9%Cr馬氏體耐熱鋼C9MVW和5Co1焊條的研制

肖暉，馬風(fēng)輝

(奧鋼聯(lián)伯樂焊接(中國)有限公司 ，江蘇 蘇州 215126)

0 前言

9%Cr馬氏體鋼具有較好的高溫耐磨性能及抗高溫蠕變性能，是超超臨界火電機(jī)組的優(yōu)選材料?；鹆Πl(fā)電汽輪機(jī)、鍋爐及管道等關(guān)鍵部位的9%Cr鋼的連接焊及表面堆焊均需要使用9%Cr耐熱鋼焊材，其中由于焊接位置的特殊性，電焊條的使用量較大，為滿足與不同成分母材的匹配，進(jìn)行了C9MVW焊條和5Co1焊條兩類焊條的研發(fā)(C9MVW為BOHLER FOX C C9MVW焊條縮寫，5Co1為Thermanit CE MTS 5Co1焊條縮寫，下文同)，兩種焊條是在9%Cr基礎(chǔ)上分別添加W元素及Co元素，以提升產(chǎn)品的高溫耐磨性能，同時(shí)添加了少量Mo，Nb和V元素，以增加熔敷金屬的熱強(qiáng)性、提升抗高溫蠕變性能。上述兩種焊條在650 ℃以下都具有良好的抗高溫蠕變性能，高溫持久強(qiáng)度都經(jīng)過專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測合格，并已經(jīng)在國內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目中正式投入使用。

1 焊條各項(xiàng)指標(biāo)設(shè)計(jì)

1.1 焊條藥皮組分設(shè)計(jì)

C9MVW焊條和5Co1焊條均為堿性超低氫焊條，擴(kuò)散氫為H4 (H≤4 mL /100 g)。焊條具有優(yōu)良的全位置焊接性能，較低的冷裂紋敏感性，良好的抗高溫蠕變性能、以及適用電流范圍廣等特性。

(1)焊條的工藝性及藥皮組分設(shè)計(jì)。以碳酸鹽和氟化物為堿性藥皮的主體，并適當(dāng)調(diào)整兩者的搭配比例：碳酸鹽用來造渣、造氣、穩(wěn)弧；氟化物可稀渣并起到去氫作用，同時(shí)藥皮中需嚴(yán)格控制含有結(jié)晶水的物質(zhì)的加入量。常見的造氣劑是碳酸鹽和有機(jī)物，碳酸鹽析出的氣體為CO2，有機(jī)物產(chǎn)生的氣體為CO和H2；常見的造渣劑為碳酸鹽、硅鋁酸鹽類、鈦酸鹽及氟化物等，不同的配比組合以調(diào)整達(dá)到合適的熔渣熔點(diǎn)(熔化溫度區(qū)間)、表面張力和熔渣粘度，從而滿足全位置焊接時(shí)易脫渣、焊縫成形美觀及使用電流范圍大等工藝性的要求[1]。

(2)為提高焊條的熱強(qiáng)性、使其具有優(yōu)良的抗高溫蠕變性能，加入Mo，Nb，V和B等合金元素；為提高焊條的高溫耐磨性能，加入一定量的W和Co等金屬元素[2]。 具體藥皮組分設(shè)計(jì)見表1。

表1 焊條藥皮組分設(shè)計(jì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 焊條熔敷金屬化學(xué)成分設(shè)計(jì)

C9MVW焊條和5Co1焊條需具有抗高溫氧化性和熱強(qiáng)性，加入Si和Cr等元素，使鋼在高溫下與氧接觸時(shí)，表面能生成致密的高熔點(diǎn)氧化膜，保護(hù)鋼不受高溫氣體的繼續(xù)腐蝕；加入Mo，Nb和V元素能提高鋼的高溫強(qiáng)度；加入W元素或Co元素，提升高溫耐磨性及淬透性[3]。

研究發(fā)現(xiàn)在9%Cr鋼中加入極微量硼(B)元素可有效提高抗高溫蠕變性能，含硼鋼焊縫內(nèi)(經(jīng)焊后熱處理)C ，Cr和B原子在M23C6顆粒中有相似的分布，大部分B原子溶解在M23C6顆粒中，使M23C6顆粒穩(wěn)定化，在高溫下可阻止M23C6顆粒數(shù)量的減少，從而使高溫蠕變性能提高[4]。

對于 C9MVW焊條，化學(xué)成分指標(biāo)設(shè)計(jì)首先綜合參考美國標(biāo)準(zhǔn)AWS A5.5: E9015-G和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 3580-B: E Z 9C2WMV B 4 2 H5的所有要求; 對于5Co1焊條首先綜合參考美標(biāo)AWS A5.5: E9015-G和歐標(biāo)EN ISO 3580-B: E Z 9CMVW-Co B 4 2 H5的所有要求，然后根據(jù)行業(yè)中主要客戶的實(shí)際采購規(guī)范的不同要求，最終確定化學(xué)成分主要元素指標(biāo)要求,見表2。

表2 熔敷金屬化學(xué)成分設(shè)計(jì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.3 焊條熔敷金屬力學(xué)性能設(shè)計(jì)

9%Cr鋼除了具有良好的抗高溫蠕變性能，還需要有較好的韌性以滿足抗脆性斷裂的要求。經(jīng)過焊后熱處理，顯微組織由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ａ赳R氏體位向的回火索氏體，回火索氏體基體上有細(xì)小顆粒狀碳化物，可使屈服強(qiáng)度和硬度降低，使沖擊吸收能量增大，沖擊韌性增強(qiáng)。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)及主要客戶的實(shí)際采購規(guī)范要求，確定力學(xué)性能指標(biāo)要求見表3。

表3 熔敷金屬力學(xué)性能設(shè)計(jì)

2 焊接工藝參數(shù)與焊后熱處理工藝設(shè)計(jì)

9%Cr鋼焊縫金屬由于含有高的Cr，Mo和V等元素，在焊縫金屬CCT連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖上將轉(zhuǎn)變曲線向右推移，因此正常的焊縫金屬為馬氏體組織。9%Cr鋼具有高的淬硬傾向，焊接預(yù)熱溫度和層間溫度通常在200 ℃以上，焊接完畢后需及時(shí)焊后熱處理以防止產(chǎn)生冷裂紋[5]。

為了避免焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)硬化及冷裂紋、焊后熱處理過程中產(chǎn)生再熱裂紋，焊接前需對焊件進(jìn)行預(yù)熱，且在盡量保持不間斷的焊接過程時(shí)，需要保證焊件溫度不低于預(yù)熱溫度，焊后需緩冷并進(jìn)行高溫回火處理。綜上所述，不同規(guī)格焊條焊接工藝參數(shù)與焊后熱處理設(shè)計(jì)見表4及表5。

表4 C9MVW焊接工藝參數(shù)與焊后熱處理設(shè)工藝計(jì)

表5 5Co1焊接工藝參數(shù)與焊后熱處理工藝設(shè)計(jì)

3 焊接試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)

根據(jù)上述焊條藥皮組分與熔敷金屬成分的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了配方調(diào)試，在滿足化學(xué)成分和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，盡量優(yōu)化全位置焊接工藝性能。最終定型配方生產(chǎn)了C9MVW焊條和5Co1焊條。

研發(fā)的C9MVW電焊條和5Co1焊條適用于全位置焊接，焊接時(shí)焊縫鐵水流動(dòng)性好、成形美觀、易脫渣、飛濺少， 以直徑φ4.0 mm焊條的平焊位置為例，脫渣前和脫渣后的焊縫成形宏觀形貌如圖1和圖2所示。

圖1 C9MVW焊條脫渣前后焊縫宏觀形貌

圖2 5Co1焊條脫渣前后焊縫宏觀形貌

按照相關(guān)規(guī)范要求對直徑φ4.0 mm焊條進(jìn)行了化學(xué)成分測定和力學(xué)性能試驗(yàn)，焊后熱處理分別為(760±15)℃/2 h及(740±15)℃/10 h，經(jīng)射線(RT)Ⅱ級檢查，焊縫合格。熔敷金屬化學(xué)成分實(shí)測數(shù)據(jù)見表6，熔敷金屬力學(xué)性能實(shí)測數(shù)據(jù)見表7，力學(xué)數(shù)據(jù)原始曲線如圖3和圖4所示。

表6 熔敷金屬化學(xué)成分實(shí)測數(shù)據(jù)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表7 熔敷金屬拉伸試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)

圖3 C9MVW拉伸試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)曲線

圖4 5Co1 拉伸試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)曲線

4 焊條高溫持久強(qiáng)度的測定及機(jī)理

隨著溫度的升高，金屬性能發(fā)生變化，同時(shí)高溫下隨著加載時(shí)間的延長金屬性能也會發(fā)生變化。高溫下金屬材料的力學(xué)性能須同時(shí)考慮溫度和時(shí)間兩個(gè)因素，研究溫度、應(yīng)力-應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系，根據(jù)性能隨溫度和時(shí)間而變的規(guī)律合理使用材料。

蠕變是金屬在長時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢的發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象；由于蠕變最后導(dǎo)致的金屬斷裂稱為蠕變斷裂。

金屬蠕變變形主要通過位錯(cuò)滑移或攀移、原子擴(kuò)散及晶界滑動(dòng)等機(jī)理進(jìn)行，且隨溫度和應(yīng)力變化而不同；即高溫環(huán)境為金屬材料提供了額外的熱激活能，使得位錯(cuò)、空位等缺陷更活躍；在長期應(yīng)力作用下缺陷移動(dòng)具有一定方向性，變形不斷產(chǎn)生，最終發(fā)生蠕變；當(dāng)缺陷累計(jì)到一定程度，在晶粒交匯處或者晶界上第二相質(zhì)點(diǎn)等薄弱位置附近萌生裂紋并逐漸擴(kuò)展，最終出現(xiàn)蠕變斷裂。

應(yīng)力和溫度在金屬材料的退化中有著重要的作用。蠕變是研究物體在高溫情況下產(chǎn)生的形變，蠕變形變和應(yīng)力載荷、溫度、時(shí)間有關(guān)，在低溫情況下幾乎可以忽略。

火電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行期間，高溫部件可能受到穩(wěn)定的應(yīng)力控制作用或應(yīng)力-應(yīng)變混合控制下的蠕變-疲勞載荷作用?；旌峡刂浦?，應(yīng)力保持的 時(shí)間依賴損傷比應(yīng)變保持更具有破壞性，因此研究應(yīng)力控制下蠕變-疲勞對高溫部件性能以及壽命預(yù)測具有重要意義[6]。

兩種焊條分別在第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行了高溫持久強(qiáng)度檢測，結(jié)果見表8和表9。

表8 C9MVW焊條高溫持久強(qiáng)度實(shí)測結(jié)果

表9 5Co1焊條高溫持久強(qiáng)度實(shí)測結(jié)果

5 焊條擴(kuò)散氫控制機(jī)理及測定

焊縫中的氫是產(chǎn)生氣孔的主要因素之一，而電弧氣氛中的氫是無法完全避免的，只能盡量減少。氫的主要來源是藥皮中的有機(jī)物、藥粉中的結(jié)晶水、藥皮吸潮后所含的水分、工件表面鐵銹中的結(jié)晶水和油污以及由于鋼冶煉帶來的殘余氫。

C9MVW焊條和5Co1焊條都是以碳酸鹽和螢石為基的堿性藥皮焊條，通過藥皮配方的設(shè)計(jì)、控制原料中結(jié)晶水含量以及合理設(shè)計(jì)焊條的烘干工藝等措施來控制焊縫中的擴(kuò)散氫。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3965—2012 《熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量測定方法》，φ4.0 mm焊條經(jīng)350 ℃/2 h烘干后，采用熱導(dǎo)法測定焊條熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量見表10，均在低氫規(guī)定范圍內(nèi)(H≤4 mL/100 g)。

表10 擴(kuò)散氫含量實(shí)測結(jié)果

6 金相分析

由于兩種焊條有類似的化學(xué)成分和相似的焊接應(yīng)用過程，熔敷金屬的顯微組織在焊態(tài)和熱處理態(tài)均基本相同，下面僅以5Co1焊條為例進(jìn)行顯微組織金相組織分析。

圖5為5Co1焊條分別在焊態(tài)和熱處理狀態(tài)下的顯微組織，9%Cr馬氏體耐熱鋼焊條熔敷金屬焊態(tài)時(shí)的基體組織為原始板條狀馬氏體組織，在原奧氏體晶粒內(nèi)部和邊界形核長大，組織具有很大的不均勻性。經(jīng)過(740±15)℃/10 h的高溫?zé)崽幚砗?，會析出大量的顆粒狀或者球狀的滲碳體，組織轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ａ赳R氏體位向的回火索氏體。馬氏體有很高的強(qiáng)度和硬度，但塑性較差，無法承受沖擊載荷。經(jīng)高溫回火后，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，回火索氏體基體上有細(xì)小顆粒狀碳化物，這種組織又稱為調(diào)質(zhì)組織，晶粒較細(xì)且分布相對均勻，具有良好的強(qiáng)度和韌性的配合，細(xì)顆粒碳化物越是細(xì)小，則其硬度和強(qiáng)度稍高，韌性則稍差些；反之，硬度和強(qiáng)度較低，而韌性則會高些[7-8]。

圖5 5Co1焊條在焊態(tài)和熱處理態(tài)下的顯微組織

7 結(jié)論

(1)開發(fā)的C9MVW和5Co1焊條適用于9%Cr鋼母材的焊接，全位置焊接性優(yōu)良。

(2)化學(xué)成分、力學(xué)性能均滿足開發(fā)指標(biāo)設(shè)計(jì)要求；高溫持久強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；擴(kuò)散氫含量較低，滿足設(shè)計(jì)要求。