焊態及熱處理態(665 ℃/2 h)堆焊層金相試樣進行分析，如圖3所示。

從圖3可看出，經歷熱處理后的堆焊層在鐵素體/奧氏體晶界附近存在析出物，通過對鐵素體及析出物分別進行能譜分析，得出析出物中富含Cr，Mo，Si等元素。由于晶界處的結構缺陷較多，界面能高，有利于σ相的形核[14]，因此可推斷出該析出物為σ相。

圖3 焊態及665 ℃/2 h熱處理態雙相不銹鋼堆焊層的SEM形貌及能譜分析

2.3 斷口分析

采用掃描電鏡對沖擊試樣斷口進行觀察分析，如圖4所示。

圖4 焊態及665 ℃不同熱處理時間雙相不銹鋼堆焊層斷口形貌

由圖4可看出，焊態下的沖擊試樣斷口含有大量的韌窩，是典型的韌性斷裂，如圖4a所示。經過665 ℃熱處理后，試樣沖擊試樣斷口呈現準解理平面，屬于脆性斷裂，如圖4b～4d所示。

綜上所述，經歷665 ℃熱處理后，堆焊層沖擊試樣的斷裂類型由韌性斷裂向脆性斷裂轉變。

2.4 鐵素體數

根據GB/T1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量的測量方法》，分別對堆焊層試樣進行鐵素體數測量，結果詳見表4。

表4 焊態及665 ℃不同熱處理時間雙相不銹鋼堆焊層鐵素體數

通過表4可看出，焊態下的堆焊層平均鐵素體數最高，具有最好的相比例。隨著熱處理時間的延長，堆焊層鐵素體數逐漸下降。

3 結論

(1)EQ2209堆焊層在經歷665 ℃熱處理后，在鐵素體/奧氏體晶界附近會析出σ相。

(2)隨著665 ℃熱處理時間的增加，σ相的析出量增多。

(3)由于σ相的析出，導致EQ2209堆焊層的彎曲試樣不合格，沖擊韌性降低，同時堆焊層的硬度升高。