不銹鋼復合板焊后熱處理工藝研究

不銹鋼復合板焊后熱處理工藝研究

不銹鋼復合板的覆層與基層的熱處理特性有較大差別。復合板的焊后熱處理要求既保障基層的機械性能，同時又不降低覆層的耐晶間腐蝕性能，因此制定科學合理的復合板熱處理工藝比較困難。通過對奧氏體不銹鋼和低合金鋼冶金現象及熱處理工藝的分析，對S30408+Q345R不銹鋼復合板制定了合理的熱處理工藝。研究表明，經過熱處理之后的不銹鋼復合板能夠滿足相關標準的要求。

不銹鋼復合板中溫敏化熱處理焊接冶金現象機械性能晶間腐蝕

某工程項目中一臺酯化反應釜，其技術特性參數如表1所示。該酯化反應釜主要用于生產化纖行業用的化纖原料顆粒，其內筒的封頭為DHA 3300 mm×（18+3）mm碟形封頭，材質為Q345R+304復合鋼板，由兩塊寬度為2050 mm的復合板拼焊而成。該封頭規格比較特殊，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。冷成形封頭會產生很大的內應力，且反應釜在運行時很容易產生腐蝕及冷裂紋。因此，用戶特提出要對反應釜進行消除應力熱處理。而封頭標準GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》第6.4.5.1款也規定：整板成形及先拼板后成形的鋼制封頭，應于冷成形后進行消除應力熱處理。

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1 奧氏體不銹鋼的冶金現象

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

1.1 奧氏體不銹鋼晶間腐蝕

當奧氏體不銹鋼足夠長時間地處于425～870℃之間的溫度時，碳化鉻便會在奧氏體晶粒的邊界上優先沉淀析出，這種類型的沉淀析出被稱之為中溫敏化。經過中溫敏化的材料暴露在腐蝕介質中，便會發生晶間腐蝕。

1.2 σ相脆化

σ相脆化是不銹鋼在565～925℃溫度范圍內長時間形成的，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：前期冷加工、高鉻含量、鋼材處于σ相轉變區時的溫度和時間等。

從NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規程》“表5焊后熱處理推薦規范”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℃的中溫敏化區和565～925℃的σ相形成的溫度區區間內，如果按碳素鋼與低合金鋼的熱處理規范進行熱處理，極易使復合板中304覆層形成晶間腐蝕及σ相析出，從而損害產品的使用壽命。學術上對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際效果，故有關技術規范將焊后熱處理的強制性要求刪除了。

ASME規范規定，除非另有規定或采購方和制造廠之間另有商定外，所有奧氏體不銹鋼復合板都應進行熱處理，熱處理包括將材料加熱到適當的溫度，使覆層中鉻的碳化物固溶，然后單張板各自進行空冷。

2 不銹鋼復合板熱處理工藝

通過以上分析可知，不銹鋼復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定化溫度下進行熱處理（高溫），否則就不能保證基層的機械性能和覆層的耐晶間腐蝕性能。

2.1 高溫熱處理工藝

既要保證復合板基層的力學性能，又要保證覆層的耐腐蝕能力，因此不銹鋼復合板的加熱溫度既要高于復合板的敏化溫度（425～870℃），又不能過高地超過基層的正火溫度（900～950℃），故將不銹鋼復合板封頭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進行保溫。保溫后將不銹鋼復合板封頭從爐內移出，用冷水或壓縮空氣對準覆層進行快速冷卻。當溫度降到425℃時，停止噴水或吹風，在靜止空氣中冷卻。這樣既保證了覆層的耐蝕能力，又對基層進行了消除應力處理并保證基層處于正火狀態。該方法對加熱爐的熱處理能力及冷卻設備要求較高。

2.2 中溫熱處理工藝

低合金鋼與碳素鋼消除應力熱處理的加熱溫度在580～660℃之間，如果降低加熱溫度，則需通過延長保溫時間來達到相同的熱處理效果。降低焊后熱處理溫度、延長保溫時間，其工藝應符合表2的規定。

如果焊后熱處理溫度過低，則對消除應力沒有多大作用，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，而應將封頭從爐內移出，在靜止空氣中冷卻至室溫，這樣就避開了中溫敏化溫度區，既保證了覆層的耐蝕能力，又對基層進行了消除應力處理。此方法對壓力容器的冷成形封頭進行消除應力以及整臺設備進行焊后熱處理均較適用。

3 結語

不銹鋼復合板的覆層與基層的熱處理特性有較大差別。本文以不銹鋼復合板中基層材料、覆層材料各自的熱處理特性為出發點進行研究。通過分析碳素鋼、低合金鋼以及奧氏體不銹鋼各自的熱處理作用和冶金現象，制定了能減少基層材料內應力并減少覆層奧氏體不銹鋼σ相脆化的高溫熱處理工藝和中溫熱處理工藝。根據企業熱處理設備的能力，進一步研究了中溫熱處理問題并制定了合理的熱處理工藝，有效避開了中溫敏化溫度區，從而既保證了覆層的耐蝕能力，又對基層進行了消除應力處理，滿足了產品對材料性能的要求。實踐表明，經過熱處理之后的不銹鋼復合板能夠滿足相關標準的要求。