C含量对2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊焊缝金属性能的影响

2020-03-01范阳阳缪兴平楚成刚

焊接 2020年12期

范阳阳, 缪兴平, 楚成刚

(1.四川西冶新材料股份有限公司，成都 611730;2.四川省特种焊接材料研究开发工程实验室，成都 611730)

0 前言

。加氢反应器是各种加氢裂化工艺的核心关键设备，长期运行于高温、高压、临氢环境，设计要求高，制造难度大，是国家高端装备制造水平的重要标志之一。加钒改进型铬钼钢(2.25Cr-1Mo-0.25V)是加氢反应器主流材质。通过V-Nb元素添加，钢材的强度与2.25Cr-1Mo相比进一步提高，高温蠕变性能改进，有效减少反应器结构壁厚，并进一步提高抗氢腐蚀能力[1]。

2.25Cr-1Mo-0.25V钢的配套埋弧焊材研发需要同时满足如下技术要求：①良好的焊接工艺性及稳定抗缺陷能力。②超高焊缝纯净度， P, As, Sn, Sb等痕量元素严格受控。③多种热处理条件下，焊缝金属同时具备高强度高韧性特征，满足室温拉伸性能、低温冲击韧性、高温拉伸性能、高温持久性能、耐回火脆化等全套性能。焊材配方研发难度高，导致在反应器设计、锻件、制造全部国产化的背景下，配套焊材长期依赖于日本进口[2]。

如何使2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊焊缝金属同时具备高强度高韧性特征，是焊材设计企业和用户单位重点关注的内容。C元素是影响2.25Cr-1Mo-0.25V焊缝金属综合性能的最关键元素之一[3]。文中通过对比不同C含量对于焊缝金属综合性能的影响，研究了C含量对埋弧焊焊缝组织和性能的影响规律，对于2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊焊材的配方设计及后续产品质量控制具有重要意义。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

通过对2.25Cr-1Mo-0.25V盘圆进行不同的热处理，获得不同C含量的盘圆并加工为焊丝。盘圆正常热处理过程中采用氢气进行保护，避免表面氧化以及脱碳，φ5.5 mm盘圆正常热处理后断面状态如图1a所示。为了制备不同C含量的焊缝金属，在焊丝的盘圆制作过程中，使用同一炉号的盘圆，将热处理气氛变更为普通空气，使盘圆在热处理过程中产生表面脱碳。脱碳后的φ5.5 mm盘圆断面状态如图1b所示，从图中可见，表面脱碳层的厚度约为0.3～0.4 mm，计算得到脱碳层面积约为盘圆横截面积的21%～27%。采用红外碳硫仪对两种盘圆的整体C含量进行了分析，其中正常盘圆的C含量为0.128%，脱碳后盘圆的C含量为0.096%，C含量的降低比例与脱碳层的对应面积是一致的。

将正常及脱碳的盘圆加工为成品焊丝后，搭配同一焊剂(牌号XY-AF605)，在完全相同的试板、焊接参数、热处理条件下完成全部对比试验。试验钢板使用2.25Cr-1Mo-0.25V锻件，加工为1 400 mm×200 mm×40 mm规格试板后组合焊接坡口。坡口根部间隙20 mm，坡口角度10°。

图1 热处理后的盘圆

1.2 焊接及热处理参数

采用伊萨Aristo 1000 AC/DC焊机进行焊接，焊接极性为交流方波模式，频率为50 Hz。所使用的焊接工艺参数见表1。

表1 焊接工艺参数

焊接完成后，分割试板，按照2.25Cr-1Mo-0.25V钢焊接技术条件，进行最小热处理(705±14) ℃×8 h及最大热处理(705±14) ℃×32 h。

1.3 试验项目

采用SPECTRO LAB M11直读光谱仪对焊缝金属的化学成分进行分析。焊缝金属的力学性能试验部分包括：室温拉伸试验、高温拉伸试验、-30 ℃夏比冲击试验、回火脆化评定试验、高温持久试验。其中，室温拉伸试验及冲击试验在最大和最小2种热处理状态下考核，高温拉伸试验和高温持久试验仅在最大热处理状态下考核。

回火脆化试验是对焊缝金属进行步冷试验以判断其回火脆化的敏感性。步冷前和步冷后各取8组不同温度下的冲击试验试样，每个温度下进行3个试样的冲击试验，绘制转变温度曲线并计算回火脆化评定结果。其中，步冷前为最小热处理状态下的试样，步冷后为最小热处理状态试样进一步按照步冷温度曲线完成回火脆化试验的试样，步冷试验温度曲线如图2所示。

图2 步冷试验温度曲线

2 试验结果

2.1 焊缝金属化学成分

正常及低C焊缝金属的化学成分见表2。从表中可见，脱碳盘圆所加工焊丝的焊缝金属，比正常焊丝焊缝金属的C含量降低了0.023%。2个焊缝金属的其他合金基本一致，说明盘圆的热处理脱碳过程对于其他合金元素未产生影响。

表2 焊缝金属的化学成分(质量分数%)

2.2 室温拉伸性能及低温冲击韧性

经过最小热处理和最大热处理后，正常及低C焊缝金属的室温拉伸试验及-30 ℃夏比冲击试验的结果见表3。从室温拉伸试验的结果可以看出，2种焊缝金属均符合2.25Cr-1Mo-0.25V焊缝的技术条件，在最小及最大热处理态下均具有较大的室温强度和低温冲击韧性裕度。

表3 焊缝金属的室温拉伸及-30 ℃冲击韧性

在相同的热处理状态下，C含量降低，焊缝金属的强度降低，其中抗拉强度的降低幅度较为显著，在最小和最大热处理状态下，均降低了15～20 MPa。在焊缝金属的塑性和韧性方面，随着C含量降低后，焊缝的断裂伸长率略有增加，冲击韧性有较为明显的提升，特别是最小热处理状态下，冲击韧性提高了40 J以上。

2.3 回火脆化性能

在2.25Cr-1Mo-0.25V焊缝金属长时热循环过程中，会发生碳化物的析出和P, As, Sn, Sb等杂质向晶界的扩散，使焊缝金属发生脆化[4]。按照图2所示的步冷试验程序，完成了2种焊缝金属的回火脆化试验，并分别绘制步冷前和步冷后的夏比V形缺口冲击吸收能量转变温度关系曲线，试样经分步冷却脆化处理后应满足下式要求

VTr54+3ΔVTr54≤0 ℃

(1)

式中：VTr54为步冷前冲击吸收能量为54 J时相应的转变温度；ΔVTr54为步冷后冲击吸收能量为54 J时相应的转变温度增量。冲击吸收能量与试验温度的关系曲线示意图如图3所示。图中曲线A和曲线B分别为步冷前和步冷后的冲击吸收能量与试验温度的曲线。

图3 冲击吸收能量与试验温度的关系曲线示意图

2种焊缝金属的试验结果见表4。C含量降低后，焊缝金属经过长时间热循环后的回火脆化倾向降低，具有更好的耐回火脆化性能。

表4 回火脆化性能

2.4 高温拉伸及持久性能

将完成最大热处理的焊缝金属，按照2.25Cr-1Mo-0.25V材质加氢反应器常用的设计温度454 ℃和482 ℃进行高温拉伸试验，结果见表5。

表5 焊缝金属的高温拉伸试验结果

从高温拉伸的试验结果来看，2种焊缝金属都能够满足2.25Cr-1Mo-0.25V钢焊材的高温拉伸技术要求。但是低C焊缝金属在高温下的屈服强度和抗拉强度均比正常焊缝低15～20 MPa，在抗拉强度上已经接近合格指标，性能裕度较小。

ASME标准中，对于设计温度高于440 ℃的2.25Cr-1Mo-0.25V焊缝，焊材需要进行高温持久试验，试验温度为540 ℃，持久应力为210 MPa，要求持久试验的失效时间≥900 h。按照高温持久试验技术要求，在钢研纳克GNCJ-50试验机上，完成了2种焊缝金属的高温持久试验。结果显示，正常C含量的焊缝金属的高温持久时间达到939 h，而低C焊缝金属的高温持久断裂时间仅为587 h。低C焊缝金属的高温持久时间大幅降低，低于技术条件的要求。

3 分析与讨论

从上述系列试验结果来看，C含量降低后，2.25Cr-1Mo-0.25V焊缝金属整体表现出强度降低，塑韧性提高的特点。2种焊缝金属在室温拉伸试验、冲击韧性试验、高温拉伸试验等短时试验中，性能结果均符合技术要求。

对最小热处理后两种焊缝金属的冲击试样的金相组织进行了分析，如图4所示。焊缝金属均为回火贝氏体组织，在铁素体基体上无序分布较多的残留M-A组元，在受力过程中能够有效延缓裂纹的扩展，因此使焊缝金属表现出良好的强度和塑韧性特征[5-6]。

图4 冲击试样的金相组织

在高温持久过程中，低C焊缝的持久断裂时间比正常焊缝缩短了30%以上，表现出巨大的性能差异。通过扫描电镜观察了正常及低碳焊缝的持久断裂试样碳化物析出状态，如图5所示。低碳焊缝中碳化物的析出数量、尺寸均显著低于正常焊缝。通过透射电镜对图5a中的碳化物进行了分析，结果如图6所示。衍射结果的进一步分析显示碳化物的存在方式为MC型碳化物。

图5 高温持久试样的碳化物

图6 高温持久试样的TEM分析

碳化物的析出，一方面起到沉淀强化作用，另一方面在高温持久过程中，作为阻止晶界滑移和位错迁移的主要钉扎物，能够有效保证焊缝的高温持久及蠕变性能[7]。因此，在焊缝金属成分设计时，通过控制熔敷金属的C与Cr, Mo, V, Nb元素的形成足够的碳化物的析出状态，是2.25Cr-1Mo-0.25V焊缝金属具备足够高温持久性能的关键。

对于焊材制造企业和焊材用户企业来说，2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊材的复验过程中，高温持久试验是时间周期最长的试验项目，其数据结果的时效性远滞后于其他短时的化学及力学性能结果，因此在实际交货及生产中存在各项常规性能结果检验合格后，不等待高温持久结果就提前使用焊材的风险。因此，在2.25Cr-1Mo-0.25V焊材进行设计以及产品质量检验过程中，需要将焊丝及熔敷金属的C含量作为重点进行监控，避免出现此类风险。