CN100489136C

CN100489136C - 回火马氏体类耐热钢的焊接接头

Info

Publication number: CN100489136C
Application number: CNB2004800086948A
Authority: CN
Inventors: 田渊正明; 冈田浩一; 近藤雅之; 塚本进; 阿部富士雄
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; National Institute for Materials Science; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Substances Of Independent Administrative Legal Persons Material Research Institutes; Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: KR20060011946A; EP1621643A4; US20060237103A1; CN1784503A; US7785426B2; EP1621643A1; JP2004300532A; JP4188124B2; WO2004087979A1; EP1621643B1

Abstract

一种具有回火马氏体结构的耐热钢，其焊接热影响部分中的细粒部分的蠕变强度为母材的蠕变强度的90%或以上，且蠕变强度显著降低的HAZ细粒部分的形成得到抑制。

Description

回火马氏体类耐热钢的焊接接头

技术领域

本发明涉及回火马氏体类耐热钢的焊接接头。更具体地说，本发明涉及蠕变强度显著降低的HAZ细粒部分的形成得到抑制的回火马氏体类耐热钢的焊接接头。

背景技术

回火马氏体耐热钢，如ASME T91、P92、P122所代表的那样，具有良好的高温蠕变强度，并被广泛用于以火力发电设备或核能发电设备为首的高温设备的耐热耐压构件中。然而，在很多情况下，在高温设备中，回火马氏体耐热钢的耐压构件或耐压零件是通过焊接制造的，且焊接部分具有与母材不同的结构，因此蠕变强度常常比母材低。因此，焊接部分的蠕变强度对于高温设备的性能来说是很重要的一个因素。

在高温设备的耐热耐压部分中所使用的焊接方法中，可以列举出TIG焊接、涂药焊条电弧焊、潜弧焊等。无论通过哪种方法，都会由于焊接时所施加的热量而导致在焊接部分中产生结构变化的部分(热影响部分，HAZ)。即使在焊接时温度瞬间上升，回火马氏体耐热钢的HAZ也会由于被暴露在A_c1点或以上的温度下而导致结构发生变化，因此存在比母材(非热影响部分)蠕变强度降低的问题。即，如果使用包含母材和焊接部分的焊接接头作为试验片平行部分进行蠕变试验，会在HAZ部分发生断裂。

如果回火马氏体耐热钢被暴露在A_c1点或以上的温度下，作为回火马氏体结构的母相的铁氧体转变为奥氏体。在该转变过程中，新生的奥氏体的结构是通过破坏原有的回火马氏体的结构而形成的。即，在A_c1点或以上的温度所产生的奥氏体颗粒并不依赖于作为回火马氏体母相的铁氧体颗粒所形成的结构，并且腐蚀铁氧体颗粒所形成的结构而生成、长成颗粒的。如果达到A_c3点或以上的温度，母相全部变成奥氏体，原有的回火马氏体的结构消失。

因此，由于在A_c1点～A_c3点附近的温度，奥氏体颗粒大多是新生成的，因此粒径变成非常细小的结构(HAZ细颗粒部分)。从A_c3点附近或以上到熔点的温度，奥氏体颗粒粗大化，如果和暴露在A_c1点～A_c3点附近温度下的部分的结构相比，旧奥氏体粒径变成相对更大的结构(HAZ粗颗粒部分)。

而在市售的P92或P122等中，母材的旧奥氏体裁粒径变得比HAZ粗颗粒部分的旧奥氏体粒径更大。即，在1090℃或以下的温度正火的P92或P122等的HAZ中，和母材相比，旧奥氏体粒径更细。迄今为止，从对P92或P122等的回火马氏体裁类耐热钢的焊接接头的蠕变强度的研究结果可知，在HAZ细颗粒部分蠕变强度显著降低。P92或P122等的回火马氏体裁类耐热钢的焊接接头，在蠕变试验中，产生在HAZ细颗粒部分破裂的IV型破坏，在650℃下蠕变断裂时间降低到母材的20％左右。

因此，为了抑制HAZ细粒部分的蠕变强度的劣化，提出了在母材中生成Ti、Zr、Hf系的碳氮化物的方案(例如参阅专利文献1)。此外，还提出了使其含有总计为1×10⁴～1×10⁸个/mm²的粒径为0.002～0.1μm的含Mg氧化物颗粒、和由含镁氧化物与以其作为内核析出的碳氮化物所构成的粒径为0.005～2μm的复合颗粒的1种或2种的技术方案(例如参阅专利文献2)。进而，提出了利用Ta氧化物抑制HAZ的蠕变强度劣化的技术方案(例如参阅专利文献3)。此外，还提出了通过形成W和Mo达到最佳平衡以及添加W和由Nb、Ta所构成的碳氮化物抑制HAZ的蠕变强度劣化的技术方案(例如参阅专利文献4、5)。另外，提出了通过添加Cu和Ni以便提高HAZ的固溶强化和韧性，抑制HAZ的蠕变强度的劣化的技术方案(例如参阅专利文献6)。

但是，在P92和P122等的焊接接头的蠕变试验中，HAZ，特别是在HAZ细粒部分所观察到的破坏是通过下述方式进行的：在以旧奥氏体晶界为主的晶界上形成空隙，并连通这些空隙。从这样的破坏来看，如果旧奥氏体裁粒径小，则生成空隙的部位增多，空隙变得容易连通，因此，可以认为是HAZ的蠕变强度劣化的一个重要因素。

鉴于上述情况，本申请发明的目的在于能够解决下述问题，即，提供一种蠕变强度显著降低的HAZ细粒部分的形成得到抑制的回火马氏体类耐热钢的焊接接头。

专利文献1：特开平8-85848号公报

专利文献2：特开2001-1927761号公报

专利文献3：特开平6-65689号公报

专利文献4：特开平11-106860号公报

专利文献5：特开平9-71845号公报

专利文献6：特开平5-43986号公报

发明内容

作为解决上述问题的技术方案，本申请发明提供了一种回火马氏体类耐热钢的焊接接头，其特征在于：具有回火马氏体结构的耐热钢焊接热影响部分的细粒部分的蠕变强度为母材蠕变强度的90％或以上(权利要求1)。

作为优选的方式，本发明提供了：一种具有回火马氏体结构的耐热钢，以重量％计，其含有0.003～0.03％的B(权利要求2)；一种具有回火马氏体结构的耐热钢，以重量％计，其含有0.03～　0.15％的C、0.01～0.9％的Si、0.01～1.5％的Mn、8.0～13.0％的Cr、0.0005～0.02％的Al、0.1～2.0％的Mo+W/2、0.05～0.5％的V、0.06％或以下的N、0.01～0.2％的Nb、0.01～0.2％的(Ta+Ti+Hf+Zr)中的任1种或2种或以上，并且残留部分为Fe以及不可避免的杂质(权利要求3)；一种具有回火马氏体结构的耐热钢，以重量％计，其进一步含有0.1～5.0％的Co、0.5％或以下的Ni、1.7％或以下的Cu中的任1种或2种或以上(权利要求4)；并且，一种具有回火马氏体结构的耐热钢，以重量％计，其进一步含有0.03％或以下的P、0.01％或以下的S、0.02％或以下的O、0.01％或以下的Mg、0.01％或以下的Ca、总计0.01％或以下的Y和稀土类元素中的任1种或2种或以上(权利要求5)。

另外，本申请中所述的蠕变强度包括蠕变断裂强度。

附图的简单说明

图1为焊接接头的焊接热影响部分及其细粒部分的简要示意图。

图2为P2材料和P2材料的焊接接头在650℃下的蠕变试验中的应力与断裂时间的关系图。

具体实施方式

在像焊接回火马氏体类耐热钢时那样，在加热时母相的铁氧体转变为奥氏体的现象中，如果能够使奥氏体颗粒的形成依赖于母相的铁氧体微粒的形状或晶体取向等，则加热时所生成的奥氏体结构应该会形成与焊接前的回火马氏体结构相同的或者类似的结构。此外，在加热结束后进行冷却时，通过加热到A_c1点或以上形成的奥氏体在冷却过程中转化为马氏体，结构应该会形成与焊接前的回火马氏体结构相同的或者类似的结构。因此，可以认为：如果能够使奥氏体颗粒的形成依赖于母相的铁氧体微粒的形状或晶体取向等的话，HAZ的结构中不会出现大的变化，并且显示出大致与母材相同蠕变强度。

但是，即使使奥氏体颗粒的形成依赖于母相的铁氧体微粒的形状或晶体取向等，也难以使HAZ的全部区域保持与母材相同的结构。这是因为，在焊接时暴露在A_c3点或以上且母材的正火温度或以上的温度的部位，形成与母材的回火马氏体结构相同的奥氏体结构之后，存在奥氏体颗粒生长、粒径粗大化的可能性。

但是，如图1所示，可以认为：HAZ细粒部分大致占到了HAZ的一半宽度的范围，并暴露在大约比正火温度低的温度下，并能够将相当于HAZ细粒部分的范围的大半保持与母材相同的结构。因此，在使奥氏体颗粒的形成依赖于母相的铁氧体颗粒的形状和晶体取向等、并使相当于HAZ细粒部分的范围的大半保持与母材相同的结构的情况下，如果假定HAZ是通过焊接时的热输入导致结构发生较大变化的部位，和此前的回火马氏体裁类耐热钢的接头相比，HAZ的宽度变窄，焊接接头的蠕变强度则应提高。这样所观察到的HAZ的宽度减少，可以被看做此前的HAZ细粒部分的消失或减少。

此外，即使奥氏体颗粒的形成依赖于母相的铁氧体微粒的形状或晶体取向等，在母材的回火马氏体类耐热钢的旧奥氏体晶界附近不依赖于母相的铁氧体微粒的形状或晶体取向等，也容易形成新的奥氏体。因此，可以认为：在加热到A_c1点或以上的部位形成部分不依赖于母相的铁氧体裁颗粒的形状或晶体取向等的奥氏体颗粒，但这样的奥氏体的量少，如果大半可以形成依赖于母相的铁氧体微粒的形状或晶体取向等的奥氏体，则相当于HAZ细微粒部分的减少。

进而，也可以认为：回火马氏体类耐热钢的转化，在加热时转化成奥氏体的同时产生奥氏体颗粒的重结晶，并显著地细粒化。在该重结晶中所生成的奥氏体颗粒是以并不依赖于原来的回火马氏体结构的形状和晶体取向等的方式生长的。因此，可以认为：通过抑制可被认为是通过重结晶生成的不依赖于原来的回火马氏体结构的奥氏体颗粒的生成或生长，能够形成依赖于原来的母相结构的奥氏体结构。

本发明的回火奥氏体裁类耐热钢的焊接接头是基于上述原理制造的，焊接热影响部分的细粒部分的蠕变强度达到母材的蠕变强度的90％或以上。

具体来说，为了实现本发明的回火马氏体类耐热钢的焊接接头，可以选择焊接接头中所使用的回火马氏体类耐热钢的成份。例如，通过在回火马氏体类耐热钢中添加B，B在晶界中偏析出来，晶界能降低，因此从暴露在A_c1点或以上温度的回火马氏体类耐热钢的晶界上抑制不依赖于原来的铁氧体颗粒的晶体取向的奥氏体颗粒的核的生成或生长，或者抑制重结晶奥氏体颗粒的生成或生长。其结果是，显著地表现出转变成依赖于原来的铁氧体颗粒的晶体取向的奥氏体颗粒的现象。

以重量％计，B的合适含量为0.003～0.03％。当不足0.003％时，由晶界偏析所产生的晶界能降低的效果不充分，而如果超过0.03％，则由于硼化物的过剩形成而导致韧性和加工性损失显著。优选B的含量为0.004～0.02％。

为了引起上述B的效果，必须考虑回火马氏体类耐热钢的组成。依赖于母相的铁氧体颗粒的形状或晶体取向等的有效地形成奥氏体颗粒的回火马氏体类耐热钢的组成如下所示。

以重量％计，N的合适含量为0.06％或以下。虽N通过于与Nb或V形成氮化物有助于蠕变强度，但如果超过0.06％，由于作为与B的氮化物的BN的量增多，所添加的B的效果显著降低，并且，焊接性也降低。当母材的旧奥氏体粒径增大时，N的含量随B的添加量的不同而不同，但优选为0.01％或以下。

以重量％计，C的合适含量为0.03～0.15重量％。C为奥氏体稳定化元素，在使回火马氏体的结构稳定化的同时，通过形成碳化物而有助于蠕变强度。当含量不足0.03％时，碳化物的析出减少，不能得到充分的蠕变强度。另一方面，如果超过0.15％，在形成回火马氏体结构的过程中发生显著的硬化、加工性降低，并且韧性也降低。C的含量优选为0.05～0.12％。

以重量％计，Si的合适含量为0.01～0.9％。Si是确保抗氧化性的重要元素，并且在制钢步骤中还具有作为脱氧剂的功能。当含量不足0.01％时，不能得到充分的抗氧化性，而如果超过0.9％，则韧性降低。优选Si的含量为0.1～0.6％。

以重量％计，Mn的合适含量为0.01～1.5％。Mn在制钢步骤中具有作为脱氧剂的功能，从降低用作脱氧剂的Al这点出发，也是一种重要的元素。如果不足0.01％，不能得到充分的脱氧功能，而如果超过1.5％，蠕变强度显著降低，Mn含量优选为0.2～0.8％。

以重量％计，Cr的合适含量为8.0～13.0％。Cr是确保抗氧化性不可缺少的元素。当含量不足8.0％时，不能得到充分的抗氧化性，如果超过13.0％，则δ铁氧体的析出量增加，蠕变强度和韧性显著降低。Cr的含量优选为8.0～10.5％。

以重量％计，Al的合适含量为0.0005～0.02％。Al是作为脱氧剂的重要元素，并且必须含有0.0005％或以上。而如果含有超过0.02％，蠕变强度显著降低。

以重量％计，Mo和W的含量，作为Mo当量的(Mo+W/2)合适量为0.1～2.0％。Mo和W是固溶强化元素的同时通过形成碳化物有助于蠕变强度，为了发挥固溶强化效果，至少需要0.1％。另一方面，如果超过2.0％，促进金属间化合物的析出，蠕变强度和韧性显著降低。优选Mo+W/2为0.3～1.7％。

以重量％计，V的合适含量优选为0.05～0.5％。V通过形成细微碳氮化物有助于蠕变强度。当不足0.05％时，碳氮化物析出少、不能得到充分的蠕变强度。另一方面，如果超过0.5％，韧性显著损失。

以重量％计，Nb的合适含量为0.01～0.2％。和V一样，Nb通过形成细微碳氮化物有助于蠕变强度。当不足0.01％时，碳氮化物析出少、不能得到充分的蠕变强度。另一方面，如果超过0.2％，韧性显著损失。

和Nb或V一样，Ta、Ti、Hf、Zr通过形成细微碳氮化物有助于蠕变强度。在未添加Nb的情况下，如果总计未添加0.01％或以上，则不能得到充分的蠕变强度。在添加Nb的情况下，虽然不一定必须添加，但是如果总计含量超过0.2％，则韧性降低。

以重量％计，Co的合适含量为0.1～5.0％。因为Co抑制δ铁氧体的生成，并且容易形成回火马氏体结构，所以必须添加0.1％或以上。但是，如果超过5.0％，则不仅蠕变强度降低，而且由于是昂贵的元素，因而经济性变差。Co含量优选为0.5～3.5％。

Ni和Cu都是奥氏体稳定化元素，由于抑制δ铁氧体裁的生成、提高韧性，可以添加任意1种或2种。但是，以重量％计，如果添加超过0.5％的Ni、超过1.7％的Cu，蠕变强度显著降低。

P、S、O、Mg、Ca、Y和稀土元素都是不可避免的杂质，优选其含量越低越好。以重量％计，如果其含量超过P：0.03％、S：0.01％、O：0.02％、Mg：0.01％、Ca：0.01％、Y和稀土元素：0.01％，蠕变延展性就会降低。

在本申请发明的回火马氏体类钢的焊接接头的回火马氏体类钢中，可使其含有1种或2种以上的各规定量的上述元素，其余的部分为铁或不可避免的杂质。另外，在不可避免的杂质中，可以列举出Sn、As、Sb、Se等，这些元素容易晶界偏析。此外，在制造工序中，在蠕变时，可能混入容易助长空隙形成的成分。优选尽量减少这类杂质元素。

通过本申请发明，能够实现蠕变强度显著降低的HAZ细颗粒部分得到充分抑制的焊接接头。能够提高在发电用锅炉·涡轮机、核发电设备、化工等领域中使用的耐热耐压焊接接头构件的可靠性、并能够在高温下长时间使用，实现各种设备的长寿命化、降低制造成本和运行成本，并能够进一步实现高效的设备。

下面给出实施例，并进一步针对本发明的回火马氏体类钢的焊接接头进行详细的说明。

实施例

表1

Mg<0.01％，Ca<0.01％，Y和稀土元素<0.01％

表1给出了焊接接头的制作和HAZ的结构确认试验所使用的材料的组成、形状和热处理。使用真空熔炼炉将P1、P2材料和T1～T3材料制成180kg的铸块。P1、P2材料通过热煅形成30mm厚的板，实施如表1所示的热处理。T1～T3材料通过热挤压形成外径为84mm-壁厚12.5mm的钢管，实施如表1所示的热处理。S1B为ASME P122材料，热处理如表1所示。S2是传统材料ASME P92的市售同等材料，热处理如表1所示。

针对P1、P2材料、T1～T3材料、S1B材料、S2材料，通过连接相同的材料制作焊接接头。焊接接头的制作条件，都是依照气体·钨·电弧焊接法，其电压为10～15V、电流为100～200A、Ar屏蔽气体、焊接后热处理740℃-4小时。就焊接材料而言，在P1、P2材料、T1～T3材料的接头中使用AWSERNi Cr-3材料，在S1B材料、S2材料的接头中使用共金系的焊接材料。测定这些焊接接头的HAZ细粒部分依赖于母材的回火马氏体结构的铁氧体颗粒的形状或晶体取向的领域。在该测定过程中，如图1所示，HAZ细粒部分定义为从焊接金属到母材将HAZ分割成2部分的母材一侧的部分。HAZ宽度根据通过使用微型维氏硬度计测定，定义为与母材的硬度比较，从由于热影响所导致的软化的部位到焊接金属的长度。对于软化不明显的部位，在光学显微镜观察时进行蚀刻，通过目视测定显示出比母材更强混浊的范围宽度。具体来说，在焊接接头的HAZ中切出剖面，进行境面研磨后，进行蚀刻，通过光学显微镜观测依赖于母材的回火马氏体结构的铁氧体颗粒的形状或晶体取向的领域的面积。

表2

表2给出了焊接接头的HAZ细粒部分依赖于母材结构的铁氧体颗粒的形状和晶体取向的范围的面积比。对于P1、P2材料和T1～T3材料而言，面积比达到75％或以上。因此，HAZ细粒部分结构的大半部分具有与母材相同程度的旧奥氏体粒径，可以理解为并非是向传统的回火马氏体类耐热钢那样的由细微的旧奥氏体所形成的HAZ细粒部分。另一方面，传统材料的S1B材料和S2材料的HAZ细粒部分全部被细微的旧奥氏体颗粒所占据。

另外，在测定依赖于母材的回火马氏体结构的铁氧体颗粒形状或晶体取向的范围的过程中，如果是具有邻接的相同晶体取向的范围，可以认为蚀刻的浓淡或形状等变得相同，如果考虑HAZ细粒部分的暴露温度和时间，通过重结晶生长的奥氏体颗粒的尺寸比较小，此外，通过重结晶所形成的奥氏体颗粒以外的范围是依赖于原来的铁氧体颗粒的方位等的转化范围。

并且，对P1、P2材料和T1～T3材料的焊接接头进行蠕变试验。蠕变试验的条件为温度：650℃，附加应力：100、110、120、130MPa。100MPa时在焊接金属界面处断裂，在110MPa或以上时，任何一种焊接接头都在母材处断裂，确认了HAZ细颗粒部分具有良好的蠕变强度。另一方面，传统的回火马氏体类耐热钢的S1B材料、S2材料的焊接接头的蠕变试验结果(温度：650℃，附加应力：110、90MPa)，全部在HAZ细颗粒部分断裂，确认了HAZ细颗粒部分比母材的蠕变强度低。

另外，650℃时的110MPa的蠕变断裂时间为：P2材料的焊接接头为1930小时、S1B材料的母材为1300小时、S1B材料的焊接接头为950小时。P2材料的焊接接头显示出良好的蠕变强度。

图2显示了P2材料与P2材料的焊接接头的650℃下的蠕变试验的应力与断裂时间的关系。

在图2中，P2材料的焊接接头的蠕变强度位于相当于P2材料的蠕变强度的90％的虚线之上，可以清楚地确认为在母材的蠕变强度的90％或以上。同样地，本申请发明的焊接接头的650℃下的蠕变强度为母材的蠕变强度的90％或以上。

另一方面，S1B材料和S2材料的焊接接头在650℃下的蠕变强度，在90MPa或以下的低应力下，均不足母材的蠕变强度的90％。

根据上述结果，可以确认：本申请发明的回火马氏体类耐热钢的焊接接头，在HAZ细粒部分中依赖于母材的回火马氏体结构的铁氧体颗粒的形状或晶体取向的范围的面积比大，HAZ细粒部分的蠕变强度为母材的蠕变强度的90％或以上。

接着，从P2材料、T2材料、S1B材料和S2材料切取10mm×10mm×20mm左右的小片，将其在焊接时形成与HAZ细粒部分的部位所暴露的温度环境950℃下保持1小时，然后空气冷却，接着实施焊接后热处理(740℃-4小时，空气冷却)。实施这种热处理，并通过测定依赖于母材回火马氏体结构的铁氧体颗粒的形状或晶体取向的范围的面积比，可以评价依赖于母材结构的结构的稳定性。通常，所谓形成HAZ结构的热过程是指：以数十～100K/秒的升温速度达到峰值温度，经过在约数秒内的极短时间内保持或不保持峰值温度的过程之后，以数十K/秒左右的降温速度回到100～300℃左右的热过程。因此，可以认为：通过上述950℃-1小时的热处理所形成的结构，由于和实际焊接时所暴露的条件相比保持时间更长，因此不依赖于母材结构的结构增多。另外，950℃-1小时的热处理的升温速度为20℃/分钟。此外，所有样品的A_c3点都在950℃或以下。

表3

在表3中，对于实施了950℃-1小时热处理的各个样品，显示了依赖于母材结构的结构的面积比。S1B材料和S2材料完全不依赖于母材结构，另一方面，P2材料和T2材料的依赖于母材结构的结构达到60％，变得和焊接接头的HAZ细粒部分的结果一样。

显然，本发明并不限于上述实施例，并且就细节而言当然也可能是各种各样的方式。

工业实用性

如上述详细说明的那样，通过本申请发明，可以实现蠕变强度显著降低的HAZ部得到抑制的回火马氏体类耐热钢的焊接接头。

Claims

1、一种回火马氏体类耐热钢的焊接接头，其特征在于：具有回火马氏体结构的耐热钢焊接热影响部分中的细粒部分的蠕变强度为母材的蠕变强度的90％以上，具有回火马氏体结构的耐热钢以重量％计，含有0.003～0.03％的B，含有0.03～0.15％的C、0.01～0.9％的Si、0.2～1.5％的Mn、8.0～13.0％的Cr、0.0005～0.02％的Al、0.1～2.0％的Mo+W/2、0.05～0.5％的V、0.06％以下的N、0.01～0.2％的Nb、0.01～0.2％的(Ta+Ti+Hf+Zr)，并且残留部分为Fe以及不可避免的杂质。

2、如权利要求1所述的回火马氏体类耐热钢的焊接接头，其中：具有回火马氏体结构的耐热钢以重量％计，进一步含有0.1～5.0％的Co、0.5％以下的Ni、1.7％以下的Cu当中的任1种或2种以上。

3、如权利要求2所述的回火马氏体类耐热钢的焊接接头，其中：具有回火马氏体结构的耐热钢以重量％计，进一步含有0.03％以下的P、0.01％以下的S、0.02％以下的O、0.01％以下的Mg、0.01％以下的Ca、总计0.01％以下的稀土元素当中的任1种或2种以上。

4、如权利要求3所述的回火马氏体类耐热钢的焊接接头，其中：所述的稀土元素是Y。