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铬钼钢的回火脆性及控制

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《柳钢科技》2017年第6期

摘要:铬钼钢在化工设备高温抗氢方面应用十分广泛,然而由于回火脆化敏感性的影响,对于长期在一定温度范围内运行的压力容器还是存在一定的风险。本文进一步指出了铬钼抗氢钢的回火脆化的主要特征,分析了化学成分和热处理工艺两个影响回火脆化敏感性的因素,得出回火脆化的评定以及为了获得材料的最佳综合性能应采取的控制措施。

关键词:铬钼钢;回火脆性;压力容器

1概述

金属材料具有资源丰富、生产规模大、易于加工、性能多样可靠、使用方便和便于回收等特点,热处理等技术改变材料的形状、尺寸和性能,满足化工、机械、建筑等不同行业的需求,是工业生产和人民生活中广泛使用的材料。各个国家都把高性能金属材料的研究作为材料领域的主要研究内容之一。

2回火脆性的分类及铬钼钢回火脆化特征

2.1回火脆性的分类

钢在回火过程中,可能发现两种情况的脆性:一种脆性通常发生在淬火马氏体于200~400摄氏度回火温度区间,这类回火脆性在碳钢和合金钢中均会出现,它与回火后的冷却速度无关,回火脆性称为第一类回火脆性;另一种脆性发生在某些合金结构钢中,这些钢在以下两种情况发生脆化,第二类回火脆性的脆化过程必然是一个与马氏体及残余奥氏体无直接关系的可逆过程,它是一个受扩散控制并且发生于晶界弱化的过程中。通常与压力容器的制造、使用有关的实际回火脆化问题可区别为以下两类:一类在制造过程中,由回火处理或焊后热处理温度冷却,在冷却过程中所产生的脆化;另一类长期在回火脆化温度范围内使用而发生的脆化。后者主要发生在铬钼钢上。

2.2铬钼抗氢钢回火脆化特征

(1)产生回火脆化的钢材冲击转变温度向高温侧转移,破坏沿原奥氏体晶界进行。

(2)抗拉强度没有变化。

(3)粗大奥氏体晶粒,脆化敏感性高。

3影响回火脆化敏感性的因素

3.1化学成分

经实验研究表明,产生回火脆性的根本原因是合金钢在一定温度回火、回火后冷却或时效过程中P、Sn、Sb和As等有害元素在奥氏体晶界处偏聚,当材料经受冲击或拉伸时,界面能已下降的晶界处很容易首先开裂。P是最能增强回火脆化敏感性的元素,其次是Sn,再次是As和Sb。降低钢材回火脆化敏感性的根本方法是尽量降低这些有害元素在钢中的含量。Si本身不会引起脆化,而是对P的脆化起了促进作用。Si和P含量同时变化也影响脆化的程度,一般降低回火脆化的措施分成两个方法,即采取低Si化或高Si低P化。Mn和Si一样,对钢材的回火脆化起了促进作用。Cr也会使回火脆性敏感性显著提高,特别是Cr含量质量分数在2%~3%范围时,脆化敏感性较高。2.25Cr-1Mo是铬钼钢中敏感性最高的材料,比它高级或低级的材料的脆化敏感性都呈现下降趋势。Ni对回火脆性影响不大,但在有P、Sn等元素的合金钢中加入Ni时,回火脆性增大。Mo质量分数为0.5%~0.7%范围内钢材脆化敏刚性最低。Mo元素可在一定时间内吸附P形成化合物(如Mo3P),从而减少P在晶界处的偏聚,降低钢的回火脆性。S含量增大后,回火脆性的敏感性虽然降低,但韧性本身也降低,降低S含量,回火脆化后的韧性较好。V可组成富Mo碳化物形成,增加钢材的抗回火脆性,现在对2.25Cr-1Mo材料的改进主要是加入了V。它不仅提高了钢材的强度,而且通过对板材、锻件和焊缝的步冷试验结果表明,其试验前后的转变温度增加量很小,说明没有明显的回火脆性现象。

3.2热处理工艺

回火脆化敏感性除了与钢的金相组织有关之外,还随奥氏体晶粒的增大而增大。由于回火脆性是由于有害元素在晶界的偏聚引起的平衡偏析,当回火温度达到600℃以上时,这种平衡偏析就会受到原子热运动的影响而消失,然后快速冷却,抑制有害元素在晶界的偏聚,因此可降低材料的回火脆化敏感性。常用的铬钼钢由于主要合金元素含量不同,获得的金相组织不同,回火脆性敏感性也不同。2.25Cr-1Mo多获得均匀分布的细晶粒贝氏体组织,故回火脆化敏感性较高;1Cr0.5Mo的金相组织以珠光体为主,几乎没有回火脆化敏感性。由于贝氏体组织较珠光体抗氢能力强,所以在抗氢要求高的情况下,需要求贝氏体组织含量。

4回火脆化的评定及控制

4.1回火脆化的评定

可以用多种方法表示钢的回火脆性倾向大小,最初都采用回火时快冷与缓冷后的室温冲击韧度的比值表示,或者以韧性状态与脆化状态的室温冲击韧度的比值表示,在短时间内评定铬钼钢的回火脆性,需要对其进行脆化处理,即步冷试验。根据API934中规定的步冷试验程序如下:(1)材料以任意速度加热至316℃,然后以每小时56℃的速度加热至593℃、保温1h,炉冷至538℃;(2)在538℃温度下保温15h,炉冷至524℃;(3)在524℃温度下保温24h,炉冷至496℃;(4)在496℃温度下保温60h,炉冷至468℃;(5)在468℃温度下保温100h,炉冷至315℃;测定铬钼钢的回火脆性,需在一系列温度下进行步冷试验,将经步冷处理和未经步冷处理的材料进行冲击试验,分别测出AKV值为55J时的相应温度VTr54及其变化量△Tr55。△Tr55越大,说明材料的回火脆化敏感性越高。

4.2回火脆化的控制

化学成分及金属元素含量对于铬钼钢回火脆性影响很大,压力容器用铬钼钢应对有害元素进行严格的控制,尽量降低其含量。

5API934中对于铬钼钢在压力容器应用中的一些要求

5.11.25Cr-0.5Mo材料在441℃以下高压氢环境下使用

(1)化学成分上除保证X系数符合要求外,C含量质量分数不得大于0.15%;Cu不得大于0.15%,Ni不得大于0.30%;P不得大于0.007%;S不得大于0.007%。

(2)-18℃下的夏比冲击试验三个试验平均值不得小于54J。

5.21.25Cr-0.5Mo材料在440℃以上环境下使用

(1)筒体、封头板材厚度范围在25mm~100mm之间;

(2)化学成分上除保证X系数符合要求外,C含量质量分数不得大于0.15%;Cu不得大于0.20%,Ni不得大于0.30%;P不得大于0.012%;S不得大于0.007%。

(3)-18℃下的夏比冲击试验三个试验平均值不得小于54J。

6结论

铬钼钢具有高强度、高塑性和高韧性,经调制热处理或正火后,在500℃以下具有足够的高温强度,另外,也具有良好的加工工艺性和较好的焊接性能,铬钼钢已经成为石化大型压力容器锻件的常用材料。在室温冲击韧性猛烈下降,钢的韧脆转变温度升高,对于石油管道以及临氢压力反应容器等设备长周期使用存在安全隐患。本文通过对铬钼钢回火脆性产生的主要机理、主要特征进行了介绍,在分析化学成分和热处理工艺两个影响回火脆化敏感性的因素的基础上,阐述了回火脆性的评定及控制措施,希望对预测设备使用寿命和保证设备安全运行提供一些参考。

参考文献:

[1]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(6):56-57.

作者:赵金凤 单位:云南机电职业技术学院

柳钢科技杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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