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(jīng)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(shù) J、 X 計算分析。 試驗結(jié)果表明， 在鍛件材料和焊材中雜質(zhì)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(shù) J、 X 數(shù)值大大增加，增加了其產(chǎn)生回火脆性的概率。

熱處理；回火脆性；晶界；敏感系數(shù)

0 引言

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

轉(zhuǎn)子鍛件通過嚴(yán)格控制回火脆性敏感系數(shù)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(yán)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生回火脆性的原因進(jìn)行了淺析， 對掌握 Ni-Mo-Cr-V 材料的焊接特性以及指導(dǎo)生產(chǎn)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(jìn)行試驗，其材料化學(xué)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(xué) 成 分 檢 測 值 見 表2， J=136 （% ） ； X=7.8 ppm。

表1 Ni-Mo-Cr-V 鋼化學(xué)成分 （w t%）

表2 焊材化學(xué)成分 （w t%）

1.2 焊前準(zhǔn)備

將 Ni-Mo-Cr-V 珠光體耐熱鋼板按圖1 進(jìn)行加工。

為了保證預(yù)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(cè) 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(jìn)行編號 （保證各通道溫度參數(shù)與各測溫位置對應(yīng)記錄溫度）， 接至中頻感應(yīng)加熱設(shè)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(jìn)行預(yù)熱，預(yù)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(nèi)， 層間溫度控制在 200～350℃之間， 焊后及時進(jìn)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(jié)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(jìn)行，將試件放置在墊鐵上，避免與爐體接觸，布置監(jiān)控?zé)犭娕?，?yán)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(jù)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(jìn)行冷卻， 降溫速度控制在≤20℃；

（2） 空冷： 熱處理并經(jīng)保溫后出爐在空氣中冷卻；

（3） 空冷+緩冷： 先按 （2） 經(jīng)過一次空冷，再按 （1） 進(jìn)行緩冷；

（4） 緩冷+空冷： 先按 （1） 經(jīng)過一次緩冷，再按 （2） 進(jìn)行空冷。

2.2 結(jié)果

焊態(tài)及不同熱處理后的埋弧焊焊縫中心沖擊試驗結(jié)果見表3。

表3 焊態(tài)及不同熱處理后的沖擊結(jié)果

從表3數(shù)據(jù)可以看出：焊態(tài)下焊縫中心沖擊值最高， 平均值達(dá)到 158J， 隨著熱處理溫度的升高， 經(jīng)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(tài)下的 56%； 620℃緩冷后， 沖擊值只有焊態(tài)下的 28%， 焊縫中心沖擊韌性已經(jīng)嚴(yán)重下降； 而 620℃空冷后的焊縫中心平均沖擊值與焊態(tài)一致。

為了驗證焊縫中心韌性下降現(xiàn)象，進(jìn)一步進(jìn)行了空冷+緩冷和緩冷+空冷熱處理兩種狀態(tài)試驗，其結(jié)果見表4。

表4 經(jīng)兩次不同熱處理狀態(tài)后的沖擊結(jié)果

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

3 結(jié)果分析

通過不同熱處理狀態(tài)下的試驗，可以得出，Ni-Mo-Cr-V 材料經(jīng)該焊材焊接后焊縫中心沖擊韌性下降，說明產(chǎn)生了回火脆性，并且該回火脆性具有可逆性。從文獻(xiàn)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(zhì)元素偏聚于晶界導(dǎo)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(jìn)行了觀察、檢測，結(jié)果顯示：回火前在晶界及晶內(nèi)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(jié)合強度，加劇焊縫金屬脆化。

圖2 電鏡掃描結(jié)果

3.2 沖擊斷口掃描

對熱處理后的沖擊試樣斷口進(jìn)行掃描，其結(jié)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(qū)、擴展區(qū)及瞬斷區(qū)斷口韌窩較細(xì)、較淺。

圖3 斷口掃描

3.3 焊縫金屬 J、 X 系數(shù)

P、 Sn、 Sb、 As等雜質(zhì)元素在原奧氏體晶界偏聚， 降低 Fe原子在晶界的結(jié)合力， 當(dāng)材料受到?jīng)_擊或拉伸時，晶界能已經(jīng)下降的晶界處很容易首先開裂，如果材料的晶內(nèi)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(zhì)元素在晶界發(fā)生共偏聚，促進(jìn)雜質(zhì)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(nèi)有吸附 P 雜質(zhì)元素形成化合物的作用，可使在晶內(nèi)產(chǎn)生沉淀相，從而阻礙P雜質(zhì)元素的晶界偏聚。

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

表5 焊縫金屬化學(xué)成分 （w t%）

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

4 改善建議

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，但這樣提高了焊縫金屬產(chǎn)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(yán)格控制鍛件及焊材中 P、 Sn、 Sb、 As等雜質(zhì)元素的含量；

（2） 調(diào)整焊材中 Si、 Mn、 Ni、 Cr等促進(jìn)雜質(zhì)元素偏聚的合金元素的含量；

（3） 調(diào)整焊劑成分及特點， 細(xì)化焊縫金屬組織晶粒， 降低焊縫金屬中 P、 Sn、 Sb、 As等雜質(zhì)元素的含量， 調(diào)整焊縫金屬中 Si、 Mn、 Ni、 Cr 等促進(jìn)雜質(zhì)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(shù)， 以改善或者消除焊縫金屬回火脆性。

5 結(jié)論

Ni-Mo-Cr-V 材料經(jīng)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(shù)控制較好， 自身不易產(chǎn)生回火脆性，但經(jīng)組合焊接以后，焊縫金屬J、 X 系數(shù)大大增加， 同時也增加了其產(chǎn)生回火脆性的概率。

在鍛件材料和焊材中雜質(zhì)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(zhuǎn)子鋼回火脆性的研究[J].北京:鋼鐵研究總院學(xué)報,1986,6(2):7-18

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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(xué)碩士， 主要從事汽輪機焊接技術(shù)研究。