压力容器用双相不锈钢-低合金钢爆炸复合板热处理工艺的探究

压力容器用双相不锈钢 -低合金钢爆炸复合板热处理工艺的探究

郭 龙 谢孔华

威海化工机械制造有限公司，山东威海， 264203

摘要： 通过对双相不锈钢、低合金钢在热处理过程中组织转变特点的分析，并模拟双相不锈钢-低合金钢（S22053-Q345R）爆炸复合后进行热处理试验，对试件进行硬度检测、组织成分检测，力学性能试验、抗腐蚀性能试验，以验证热处理工艺方案的正确性，对同类复合板材料爆炸复合后的热处理工艺起到指导意义。

关键词： 双相不锈钢 低合金钢 爆炸复合板 热处理

前言：

双相不锈钢兼有奥氏体不锈钢与铁属体不锈钢的特性，具有韧性高、脆性转变温度低、焊接性好、耐晶间腐蚀性高等特性；不但保留了铁素体不锈钢导热系数高、热膨胀系数小、超塑性等特点，而且比奥氏体不锈钢的强度高，特别是疲劳强度、屈服强度显著提高。

双相不锈钢-低合金钢爆炸复合板成本低，耐晶间腐蚀性能高，特别在氯溶液及H2S中的耐应力腐蚀性能相对奥氏体不锈钢显著提高，具有抗孔蚀和缝隙腐蚀的能力，而且具有良好的韧性和强度等综合性能。在工业中应用越来越多，如大型化工容器、石油工业、化学工业等。

双相不锈钢与低合金钢由于化学成分、硬度、组织成分存在较大差异，在热处理过程中，组织成分变化有各自的特点，因此，如何制定出最佳的热处理方案，既能消除爆炸焊接的残余应力，满足双相不锈钢-低合金钢爆炸复合板的剪切强度、力学性能、冲击性能、弯曲性能，又能满足双相不锈钢抗腐蚀性能，成为了一个新课题。

1. 双相不锈钢热处理过程中组织转变

1.1 S22053典型双相不锈钢为例进行分析研究

S22053板材α(铁素体)与γ（奥氏体）所占体积分数相近，经定量金相统计分析结果表明，原始板材中α相约占46%，γ相约占54%。而在热处理过程中会发生组织转变，从而影响板材的力学性能。

表一：S22053板材化学成分

当热处理温度在950-1150℃范围内时，随热处理温度的提高，α相逐渐增多，γ相逐渐减少，组织中α相与γ相相对含量和热处理温度呈线性关系（见图一）。

两项关系可以表示为：

α%=33.2+0.146（T-900） 式一

γ%=59.2-0.120（T-900） 式二

图一：不同热处理温度下铁素体和奥氏体的变化

当热处理温度为1000℃时，α(铁素体)与γ（奥氏体）比例约各占一半。

当热处理温度为600-1000℃范围内时，双相不锈钢会析出碳化物和金属间相。碳化物多为Cr23C6，且分布在铁素体与奥氏体晶界上，而析出的金属相主要有σ相、α′相以及х相等。这些相硬而脆，对双相不锈钢的韧性和塑性损伤较大。尤其在700-975℃范围内，短时间内即可析出σ相，造成板材耐腐蚀性能下降，并易产生开裂现象。

当热处理温度为300-525℃范围内时，双相钢不锈钢会析出不同的，较脆的金属相，形成较脆的温度区。尤其在350-525℃范围内，析出α′相，使钢的硬度提高，并发生严重脆化，出现475℃脆性。

双相钢脆性特点，在350-525℃范围内出现475℃脆性，在600-975℃范围内析出σ相，都会导致双相不锈钢产生脆性。双相不锈钢几种较常见金属中间相见图二。

图二：双相不锈钢几种较常见金属中间相

综上所述，S22053双相不锈钢的固溶处理温度应不小于1000℃，一般推荐固溶处理温度为1050℃。加热温度区间可在550-600℃之间，采用快速加热、快速

冷却，减少在475℃脆化温度区间停留时间。

2 低合金钢热处理过程中组织转变

2.1 压力容器用典型低合金钢Q345R为例进行分析研究

压力容器用钢的热处理类别，常见的类型为正火、淬火、回火、及消除应力退火。对于Q345R钢板热处理过程，大多数是结合制造工艺进行的，主要热处理类型是正火与消除应力退火。

表二：Q345R板材的化学成分

2.2 压力容器用钢正火热处理

压力容器用钢板的正火工艺，多数是结合部件热成型工艺进行的。正火加热温度一般Ac3以上30-50℃，保温时间按每毫米1.5-2.5min，冷却方式空冷。对于Q345R钢板，正火温度为900-930℃。如果提高正火温度，组织晶粒将随温度升高逐渐长大，而当热处理温度超过1000℃时，晶粒将剧烈长大，钢板的韧性、塑性将严重下降，脆性提高。

2.3 压力容器用钢退火热处理

压力容器用钢的消除应力退火工艺，是为了消除复合钢板复层贴合后的残余应力；消除焊接接头内应力，提高接头的脆断的能力。消应力退火是将钢板加热到高于或低于奥氏体临界点，保温一段时间，然后缓慢冷却，达到消除钢件残余应力的目的。

残余应力的消除可以用保温时间与保温温度之间的函数来表示：即Larson-Miller的参数P表示，常见P值表示为：

P=T（lgt+20）*10^-3。

式中 T—加热保温温度，K；

t—加热温度时间，h。

根据P值的函数表达式，在较低的温度下保持较长时间与在较高的温度下保持较短的时间，可以得到相同的P值，即达到同样的消应力程度。

对于Q345R钢板，退火温度为600-650℃，保温时间根据工件的有效厚度，当δ≤50mm时，保温时间为δ/25h，但最短不低于0.25h；当工件厚度＞50mm时，

保温时间为（2+（δ-50）/100）h。当退火温度低于600℃时，需按Larson-Miller的参数延长保温时间，具体见表三：

表三：焊后热处理温度低于规定最低保温温度时的保温时间

综上所述，Q345R低合金钢正火温度为900-930℃，不宜再提高；消除应力退火温度为600-650℃，也可根据需要降低热处理温度，但需要按表三要求延长保温时间。

3 双相不锈钢-低合金钢爆炸复合板热处理工艺的探究

结合S22053与Q345R组织转变的特点，热处理过程对板材力学性能、抗腐蚀性能的影响，及各自适宜的热处理温度区间，理论上分析，S22053+Q345R爆炸复合板热处理温度区间在550-600℃相对适宜，但对于Q345R钢板需要延长保温时间。

鉴于上述分析，制定热处理工艺方案，热处理温度及保温时间：580±20℃×3h，空冷。经对复合板试件硬度值、铁素体含量、力学性能试验、抗腐蚀性能试验，其各项性能均满足标准要求。

4 结论

经过对双相不锈钢、低合金钢在热处理过程中组织转变特点的分析，制定热处理工艺方案，并对双相不锈钢-低合金钢（S22053-Q345R）爆炸复合后进行热处理试验，其各项性能均满足标准要求，验证了双相不锈钢-低合金钢复合板的热处理工艺方案的正确性，对同类复合板材料爆炸复合后的热处理工艺起到指导意义。

参考文献：

[1] 《2205 双相不锈钢》陕西科学技术出版社。

[2] 《压力容器用材料及热处理》， 压力容器实用技术丛书，化学工业出版社。

[2] 《工程焊接冶金学》，机械工业出版社出版。

[3] 《压力容器》，机械工业部通用机械研究所编辑出版。

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