具有低回火脆化敏感性的2.25Cr-1Mo合金系焊条研制

亢天佑 聂建航 王青云 张文军

1. 概述

低合金耐热钢2.25Cr—1Mo由于具有较高的高温强度、优异的抗氧化和抗氢脆性、优良的加工工艺性以及性价比高等优势，故广泛应用于石油化工、核电及火电等领域高温作业的承压设备的制造。近年来，随着国内钢铁冶炼水平的不断提高，钢的纯净度得到了较好的控制，国内的各大钢厂已经成功研制出回火脆化敏感性很低的2.25Cr—1Mo钢板，总体技术水平已和进口钢板相当。但是目前，与之配套的国产焊接材料普遍存在着回火脆化倾向较大的问题，只能用在非核心部件的焊接，而关键部件的焊接依然要依赖进口。

由于从国外进口2.25Cr—1Mo钢配套焊材供货周期较长，且价格昂贵，给我国的承压设备建造带来了较大的时间成本和材料成本。为了实现2.25Cr—1Mo钢配套焊材的国产化，打破国外厂商的技术垄断和市场垄断，形成必要的市场竞争态势，我单位组织开展了2.25Cr—1Mo钢配套焊条（牌号SR—R407）的研制工作。

2. 研制思路

（1）渣系选择 为保证熔敷金属具有较好的力学性能，本试验通过多轮的均匀设计，最终选则新型的Ca O- Ba O-CaF2- Si O2-Zr O2-TiO2碱性渣系。与传统的CaO-Ca F2-Si O2渣系相比，本试验焊条药皮中除含有较大量的碱性物质大理石、萤石外，还加入（质量分数）8%~10%的B aCO3，进一步提高了熔渣的碱度，熔渣的碱度（B1）约为3.2。由于熔渣碱度较高，脱S效果非常好，且具有一定的脱P能力，有利于提高熔敷金属的纯净度，降低熔敷金属的X系数。另外药皮中还加入一定的硅酸盐、锆酸盐和一定量的金红石，这对改善焊条的工艺性和熔敷金属的塑性、低温韧性有利。

（2）改善焊条工艺性 调整配方，控制熔滴的过渡状态，降低大颗粒过渡的概率，减少短路电爆炸飞溅；合理调整碳酸盐、氟化物、硅酸盐、锆酸盐以及金红石的比例，使焊接熔渣具有较合适的熔点、粘度以及表面张力，以适合全位置焊接的要求，改善工艺性能。

（3）提高熔敷金属低温韧性 2.25Cr—1Mo合金系焊材由于合金元素含量较高，淬硬倾向较大，所以提高其熔敷金属低温韧性难度也较大。本试验通过以下途径提高其低温韧性：①药皮中加入一定量稀土氟化物。稀土氟化物一方面可细化晶粒，提高熔敷金属的低温韧性；另一方面可降低熔敷金属中的扩散氢。②药皮中加入一定量的锆英砂。锆英砂既可以改善立焊的工艺性能，又可以向熔敷金属中过渡一定量的Zr，起到细化晶粒，提高熔敷金属低温韧性的作用。

（4）降低熔敷金属的回火脆化敏感性 如何控制2.25Cr—1Mo合金系焊条熔敷金属的回火脆性，是该焊条研制过程中最大的技术难题。本试验通过以下途径降低熔敷金属的回火脆化倾向。

第一，合理控制原材料。在原材料（药皮粉料和焊芯）选择方面，加强对P、Sb、Sn、As等杂质元素的控制，尤其是P的控制，减少些杂质向熔敷金属的过渡，以降低熔敷金属的X系数。

第二，控制熔敷金属Mn、Si含量。严格控制熔敷金属中Mn和Si的含量（wMn<0.85%，wSi<0.3%），尤其是Si的含量，以降低熔敷金属的J系数。而熔敷金属中Mn、Si含量的降低，可能会造成脱氧不足，对其低温韧性不利。本试验通过向药皮中添加适量的钛铁和硅钙合金，以提高药皮的脱氧能力，熔敷金属氧含量控制在250~300ppm（1ppm=1×10-6）。

第三，控制熔敷金属碳含量。C对提高熔敷金属的强度有显著作用，但过多的C会降低熔敷金属的低温韧性，提高其回火脆化敏感性，为此应控制wC在0.06%~0.1%。

第四，控制熔敷金属中Ni的含量。Ni能有效提高熔敷金属的低温韧性，但会增加熔敷金属的回火脆化倾向，为此应控制wNi在0.2%以下。

表1 熔敷金属化学成分（质量分数） （%）

3. 试验结果及分析

（1）工艺性能 在平板和坡口中进行工艺性能试验。试验结果表明，所研制的SR—R407焊条电弧稳定，飞溅较小，脱渣容易，成形美观，无气孔和裂纹等缺陷，适合全位置焊接。图1为用HA—XⅧ—4 E汉诺威弧焊分析仪对SR—R407焊条焊接过程中采集到的电弧电压、焊接电流波形。由波形图可知，该焊条短路过渡频率较少，说明该焊条电弧比较稳定，短路电爆炸概率较小，工艺性能较好。

（2）熔敷金属化学成分 熔敷金属的化学成分如表1所示。由表1可知，熔敷金属中S、P、Sb、Sn、As等杂质元素含量较低，X系数约为7.1p pm；熔敷金属中Mn、Si含量也较低，J系数约为66%。

（3）熔敷金属力学性能 熔敷金属力学性能试验按照GB/T 5118—2012《热强钢焊条》有关规定进行。选用20mm厚的钢板进行焊接，焊接电流170~175A，电弧电压23~25V，焊接速度11~13cm/min，道间温度160~250℃。焊后进行热处理，最小热处理温度为690℃，保温8 h；最大热处理温度为690℃，保温28h，最小热处理后的阶梯冷却试验按照图2所示曲线进行。表2为熔敷金属的力学性能。

由表2结果可知，SR—R407焊条塑性、低温韧性较好，高温屈服强度较高。经690℃×8h和690℃×28h热处理后熔敷金属力学性能变化不大，说明该焊条可适应的热处理参数范围较大，能较好满足现场施工不同热处理的需要。

按照GB/T3965—2012《熔敷金属中扩散氢测定方法》对SR—R407焊条进行扩散氢含量试验。焊前进行350℃，保温1h烘焙。采用气相色谱法测试，测试结果为：3.53mL/100g，3.42mL/100g，2.81mL/100g，2.82mL/100g（平均值为3.15mL/100g）。

（4）熔敷金属回火脆性 实践中，通常用V型缺口夏比试验获得的韧性-脆性转变温度，或者54J夏比冲击吸收能量转变温度VTr54的变化量来评价回火脆化的程度。图3为SR—R407焊条阶冷前（最小热处理）和阶梯冷却后熔敷金属冲击吸收能量-温度曲线。图3结果表明阶梯冷却后熔敷金属的VTr54有所上升，但上升趋势不明显，阶梯冷却前VTr54约为-73℃，阶梯冷却后VTr54约为-62℃。工程上，对于一些重要结构，一般要求2.25Cr—1Mo钢板以及配套焊材阶梯冷却试验满足要求。经计算SR—R407焊条满足要求。

由上面的结果可知，SR—R407焊条回火脆化倾向较小，可以取代进口焊条，用于对回火脆性要求苛刻的2.25Cr—1Mo钢制承压设备重要结构的焊接。

（5）熔敷金属组织 SR—R407焊条阶梯冷却前和阶梯冷却后熔敷金属的组织变化不大，均为细小铁素体+贝氏体组织，说明该焊条熔敷金属的组织稳定性比较好。

4. 结语

通过渣系创新和优化熔敷金属成分等手段，成功研制出焊接工艺性能较好，综合力学性能优良，回火脆化敏感性极低的2.25Cr—1Mo合金系焊条，可以取代进口焊条，应用于对回火脆性要求较高的2.25Cr—1Mo钢制承压设备重要结构的焊接。

表2 SR—R407焊条熔敷金属力学性能

图1 SR—R407焊条电弧电压、焊接电流波形

图2 阶梯冷却曲线

图3 SR—R407焊条阶冷前后冲击吸收能量-温度关系

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