裴飞飞，周印梅，吴和斌，王竟雷
(山西阳煤化工机械有限公司，山西 太原 030032)
14Cr1MoR厚板拼焊封头热处理工艺研究
裴飞飞，周印梅，吴和斌，王竟雷
(山西阳煤化工机械有限公司，山西 太原 030032)
厚板14Cr1MoR封头通常采用热压成型，容易产生回火脆化，降低材料韧性。通过对模拟14Cr1MoR拼焊封头的试板进行正火(940 ℃，保温2 h)后加速冷却处理、回火热处理[(710±20 ℃)，保温时间3 h]及焊后消应力热处理[(670±20 ℃)，保温时间3.2 h]，从理论上计算出该热处理工艺回火参数[P]在最佳值范围内；通过力学性能试验结果显示，在该热处理工艺下得到的各项力学性能符合标准要求，强韧性配合良好，说明该热处理工艺合理，有效解决了14Cr1MoR热压成型过程中材料的回火脆化问题。
14Cr1MoR钢；封头；热成型；回火脆化
引 言
14Cr1MoR属于珠光体耐热钢，是普遍使用的热强钢和抗氢钢，广泛用于煤化工设备、核能动力装置、石油精制、加氢裂化设备及其他高温临氢设备[1]。14Cr1MoR供货热处理状态为正火+回火[2]，大直径厚壁(δ≥50 mm)铬钼钢封头通常采用热成型，成型过程中加热温度高于上转变温度点Ac3，容易产生回火脆化，降低材料韧度[3]。
本文针对厚壁14Cr1MoR热成型封头制造过程中存在的问题，通过编制合理的热处理工艺，得到满足要求的14Cr1MoR钢拼焊封头热处理工艺。
1 试验材料及过程
1.1 试验材料
试验钢板选用江阴兴澄特种钢铁有限公司制造的厚度为80 mm的14Cr1MoR板材，其化学成分见表1。
表1 14Cr1MoR板材化学成份
试板规格600 mm×125 mm×80 mm，2件，采用埋弧自动焊拼焊，选用H11CrMo45B焊丝，焊前预热温度≥120 ℃，层间温度控制在120 ℃～250 ℃。焊后立即进行后热处理，温度300 ℃～350 ℃，保温2 h。并进行100%RT检测，符合NB/T 47013.2-2015Ⅱ级[4]。
1.2 试验过程
对拼接试板进行无损检测，检测合格后，按以下工艺进行热处理。
1) 模拟封头热成型。加热到980±20 ℃，保温1.5 h。
2) 正火+快速冷却处理。模拟铬钼钢封头热成型后，进行正火处理，炉温升至940 ℃，保温2 h，出炉放入水中快速冷却。奥氏体化后的冷却速度对铬钼钢回火脆性有明显影响，为防止冷却速度过慢产生先共析铁素体组织而降低材料的强度及韧度，应保证奥氏体化后的的冷却速度≥10 ℃/min[5]。试验中，采用盛水容器对正火试板立即进行冷却，冷却速度约为50 ℃/min～60 ℃/min。
3) 回火处理。将正火处理后的封头进行回火处理，回火温度(710±20)℃，保温时间按2 min/mm计，本次试验保温2.7 h。
Hollomon JH等[6]提出回火参数和回火时间对回火程度的影响，引入回火参数的概念，回火参数为热处理温度与保温时间的函数，可用[P]表示，见式(1)。
[P]=T(C+lgt)×10-3
(1)
式中：T为回火温度，K；t为回火时间，h；C为常数，中、低碳钢C=20，高碳钢C=15。材料为获得更好的韧性，实际[P]值多选取20～21，尤其以20～20.5为最佳。本试验中回火参数[P]=20.13，回火热处理参数在最佳范围内。
4) 消除应力热处理。对试件进行整体消除应力热处理，入炉温度≤400 ℃，炉温升到400 ℃时，升温速度为55 ℃/h～70 ℃/h，炉温升到(670±20)℃，保温3.2 h，降温速度为55 ℃/h～86 ℃/h，炉温≤400 ℃时，出炉后在静止空气中冷却。热处理温度及时间曲线如图1所示。
图1 热处理温度-时间曲线
2 试验结果
采用万能拉伸试验机对模拟封头热处理试板焊接接头进行室温拉伸试验，试验结果见表2。对母材及焊接接头分别进行300 ℃高温拉伸试验，试验结果见表3。对焊接接头进行-20 ℃夏比V型缺口冲击试验，试验结果见表4所示。
表2 室温条件下的拉伸试验结果
表3 300 ℃母材及焊缝的高温拉伸试验结果
表4 -20 ℃冲击试验结果
通过对模拟14Cr1MoR拼焊封头试样进行力学性能试验，结果完全满足标准技术要求，焊接接头室温抗拉强度及屈服强度的平均值分别为563 MPa、393 MPa，分别高于标准值113 MPa、63 MPa，焊缝及母材在300 ℃高温屈服强度的平均值分别为330 MPa、408 MPa，高于标准规定值230 MPa，说明采用该热处理工艺，14Cr1MoR封头焊接接头在高温下具有优异的力学性能。表4可知，-20 ℃母材、焊缝及热影响区冲击吸收功分别为313 J、212 J、262 J，远远高于标准值47 J，具有优良的冲击韧性，且韧性储备充足，说明该热处理工艺有效解决了铬钼钢回火脆性问题。
3 结论
1) 对热压后的14Cr1MoR热成型拼焊封头进行正火(940 ℃，保温2 h)及快速冷却处理、回火热处理[(710±20 ℃)，保温时间3 h]、消应力热处理[(670±20 ℃)，保温时间3.2 h]，可有效避免14Cr1MoR焊接接头回火脆化。
2) 根据该热处理工艺计算得出回火参数[P]值为20.13，从理论上说明该回火参数可获得最佳韧性。
3) 通过该热处理工艺焊接接头室温抗拉强度及屈服强度的分别为563 MPa、393 MPa，焊缝及母材300 ℃高温屈服强度分别为330 MPa、408 MPa，母材、焊缝及热影响区冲击-20℃吸收功分别为313 J、212 J、262 J，各项力学性能均符合标准要求，并且取得良好的强韧性配合。
4) 探索出14Cr1MoR热成型拼焊封头热处理工艺，为铬钼钢设备制造提供了经验数据。
[1] 李结木.14Cr1MoR钢焊接工艺性研究及应用实践[J].化工装备,2015(1):23-27.
[2] 中华人民共和国质量监督检验检疫总局.GB/T 713-2014：锅炉及压力容器用钢板[S].北京：中国标准出版社,2014：47-48.
[3] 徐森.铬钼钢压力容器设计制造中的几个问题[J].石油和化工设备,2015,18(6):56-58.
[4] 中华人民共和国质量监督检验检疫总局.NB/T 47013.2-2015，射线检测[S].北京：新华出版社，2015.
[5] 杨光起.加氢反应器用铬钼钢回火脆性[J].石油化工机械,2001,30(5):53-56.
[6] Hollomon J H,Jaffe L D.Time temperature ralation in tempering steel[J].Trans AIME,1945,162(2):223-248.
The research on heat treating process of the welded 14Cr1MoR steel thick heads
PEI Feifei, ZHOU Yinmei, WU Hebin, WANG Jinglei
(Shanxi Yangmei Chemical Industry Machinery Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030032, China)
Hot pressing formation to the head of thick 14Cr1MoR plate causes Temper embrittlement and reduces the impact ductility. Based on simulation of the 14Cr1MoR welding head test plate, normalizing (940 ℃/2 h) and fast cooling treatment [(710±20) ℃/3 h], tempering treatment, stress-relief heat treatment [(670±20) ℃/3 h] are conducted. The heat treatment parameter calculated is in the best range. The results show that its mechanical properties can meet the standard requirement after the heat treatment process. This heat treatment process is an effective solution to temper embrittlement during the hot pressing formation of 14Cr1MoR plate.
14Cr1MoR steel; head; hot-forming; temper embrittlement
2016-08-18
裴飞飞，男，1987年出生，2013年毕业于太原理工大学，硕士学位，焊接工程师，从事压力容器焊接及焊接培训工作。
专题讨论
10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2016.05.19
TQ05
A
1004-7050(2016)05-0068-02
