不銹鋼復(fù)合板焊后熱處理工藝研究

不銹鋼復(fù)合板焊后熱處理工藝研究

不銹鋼復(fù)合板的覆層與基層的熱處理特性有較大差別。復(fù)合板的焊后熱處理要求既保障基層的機(jī)械性能，同時(shí)又不降低覆層的耐晶間腐蝕性能，因此制定科學(xué)合理的復(fù)合板熱處理工藝比較困難。通過(guò)對(duì)奧氏體不銹鋼和低合金鋼冶金現(xiàn)象及熱處理工藝的分析，對(duì)S30408+Q345R不銹鋼復(fù)合板制定了合理的熱處理工藝。研究表明，經(jīng)過(guò)熱處理之后的不銹鋼復(fù)合板能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

不銹鋼復(fù)合板中溫敏化熱處理焊接冶金現(xiàn)象機(jī)械性能晶間腐蝕

某工程項(xiàng)目中一臺(tái)酯化反應(yīng)釜，其技術(shù)特性參數(shù)如表1所示。該酯化反應(yīng)釜主要用于生產(chǎn)化纖行業(yè)用的化纖原料顆粒，其內(nèi)筒的封頭為DHA 3300 mm×（18+3）mm碟形封頭，材質(zhì)為Q345R+304復(fù)合鋼板，由兩塊寬度為2050 mm的復(fù)合板拼焊而成。該封頭規(guī)格比較特殊，若采用熱壓需制備沖模，成本較大，因此其加工只能采用旋壓冷成形的方法。冷成形封頭會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，且反應(yīng)釜在運(yùn)行時(shí)很容易產(chǎn)生腐蝕及冷裂紋。因此，用戶特提出要對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。而封頭標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》第6.4.5.1款也規(guī)定：整板成形及先拼板后成形的鋼制封頭，應(yīng)于冷成形后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

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1 奧氏體不銹鋼的冶金現(xiàn)象

不銹鋼復(fù)合板有奧氏體復(fù)合板、馬氏體復(fù)合板及雙相鋼復(fù)合板，奧氏體復(fù)合板在壓力容器行業(yè)應(yīng)用最為廣泛。奧氏體不銹鋼金相組織類型及其所受到的熱加工和機(jī)械加工是其耐晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕性能和塑性、韌性的決定性因素。

1.1 奧氏體不銹鋼晶間腐蝕

當(dāng)奧氏體不銹鋼足夠長(zhǎng)時(shí)間地處于425～870℃之間的溫度時(shí)，碳化鉻便會(huì)在奧氏體晶粒的邊界上優(yōu)先沉淀析出，這種類型的沉淀析出被稱之為中溫敏化。經(jīng)過(guò)中溫敏化的材料暴露在腐蝕介質(zhì)中，便會(huì)發(fā)生晶間腐蝕。

1.2 σ相脆化

σ相脆化是不銹鋼在565～925℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間形成的，σ相的存在明顯降低了鋼的塑性和韌性。促使σ相生成的因素主要包括如下幾項(xiàng)：前期冷加工、高鉻含量、鋼材處于σ相轉(zhuǎn)變區(qū)時(shí)的溫度和時(shí)間等。

從NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》“表5焊后熱處理推薦規(guī)范”中分析得知，低合金鋼、碳素鋼的熱處理溫度通常在580～660℃之間，正好處于425～870℃的中溫敏化區(qū)和565～925℃的σ相形成的溫度區(qū)區(qū)間內(nèi)，如果按碳素鋼與低合金鋼的熱處理規(guī)范進(jìn)行熱處理，極易使復(fù)合板中304覆層形成晶間腐蝕及σ相析出，從而損害產(chǎn)品的使用壽命。學(xué)術(shù)上對(duì)奧氏體不銹鋼的焊后熱處理有不同的看法，考慮到奧氏體不銹鋼焊后熱處理的實(shí)際效果，故有關(guān)技術(shù)規(guī)范將焊后熱處理的強(qiáng)制性要求刪除了。

ASME規(guī)范規(guī)定，除非另有規(guī)定或采購(gòu)方和制造廠之間另有商定外，所有奧氏體不銹鋼復(fù)合板都應(yīng)進(jìn)行熱處理，熱處理包括將材料加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋垢矊又秀t的碳化物固溶，然后單張板各自進(jìn)行空冷。

2 不銹鋼復(fù)合板熱處理工藝

通過(guò)以上分析可知，不銹鋼復(fù)合鋼板其基層與覆層的熱處理特性有較大差別，熱處理溫度經(jīng)常相互矛盾。碳素鋼和低合金鋼的焊后熱處理為低溫回火（中溫），但此溫度因覆層受敏化溫度影響會(huì)使其抗晶間腐蝕的能力降低，而奧氏體不銹鋼需要固溶或在穩(wěn)定化溫度下進(jìn)行熱處理（高溫），否則就不能保證基層的機(jī)械性能和覆層的耐晶間腐蝕性能。

2.1 高溫?zé)崽幚砉に?/span>

既要保證復(fù)合板基層的力學(xué)性能，又要保證覆層的耐腐蝕能力，因此不銹鋼復(fù)合板的加熱溫度既要高于復(fù)合板的敏化溫度（425～870℃），又不能過(guò)高地超過(guò)基層的正火溫度（900～950℃），故將不銹鋼復(fù)合板封頭DHA 3300 mm×（18+3）mm的熱處理溫度確定在920～950℃。加熱前應(yīng)清除覆層表面的油污和含碳物。為避免增硫和增碳，在中性氣氛加熱爐中加熱，快速升溫，升溫速度≥200℃/h，均溫后以2 min/mm進(jìn)行保溫。保溫后將不銹鋼復(fù)合板封頭從爐內(nèi)移出，用冷水或壓縮空氣對(duì)準(zhǔn)覆層進(jìn)行快速冷卻。當(dāng)溫度降到425℃時(shí)，停止噴水或吹風(fēng)，在靜止空氣中冷卻。這樣既保證了覆層的耐蝕能力，又對(duì)基層進(jìn)行了消除應(yīng)力處理并保證基層處于正火狀態(tài)。該方法對(duì)加熱爐的熱處理能力及冷卻設(shè)備要求較高。

2.2 中溫?zé)崽幚砉に?/span>

低合金鋼與碳素鋼消除應(yīng)力熱處理的加熱溫度在580～660℃之間，如果降低加熱溫度，則需通過(guò)延長(zhǎng)保溫時(shí)間來(lái)達(dá)到相同的熱處理效果。降低焊后熱處理溫度、延長(zhǎng)保溫時(shí)間，其工藝應(yīng)符合表2的規(guī)定。

如果焊后熱處理溫度過(guò)低，則對(duì)消除應(yīng)力沒有多大作用，僅僅起到后熱緩冷及消氫處理的作用。本文提到的DHA 3300 mm×（18+3）mm的不銹鋼復(fù)合板封頭的熱處理保溫定在550℃，在中性氣氛的加熱爐中加熱，快速升溫，升溫速度為200℃/h，均溫后保溫時(shí)間不低于（18/25）×60=43 min（參照NB/T 47015—2011中表5）。保溫后不能隨爐冷卻，而應(yīng)將封頭從爐內(nèi)移出，在靜止空氣中冷卻至室溫，這樣就避開了中溫敏化溫度區(qū)，既保證了覆層的耐蝕能力，又對(duì)基層進(jìn)行了消除應(yīng)力處理。此方法對(duì)壓力容器的冷成形封頭進(jìn)行消除應(yīng)力以及整臺(tái)設(shè)備進(jìn)行焊后熱處理均較適用。

3 結(jié)語(yǔ)

不銹鋼復(fù)合板的覆層與基層的熱處理特性有較大差別。本文以不銹鋼復(fù)合板中基層材料、覆層材料各自的熱處理特性為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行研究。通過(guò)分析碳素鋼、低合金鋼以及奧氏體不銹鋼各自的熱處理作用和冶金現(xiàn)象，制定了能減少基層材料內(nèi)應(yīng)力并減少覆層奧氏體不銹鋼σ相脆化的高溫?zé)崽幚砉に嚭椭袦責(zé)崽幚砉に嚒８鶕?jù)企業(yè)熱處理設(shè)備的能力，進(jìn)一步研究了中溫?zé)崽幚韱栴}并制定了合理的熱處理工藝，有效避開了中溫敏化溫度區(qū)，從而既保證了覆層的耐蝕能力，又對(duì)基層進(jìn)行了消除應(yīng)力處理，滿足了產(chǎn)品對(duì)材料性能的要求。實(shí)踐表明，經(jīng)過(guò)熱處理之后的不銹鋼復(fù)合板能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。