具有低回火脆化敏感性的2.25Cr-1Mo合金系焊條研制

亢天佑 聶建航 王青云 張文軍

1. 概述

低合金耐熱鋼2.25Cr—1Mo由于具有較高的高溫強度、優(yōu)異的抗氧化和抗氫脆性、優(yōu)良的加工工藝性以及性價比高等優(yōu)勢，故廣泛應用于石油化工、核電及火電等領域高溫作業(yè)的承壓設備的制造。近年來，隨著國內(nèi)鋼鐵冶煉水平的不斷提高，鋼的純凈度得到了較好的控制，國內(nèi)的各大鋼廠已經(jīng)成功研制出回火脆化敏感性很低的2.25Cr—1Mo鋼板，總體技術水平已和進口鋼板相當。但是目前，與之配套的國產(chǎn)焊接材料普遍存在著回火脆化傾向較大的問題，只能用在非核心部件的焊接，而關鍵部件的焊接依然要依賴進口。

由于從國外進口2.25Cr—1Mo鋼配套焊材供貨周期較長，且價格昂貴，給我國的承壓設備建造帶來了較大的時間成本和材料成本。為了實現(xiàn)2.25Cr—1Mo鋼配套焊材的國產(chǎn)化，打破國外廠商的技術壟斷和市場壟斷，形成必要的市場競爭態(tài)勢，我單位組織開展了2.25Cr—1Mo鋼配套焊條（牌號SR—R407）的研制工作。

2. 研制思路

（1）渣系選擇 為保證熔敷金屬具有較好的力學性能，本試驗通過多輪的均勻設計，最終選則新型的Ca O- Ba O-CaF2- Si O2-Zr O2-TiO2堿性渣系。與傳統(tǒng)的CaO-Ca F2-Si O2渣系相比，本試驗焊條藥皮中除含有較大量的堿性物質大理石、螢石外，還加入（質量分數(shù)）8%~10%的B aCO3，進一步提高了熔渣的堿度，熔渣的堿度（B1）約為3.2。由于熔渣堿度較高，脫S效果非常好，且具有一定的脫P能力，有利于提高熔敷金屬的純凈度，降低熔敷金屬的X系數(shù)。另外藥皮中還加入一定的硅酸鹽、鋯酸鹽和一定量的金紅石，這對改善焊條的工藝性和熔敷金屬的塑性、低溫韌性有利。

（2）改善焊條工藝性 調整配方，控制熔滴的過渡狀態(tài)，降低大顆粒過渡的概率，減少短路電爆炸飛濺；合理調整碳酸鹽、氟化物、硅酸鹽、鋯酸鹽以及金紅石的比例，使焊接熔渣具有較合適的熔點、粘度以及表面張力，以適合全位置焊接的要求，改善工藝性能。

（3）提高熔敷金屬低溫韌性 2.25Cr—1Mo合金系焊材由于合金元素含量較高，淬硬傾向較大，所以提高其熔敷金屬低溫韌性難度也較大。本試驗通過以下途徑提高其低溫韌性：①藥皮中加入一定量稀土氟化物。稀土氟化物一方面可細化晶粒，提高熔敷金屬的低溫韌性；另一方面可降低熔敷金屬中的擴散氫。②藥皮中加入一定量的鋯英砂。鋯英砂既可以改善立焊的工藝性能，又可以向熔敷金屬中過渡一定量的Zr，起到細化晶粒，提高熔敷金屬低溫韌性的作用。

（4）降低熔敷金屬的回火脆化敏感性 如何控制2.25Cr—1Mo合金系焊條熔敷金屬的回火脆性，是該焊條研制過程中最大的技術難題。本試驗通過以下途徑降低熔敷金屬的回火脆化傾向。

第一，合理控制原材料。在原材料（藥皮粉料和焊芯）選擇方面，加強對P、Sb、Sn、As等雜質元素的控制，尤其是P的控制，減少些雜質向熔敷金屬的過渡，以降低熔敷金屬的X系數(shù)。

第二，控制熔敷金屬Mn、Si含量。嚴格控制熔敷金屬中Mn和Si的含量（wMn<0.85%，wSi<0.3%），尤其是Si的含量，以降低熔敷金屬的J系數(shù)。而熔敷金屬中Mn、Si含量的降低，可能會造成脫氧不足，對其低溫韌性不利。本試驗通過向藥皮中添加適量的鈦鐵和硅鈣合金，以提高藥皮的脫氧能力，熔敷金屬氧含量控制在250~300ppm（1ppm=1×10-6）。

第三，控制熔敷金屬碳含量。C對提高熔敷金屬的強度有顯著作用，但過多的C會降低熔敷金屬的低溫韌性，提高其回火脆化敏感性，為此應控制wC在0.06%~0.1%。

第四，控制熔敷金屬中Ni的含量。Ni能有效提高熔敷金屬的低溫韌性，但會增加熔敷金屬的回火脆化傾向，為此應控制wNi在0.2%以下。

表1 熔敷金屬化學成分（質量分數(shù)） （%）

3. 試驗結果及分析

（1）工藝性能 在平板和坡口中進行工藝性能試驗。試驗結果表明，所研制的SR—R407焊條電弧穩(wěn)定，飛濺較小，脫渣容易，成形美觀，無氣孔和裂紋等缺陷，適合全位置焊接。圖1為用HA—XⅧ—4 E漢諾威弧焊分析儀對SR—R407焊條焊接過程中采集到的電弧電壓、焊接電流波形。由波形圖可知，該焊條短路過渡頻率較少，說明該焊條電弧比較穩(wěn)定，短路電爆炸概率較小，工藝性能較好。

（2）熔敷金屬化學成分 熔敷金屬的化學成分如表1所示。由表1可知，熔敷金屬中S、P、Sb、Sn、As等雜質元素含量較低，X系數(shù)約為7.1p pm；熔敷金屬中Mn、Si含量也較低，J系數(shù)約為66%。

（3）熔敷金屬力學性能 熔敷金屬力學性能試驗按照GB/T 5118—2012《熱強鋼焊條》有關規(guī)定進行。選用20mm厚的鋼板進行焊接，焊接電流170~175A，電弧電壓23~25V，焊接速度11~13cm/min，道間溫度160~250℃。焊后進行熱處理，最小熱處理溫度為690℃，保溫8 h；最大熱處理溫度為690℃，保溫28h，最小熱處理后的階梯冷卻試驗按照圖2所示曲線進行。表2為熔敷金屬的力學性能。

由表2結果可知，SR—R407焊條塑性、低溫韌性較好，高溫屈服強度較高。經(jīng)690℃×8h和690℃×28h熱處理后熔敷金屬力學性能變化不大，說明該焊條可適應的熱處理參數(shù)范圍較大，能較好滿足現(xiàn)場施工不同熱處理的需要。

按照GB/T3965—2012《熔敷金屬中擴散氫測定方法》對SR—R407焊條進行擴散氫含量試驗。焊前進行350℃，保溫1h烘焙。采用氣相色譜法測試，測試結果為：3.53mL/100g，3.42mL/100g，2.81mL/100g，2.82mL/100g（平均值為3.15mL/100g）。

（4）熔敷金屬回火脆性 實踐中，通常用V型缺口夏比試驗獲得的韌性-脆性轉變溫度，或者54J夏比沖擊吸收能量轉變溫度VTr54的變化量來評價回火脆化的程度。圖3為SR—R407焊條階冷前（最小熱處理）和階梯冷卻后熔敷金屬沖擊吸收能量-溫度曲線。圖3結果表明階梯冷卻后熔敷金屬的VTr54有所上升，但上升趨勢不明顯，階梯冷卻前VTr54約為-73℃，階梯冷卻后VTr54約為-62℃。工程上，對于一些重要結構，一般要求2.25Cr—1Mo鋼板以及配套焊材階梯冷卻試驗滿足要求。經(jīng)計算SR—R407焊條滿足要求。

由上面的結果可知，SR—R407焊條回火脆化傾向較小，可以取代進口焊條，用于對回火脆性要求苛刻的2.25Cr—1Mo鋼制承壓設備重要結構的焊接。

（5）熔敷金屬組織 SR—R407焊條階梯冷卻前和階梯冷卻后熔敷金屬的組織變化不大，均為細小鐵素體+貝氏體組織，說明該焊條熔敷金屬的組織穩(wěn)定性比較好。

4. 結語

通過渣系創(chuàng)新和優(yōu)化熔敷金屬成分等手段，成功研制出焊接工藝性能較好，綜合力學性能優(yōu)良，回火脆化敏感性極低的2.25Cr—1Mo合金系焊條，可以取代進口焊條，應用于對回火脆性要求較高的2.25Cr—1Mo鋼制承壓設備重要結構的焊接。

表2 SR—R407焊條熔敷金屬力學性能

圖1 SR—R407焊條電弧電壓、焊接電流波形

圖2 階梯冷卻曲線

圖3 SR—R407焊條階冷前后沖擊吸收能量-溫度關系

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