904L+14Cr1MoR(H)復合板的熱處理工藝研究

張保奇，周杰士，鄭明光，蔣曉博，郭 進，張天佑

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

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有限公司(SEI)設計，設計材料為:殼體904L +14Cr1MoR(H)復合材料，厚度5 mm+54 mm(封頭5 mm +34 mm)，設備設計溫度425 ℃。但904L +14Cr1MoR(H)復合材料用于制造壓力容器國內尚無先例。

904L 是瑞典阿維斯坦公司發明的耐稀硫酸腐蝕的超級奧氏體不銹鋼，以固溶熱處理狀態使用。同時904L 不銹鋼在550～850 ℃產生敏化，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，且14Cr1MoR(H)具有更為嚴格的S 和P 雜質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+回火狀態使用。

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

文章主要針對904L +14Cr1MoR(H)爆炸復合板進行熱處理工藝試驗，通過不同熱處理狀態下復合板拉伸、彎曲、沖擊、剪切等力學性能和晶間腐蝕試驗對比，找出904L+14Cr1MoR(H)爆炸復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 化學成分和性能指標滿足SEI 設計文件《氯洗塔技術要求》，該文件詳細規定了用于制造氯洗塔的材料的技術要求。其有關14Cr1MoR(H)和904L 化學成分見表1 和表2，性能要求見下表3 和表4。

表1 14Cr1MoR(H)鋼板化學成分 w，%

表2 904L 化學成分 w，%

表3 14Cr1MoR(H)性能要求

表4 904L 性能要求及測試值

1.2 產品制造關鍵點

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

(2)904L +14Cr1MoR(H)復合板在爆炸復合并經過消應力退火處理后，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合板 第1 部分:不銹鋼-鋼復合板》及表3 所規定的性能要求。

2 試驗方案

2.1 材料及厚度規格選擇

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

鑒于筒體復合板材最終厚度為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 復合板替代，可替代的理論依據為:

(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，爆炸復合率要求均為100%復合;

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

2.2 爆炸復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，優先保證基層材料耐蝕性，平衡基層供貨狀態、力學性能和復層的耐腐蝕性能，設計了7 種熱處理工藝方案，見表5。

表5 復合板熱處理工藝方案

2.3 檢驗項目設計

復合板檢驗項目主要依據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 種熱處理狀態下力學性能和耐晶間腐蝕性能，從而找到904L+14Cr1MoR(H)復合板的最佳熱處理工藝。試驗項目及對應取樣數量見表6。

進行金相組織觀察，了解上述各種熱處理狀態下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。

表6 復合板熱處理后試驗項目和取樣要求

3 試驗結果及分析

3.1 性能試驗結果

性能試驗標準為氯洗塔的設計文件71100EQ-DP30-0101，NB/T 47002.1-2009 和ASTM A262 E 法等，結果見表7。

表7 不同熱處理制度下性能試驗結果

3.2 金相觀察

試樣熱處理狀態、編號及組織對照見表8，其復層金相組織照片見圖1 至圖3。

表8 試樣狀態、編號及組織對照

圖1 1-7 號至3-7 號試樣復層組織

圖2 4-7 號至6-7 號試樣復層組織

圖3 7-7 號、F-7 號和B-7 號試樣復層組織

3.3 實驗結果討論分析

(1)剪切強度皆滿足標準要求，且裕量最少70%。

(2)消應力退火溫度對材料拉伸性能影響:標準要求520～680 MPa，從實驗結果分析，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，后續焊接時，熱影響區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更加細密，相應的抗拉和屈服強度都應有所提高，但在實際生產中，因復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，力學性能結果顯示正火+回火后的抗拉強度與屈服強度皆有不同程度下降。

(4)從產品制造角度考慮。筒節卷圓要求材料的屈服強度越低，材料的延展率越高，越利于后續的卷板。從焊接角度考慮，材料的焊接熱影響區會出現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)從彎曲試驗結果來看，7 種熱處理條件下，復層與基層結合區，皆未出現裂紋缺陷，且彎曲角度為180°，這說明在復合板材料的界面結合性能滿足產品卷圓及封頭壓制需求(實際產品筒體變形率1.05%，封頭5.9%)。

(6)單從材料的力學性能和后續產品制造分析，選擇690℃回火，所得到的材料性能最優也最利于后續產品制造。

(7)14Cr1MoR(H)材料的沖擊性能，主要與材料本身晶粒度和殘余應力存儲情況有關，從結果看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。本次試驗板材規格4 mm +14 mm，從正火+回火后力學性能分析，正火降溫速度對材料的力學影響較大。后續產品若必須經正火處理，則降溫速度必須加快，穩妥的方法為水冷處理。

(8)按照ASTM A262 E 法進行的晶間腐蝕結果全部合格，這是由于904L 碳質量分數是很低的(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 即使在還原性環境中，如硫酸和甲酸中也可以被鈍化。

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

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

4 結論

根據各種熱處理對材料的力學性能，腐蝕性能影響程度及金相觀察，確定904L +14Cr1MoR(H)復合板(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，出爐風冷，綜合性能最優。

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

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