耐高温不锈钢管手工氩弧焊接头的显微组织介绍

 浙江至德钢业有限公司对60.3mm×8mm的耐高温不锈钢管的母材及手工氩弧焊接头进行了化学成分、力学性能和显微组织的测定。结果表明,耐高温不锈钢管的化学成分、力学性能和显微组织均满足GB 5310-1995的要求,焊接接头的组织为正常组织。

 耐热钢焊接性较差,焊接中需防止冷裂纹及根部合金元素氧化过烧,但它有良好的塑性和韧性,对焊接有利。耐热钢对冷裂纹有组织上的敏感性;在焊后的马氏体转变中,氢以过饱和状态残留于马氏体内,促使该区域进一步脆化,由于焊后发生马氏体转变,使接头处的组织应力增大。如果焊接线能量较大,会造成层间过热,出现粗大晶粒和网状晶界,在晶界处产生微裂纹源;若焊后去应力回火不及时,裂纹将扩展,造成冲击韧性下降。因此,对该钢种施焊时,采用合理的气体保护方法及预热和热处理工艺是非常重要的。

 铁素体热强钢只能在600℃以下的温度长期服役。耐热钢是在9Cr-1Mo钢的基础上添加钒、铌元素和控制氮含量(0.030%～0.050%)以提高蠕变强度。在610℃温度下,耐热钢的持久强度与奥氏体热强钢TP304H(1Cr18Ni9)等强,而焊接工艺性能则优于奥氏体钢,为火电超临界压力大容量机组首选材料之一。耐热钢在1100～1200℃之间其热塑性最好,再结晶进行完全、奥氏体组织均匀。

 我国大型火电锅炉的高温过热器和再热器、核电蒸发器的高温部件大量应用10Cr9Mo1VNb钢管。在锅炉上用于过热器和再热器以及主蒸汽管道等部件,用来代替102和TP304H等不锈钢,其高温持久强度优异。上海宝山钢铁股份有限公司为我厂提供的60.3mm×8mm的耐高温不锈钢管供货状态为1050℃正火+790℃回火。笔者对耐高温不锈钢管的显微组织进行了观察和分析。

一、试验材料及方法

 试验材料为耐高温不锈钢管,其化学成分分析结果(质量分数)见表。用WJ-10A型机械式万能试验机进行拉伸、扩口和压扁试验,用JB30B型冲击试验机进行冲击试验,用HB-3000型布氏硬度计进行硬度测定。采用CAM-SCAN型扫描电镜观察断口的断裂特征,用Neopht-Ⅱ型光学显微镜进行显微组织观察,组织显示用4%硝酸酒精溶液。透射电镜试样采用MTP-1A型双喷电子减薄仪减薄,在PHILIPSCM 12型透射电镜下进行观察,用EDAX®9100型能谱分析仪对碳化物进行成分测定。手工氩弧焊采用日本神户制钢所2.4mm的TGS-9cb焊丝,采用日本Pulse CompA 300P交直两用手工焊机,焊前预热温度≥10℃,焊接电流140A,焊接电压12V。用2515X型射线机对焊接接头进行TV光RT探伤拍照,用H15型热处理炉对手工氩弧焊接头进行760℃/0.5h空冷的消除应力热处理。

二、试验结果与分析

 1. 力学性能

 取耐高温不锈钢管纵向试样,冲击试样尺寸为5mm×10mm×55mm。力学性能测定结果见表。

 2. 显微组织

 9%～12%铬钢的基本特点是空淬形成马氏体的能力,即在100mm的断面可空淬成马氏体。马氏体组织的优点是回火时能得到高的均匀的位错密度并且密集的成核和碳化物、氮化物颗粒的析出。碳化物和氮化物细颗粒的弥散分布和高温稳定性是保证材料高持久强度的关键。为了使9%～12%铬钢得到100%马氏体,需要在大约1050℃正火时转变成全奥氏体组织,而要得到全奥氏体组织又取决于奥氏体形成元素镍、锰、铜、钴、碳和氮与铁素体形成元素铬、硅、钼、钨、钒和铌的恰当平衡。因此铁素体与奥氏体形成元素的适当平衡是开发新的9%～12%铬钢的首要条件。大部分铁素体形成元素在钢中形成稳定的析出物,但是为了抑制δ铁素体的形成,铁素体形成元素的添加必须与奥氏体形成元素平衡。其中奥氏体形成元素碳和氮的添加又必须限量,因为过量会降低焊接能力。镍的添加也必须限制,否则会降低奥氏体转变温度,使钢的回火困难,镍也会降低析出物的热稳定性。在P91钢中无M2X。9%～12%铬钢中的主要析出物是由铬、铁、钼(钨)和碳组成的M23C6碳化物。这种碳化物回火时在晶界析出保证了X20CrMoV121钢的基本持久强度,M23C6碳化物是通过阻碍晶粒长大来增加持久强度,M23C6的热稳定性相当高。通过增加强化M23C6碳化物的量使600℃的持久强度提高约50%。通过钒、铌和氮的平衡,在P91钢的晶内生成并析出主要由钒、铌和氮组成的MX。MX析出物的热稳定性非常高,这能解释它们对持久强度巨大的影响。耐高温不锈钢管母材的显微组织为回火马氏体,晶粒度为9级，符合GB 5310-1995的要求。手工氩弧焊焊缝的显微组织见图,从图可看到其组织为粗大的马氏体,并且在晶内和晶界上都有碳化物析出;手工氩弧焊接头热影响区的显微组织见图,从图可看到其组织与母材相近,晶界上的碳化物较多。

 图为供货状态下耐热钢母材的TEM形貌。图为焊缝的TEM照片。在图中可看到其位错密度高于母材,图10b试样取自持久试样中变细的部位,其形貌与母材、焊缝不一样,可看到由于再结晶使晶粒变成了等轴状,碳化物比母材多且大。对焊后的焊口进行了着色检查,发现有的焊口有微小的裂纹,因此建议焊接时的线能量不能大,以防止由于层间过热而产生微裂纹源,并及时进行消除应力处理以防止裂纹扩展。

 3. 断口分析

 耐高温不锈钢管母材的冲击断口属于韧窝断口,焊缝的冲击断口见图。图是心部的SEM照片,为准解理+解理断口,图是冲击断口边缘的SEM照片,为韧窝断口并有夹杂。

三、结论

 1. 上海宝山钢铁股份有限公司供应我厂的60.3mm×8mm的耐高温不锈钢管的化学成分、力学性能、显微组织等均符合GB 5310-1995标准的要求。

 2. 断口分析结果表明,耐高温不锈钢管的冲击断口为韧窝断口;手工氩弧焊焊缝的断口除韧窝外,出现了准解理+解理断口。

 3. 透射电镜观察结果表明,耐热钢的基体组织为马氏体,晶界上分布着大的M23C6型碳化物,晶内有小的碳化物,并有位错。在手工氩弧焊焊缝中出现了孪晶马氏体。