904L+14Cr1MoR(H)復(fù)合板的熱處理工藝研究

張保奇，周杰士，鄭明光，蔣曉博，郭 進，張?zhí)煊?/p>

(1.中國船舶重工集團公司第七二五研究所 洛陽雙瑞金屬復(fù)合材料有限公司，河南 洛陽 471822;2.中海煉化惠州煉化分公司，廣東 惠州 516082;3.中國船舶重工集團公司第七二五研究所 洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471000)

目前，不銹鋼復(fù)合鋼板在石化行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，其中904L 不銹鋼復(fù)合鋼板也有研究和應(yīng)用報道［1-2］，基層材料為SA516-70，16MnR(Q345R)和Q345B，但904L+14Cr1MoR(H)復(fù)合材料在國內(nèi)外尚未見研究和應(yīng)用。

中國海洋石油總公司惠州煉化二期項目擬建POX 裝置氯洗塔，由中國石化工程建設(shè)有限公司(SEI)設(shè)計，設(shè)計材料為:殼體904L +14Cr1MoR(H)復(fù)合材料，厚度5 mm+54 mm(封頭5 mm +34 mm)，設(shè)備設(shè)計溫度425 ℃。但904L +14Cr1MoR(H)復(fù)合材料用于制造壓力容器國內(nèi)尚無先例。

904L 是瑞典阿維斯坦公司發(fā)明的耐稀硫酸腐蝕的超級奧氏體不銹鋼，以固溶熱處理狀態(tài)使用。同時904L 不銹鋼在550～850 ℃產(chǎn)生敏化，造成耐腐蝕性能和焊接接頭韌度降低，14Cr1MoR (H) 與 ASME SA-387 中 的1.25Cr0.5Mo 鋼相當(dāng)，且14Cr1MoR(H)具有更為嚴(yán)格的S 和P 雜質(zhì)元素控制要求及其它附加的要求，以滿足更為苛刻的使用條件，以正火+回火狀態(tài)使用。

904L+14Cr1MoR(H)在爆炸焊接技術(shù)方面和普通奧氏體不銹鋼一樣，不存在任何技術(shù)的問題和難點，但在爆炸焊接后需要經(jīng)過消應(yīng)力熱處理是該種復(fù)合材料能否成功應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵，即在保證基層鋼板14Cr1MoR(H)性能的同時，又要保證904L復(fù)層的耐蝕性。14Cr1MoR(H)消應(yīng)力退火溫度一般在690 ℃左右，但該溫度處于904L 敏化溫度(550～850 ℃)內(nèi)，因此如何保證904L 的耐蝕性成為904L+14Cr1MoR(H)復(fù)合材料關(guān)注重點，也成為復(fù)合板是否能夠成功應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

文章主要針對904L +14Cr1MoR(H)爆炸復(fù)合板進行熱處理工藝試驗，通過不同熱處理狀態(tài)下復(fù)合板拉伸、彎曲、沖擊、剪切等力學(xué)性能和晶間腐蝕試驗對比，找出904L+14Cr1MoR(H)爆炸復(fù)合材料的最佳熱處理工藝，探討其用于制造壓力容器的可行性。

1 試驗材料

1.1 材料要求

試驗用原材料14Cr1MoR(H)和904L 化學(xué)成分和性能指標(biāo)滿足SEI 設(shè)計文件《氯洗塔技術(shù)要求》，該文件詳細規(guī)定了用于制造氯洗塔的材料的技術(shù)要求。其有關(guān)14Cr1MoR(H)和904L 化學(xué)成分見表1 和表2，性能要求見下表3 和表4。

表1 14Cr1MoR(H)鋼板化學(xué)成分 w，%

表2 904L 化學(xué)成分 w，%

表3 14Cr1MoR(H)性能要求

表4 904L 性能要求及測試值

1.2 產(chǎn)品制造關(guān)鍵點

(1)904L +14Cr1MoR(H)復(fù)合板在爆炸復(fù)合并經(jīng)過消應(yīng)力退火處理后，904L 復(fù)層材料的耐晶間腐蝕性能。

(2)904L +14Cr1MoR(H)復(fù)合板在爆炸復(fù)合并經(jīng)過消應(yīng)力退火處理后，其拉伸、彎曲、沖擊和剪切性能是否滿足NB/T 47002.1-2009《壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板 第1 部分:不銹鋼-鋼復(fù)合板》及表3 所規(guī)定的性能要求。

2 試驗方案

2.1 材料及厚度規(guī)格選擇

904L+14Cr1MoR(H)爆炸復(fù)合板尺寸規(guī)格為(4 +14)mm ×750 mm ×2 480 mm，14Cr1MoR(H)正火+回火態(tài)，904L 固溶態(tài)。

鑒于筒體復(fù)合板材最終厚度為5 mm +54 mm(封頭厚度5 mm +34 mm)，而實際進行試驗時難以獲得這兩種厚度組合的材料，為此試驗采用4 mm+14 mm 復(fù)合板替代，可替代的理論依據(jù)為:

(1)厚度4 mm+14 mm 組合較5 mm +54 mm或5 mm+34 mm 爆炸難度稍大，爆炸復(fù)合率要求均為100%復(fù)合;

(2)試驗采用的4 mm+14 mm 復(fù)合板消應(yīng)力退火升降溫度及保溫時間與實際產(chǎn)品5 mm +54 mm復(fù)合板要求一致，因此904L 敏化時間相對較長，若其晶間腐蝕試驗合格，那么實際產(chǎn)品晶間腐蝕試驗一定合格。

2.2 爆炸復(fù)合板最佳熱處理方案

綜合考慮14Cr1MoR(H)和904L 在不同溫度下的材料特點，優(yōu)先保證基層材料耐蝕性，平衡基層供貨狀態(tài)、力學(xué)性能和復(fù)層的耐腐蝕性能，設(shè)計了7 種熱處理工藝方案，見表5。

表5 復(fù)合板熱處理工藝方案

2.3 檢驗項目設(shè)計

復(fù)合板檢驗項目主要依據(jù)NB/T 47002.1-2009 進行拉伸、彎曲、沖擊、剪切和晶間腐蝕試驗，綜合評價上述7 種熱處理狀態(tài)下力學(xué)性能和耐晶間腐蝕性能，從而找到904L+14Cr1MoR(H)復(fù)合板的最佳熱處理工藝。試驗項目及對應(yīng)取樣數(shù)量見表6。

進行金相組織觀察，了解上述各種熱處理狀態(tài)下904L 中碳化鉻在晶界析出(偏聚)程度以及14Cr1MoR(H)組織變化，為熱處理工藝選擇提供理論依據(jù)。

表6 復(fù)合板熱處理后試驗項目和取樣要求

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 性能試驗結(jié)果

性能試驗標(biāo)準(zhǔn)為氯洗塔的設(shè)計文件71100EQ-DP30-0101，NB/T 47002.1-2009 和ASTM A262 E 法等，結(jié)果見表7。

表7 不同熱處理制度下性能試驗結(jié)果

3.2 金相觀察

試樣熱處理狀態(tài)、編號及組織對照見表8，其復(fù)層金相組織照片見圖1 至圖3。

表8 試樣狀態(tài)、編號及組織對照

圖1 1-7 號至3-7 號試樣復(fù)層組織

圖2 4-7 號至6-7 號試樣復(fù)層組織

圖3 7-7 號、F-7 號和B-7 號試樣復(fù)層組織

3.3 實驗結(jié)果討論分析

(1)剪切強度皆滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且裕量最少70%。

(2)消應(yīng)力退火溫度對材料拉伸性能影響:標(biāo)準(zhǔn)要求520～680 MPa，從實驗結(jié)果分析，低溫回火情況下，抗拉強度偏高，隨溫度升高，抗拉強度趨于降低，在690 ℃下，抗拉強度最平均，超過690 ℃，材料的抗拉強度偏下限，富裕量太小，后續(xù)焊接時，熱影響區(qū)抗拉強度可能不滿足要求。

(3)正火對材料性能影響:正火+回火情況下，原則上正火后材料晶粒應(yīng)更加細密，相應(yīng)的抗拉和屈服強度都應(yīng)有所提高，但在實際生產(chǎn)中，因復(fù)合板正火采用空冷降溫，降溫速度慢(無法與鋼廠正火效果平齊)，不能有效細化晶粒，力學(xué)性能結(jié)果顯示正火+回火后的抗拉強度與屈服強度皆有不同程度下降。

(4)從產(chǎn)品制造角度考慮。筒節(jié)卷圓要求材料的屈服強度越低，材料的延展率越高，越利于后續(xù)的卷板。從焊接角度考慮，材料的焊接熱影響區(qū)會出現(xiàn)晶粒粗化強度降低問題，所以材料本身需要有一定的抗拉裕量。

(5)從彎曲試驗結(jié)果來看，7 種熱處理條件下，復(fù)層與基層結(jié)合區(qū)，皆未出現(xiàn)裂紋缺陷，且彎曲角度為180°，這說明在復(fù)合板材料的界面結(jié)合性能滿足產(chǎn)品卷圓及封頭壓制需求(實際產(chǎn)品筒體變形率1.05%，封頭5.9%)。

(6)單從材料的力學(xué)性能和后續(xù)產(chǎn)品制造分析，選擇690℃回火，所得到的材料性能最優(yōu)也最利于后續(xù)產(chǎn)品制造。

(7)14Cr1MoR(H)材料的沖擊性能，主要與材料本身晶粒度和殘余應(yīng)力存儲情況有關(guān)，從結(jié)果看690 ℃下，材料的沖擊韌性最好。低于該溫度，沖擊韌性略有降低，此外若正火不能保降溫速度，則無法有效的細化晶粒，反而降低材料的沖擊韌性。本次試驗板材規(guī)格4 mm +14 mm，從正火+回火后力學(xué)性能分析，正火降溫速度對材料的力學(xué)影響較大。后續(xù)產(chǎn)品若必須經(jīng)正火處理，則降溫速度必須加快，穩(wěn)妥的方法為水冷處理。

(8)按照ASTM A262 E 法進行的晶間腐蝕結(jié)果全部合格，這是由于904L 碳質(zhì)量分數(shù)是很低的(最大0.020%，試驗板C ＜0.0127)，因此在一般熱處理和焊接的情況下，不會有碳化物析出。這樣消除了一般熱處理和焊接后出現(xiàn)在的晶間腐蝕的危險。由于高的鉻鎳鉬含量，并且添加了銅元素，因此904L 即使在還原性環(huán)境中，如硫酸和甲酸中也可以被鈍化。

(9)金相觀察發(fā)現(xiàn)，凡是經(jīng)過620 ℃以上熱處理后，904L 均發(fā)生晶界粗化，晶界有碳化物析出現(xiàn)象，只是程度不同而已，但晶間腐蝕試驗均合格。

綜上比較，根據(jù)各種熱處理制度對材料的力學(xué)性能，腐蝕性能影響程度及設(shè)備復(fù)合板本體厚度，最終熱處理工藝選定為(690 ±14)℃，180 min保溫時間，出爐風(fēng)冷，綜合性能最優(yōu)，按此熱處理制度提供后續(xù)試驗板料。

4 結(jié)論

根據(jù)各種熱處理對材料的力學(xué)性能，腐蝕性能影響程度及金相觀察，確定904L +14Cr1MoR(H)復(fù)合板(厚度4 mm +14 mm)最終熱處理工藝選定為:溫度(690 ±14)℃，180 min 保溫時間，出爐風(fēng)冷，綜合性能最優(yōu)。

［1］李玉虎，張文勇，陳俊杰.904L 復(fù)合板水合反應(yīng)器的制造［J］.壓力容器，2004，21(9):25-28.

［2］唐俐.904L 不銹復(fù)合板的焊接制造［J］.壓力容器，2004，21(1):34-36.