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摘要:針對供貨態(tài)t91小口徑鋼管內(nèi)壁存在滲碳現(xiàn)象，采用化學(xué)法、金相法和顯微硬度法對滲碳層進(jìn)行了定性和定量分析，利用SEM、EDS和XRD分別對滲碳層組織進(jìn)行觀察，對元素組成及相組成進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)預(yù)防措施。結(jié)果表明:采用金相法、化學(xué)法及顯微硬度法可定性定量分析滲碳層碳含量及滲碳層深度。內(nèi)壁滲碳層的主要組成為Fe2．5C、Cr7C3及Cr2C，這是由于T91鋼冷成形制管過程內(nèi)壁所用的潤滑劑未去除干凈，繼而在氣氛保護(hù)爐中正火熱處理時，潤滑劑燃燒不充分，殘?zhí)荚訑U(kuò)散到管子內(nèi)壁，與其他元素結(jié)合形成了碳化物。對滲碳樣品進(jìn)行正火+回火處理可減輕或消除滲碳層，使用氣氛保護(hù)爐熱處理時，內(nèi)壁滲碳有所減輕，但未能完全消除;而使用無氣氛保護(hù)爐熱處理時，可以消除滲碳層，但同時會產(chǎn)生較厚且易脫落的氧化皮。生產(chǎn)實踐表明，在正火處理之前將潤滑劑去除干凈是防止鋼內(nèi)壁滲碳的關(guān)鍵所在。

關(guān)鍵詞:T91鋼管;內(nèi)壁滲碳層;定量分析;滲碳層組成;熱處理;預(yù)防措施

T91鋼是ASMESA-213M標(biāo)準(zhǔn)中的牌號，是在T/P9(9Cr-1Mo)鋼的基礎(chǔ)上，降低含碳量、嚴(yán)格控制P和S等殘余元素含量的同時，添加了微量元素N、V和Nb并對N元素加以控制而得到的一種改進(jìn)型鐵素體耐熱合金鋼［1-3］。T91鋼具有良好的力學(xué)性能、較高的持久性與抗氧化性，焊接與工藝性能優(yōu)良，一般以正火+回火狀態(tài)供貨。2006年以來，為了提高燃煤利用效率和發(fā)電效率，超臨界和超超臨界機組得到了快速的發(fā)展，隨著蒸汽參數(shù)的提高，這就對發(fā)電機組用金屬材料的耐高溫、高壓和焊接問題有了更高要求，T91鋼因其優(yōu)異的綜合性能，目前已成為我國火電廠發(fā)展超臨界與超超臨界機組的主選鋼種之一。T91鋼是完成主蒸汽溫度由538℃向566℃過渡的首選材料，是完成主蒸汽溫度由566℃向593℃過渡的關(guān)鍵材料，是完成改造現(xiàn)役機組高溫部件最有前途的替換材料［4］。鑒于T91鋼管在鍋爐機組上的普遍使用，而在檢驗過程中時有發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁滲碳，且因滲碳導(dǎo)致鋼管制造過程酸洗時內(nèi)壁抗腐蝕性能減弱，易形成腐蝕坑，在鋼管冷彎時發(fā)生脆性斷裂。本文提出鋼管內(nèi)壁滲碳定性和定量檢測方法，并對滲碳層成分及組成、消除方法、滲碳原因及預(yù)防措施進(jìn)行探討分析，為鋼管制造過程、應(yīng)用研究及失效分析提供一種新視角。

1試驗材料與方法

試驗用樣品取自某鋼廠生產(chǎn)的供貨態(tài)T91鋼管，規(guī)格為60mm×4mm，分別取內(nèi)壁滲碳管(編號為1號樣品)和碳含量正常的鋼管(編號為2號樣品)，用SpectrolabM9直讀光譜儀檢測化學(xué)成分。化學(xué)法:取圓環(huán)試樣，對剖后在YAW-2000型壓扁試驗機上壓平，然后再用WB-1000KN型彎曲試驗機反彎，便于化學(xué)打磨表面時手持試樣;用化學(xué)檢驗專用砂輪或金相砂紙輕輕將內(nèi)表面氧化黑皮磨掉，直至露出金屬光澤的化學(xué)檢驗所需粗糙表面;使用直讀光譜儀對表面化學(xué)成分進(jìn)行分析。金相法:取圓環(huán)金相試樣，在金相水砂紙、200、320、500號金相砂紙上細(xì)磨，在呢絨布上輔以拋光劑拋光，采用鹽酸苦味酸酒精金相腐蝕劑腐蝕;使用NIKONMA200型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行宏觀形貌和顯微組織觀察。顯微硬度法:在腐蝕后金相試樣上由內(nèi)壁向外壁以一定間距檢測顯微維氏硬度(401MVD型顯微硬度計，載荷200g)，根據(jù)硬度值的變化趨勢判斷滲碳層的深度。滲碳層分析:利用JSM-6610型掃描電鏡(SEM)和NSSSYSTEM7型X射線能譜儀(EDS)對內(nèi)壁滲碳層和壁厚中間微區(qū)的形貌和成分進(jìn)行分析;用日本理學(xué)Rigaku-D/max-2400的XRD(選用Cu靶，測試電壓為40kV，電流為150mA，掃描速度為8°/min，步長為0．02°，掃描范圍為20°～120°)進(jìn)行相分析。滲碳層消除試驗:取三個滲碳樣品分別在氣氛保護(hù)爐中進(jìn)行正火+回火熱處理［5］，在無氣氛保護(hù)爐中進(jìn)行正火+回火、回火熱處理試驗，其中正火溫度為1060℃，保溫30min，回火溫度780℃，保溫30min;試驗結(jié)束后進(jìn)行顯微組織觀察和顯微硬度檢測［6］。

2試驗結(jié)果與討論

2．1化學(xué)法分析

1號和2號樣品壁厚中心化學(xué)成分均滿足ASMESA-213M標(biāo)準(zhǔn)要求，見表1;但內(nèi)壁碳含量存在差異，用上述方法對樣品處理后，采用直讀光譜儀對內(nèi)壁碳含量檢測:1號樣品內(nèi)壁滲碳，碳含量0．41%;2號樣品內(nèi)壁正常，碳含量0．10%。此法簡單方便，可快速判斷鋼管內(nèi)壁是否存在滲碳現(xiàn)象，但無法確定滲碳層深度。

2．2金相法分析

對磨制好的金相試樣腐蝕后先進(jìn)行宏觀觀察，可發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁滲碳的試樣內(nèi)壁區(qū)域可看到一條灰白色條帶，為滲碳區(qū)域，見圖1(a)，在光學(xué)顯微鏡下為暗黑色條帶，并逐漸由內(nèi)壁向外壁過渡成正常組織，見圖1(b)，推測原因為滲碳導(dǎo)致近內(nèi)壁基體中碳過飽和，以碳化物的形式析出，與壁厚中心組織比，更不耐腐蝕。而內(nèi)壁未滲碳樣品內(nèi)壁和壁厚中間組織顏色均勻，見圖1(c)。此法可根據(jù)色差測量出滲碳深度，但某些滲碳層色差帶不明顯，較難準(zhǔn)確檢測滲碳層深度。

2．3顯微硬度法分析

在金相試樣上由內(nèi)壁向外壁做顯微硬度檢測，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁顯微硬度值較高，而越往外壁方向硬度值逐漸降低，當(dāng)硬度值與基體接近時，該位置距離內(nèi)壁的距離即為滲碳層深度，見圖2，該方法可作為內(nèi)壁滲碳層深度定量分析。此法雖繁瑣，但能準(zhǔn)確判斷滲碳層深度，特別是滲碳層與基體交界處不明顯的情況下，有很好的判別效果。綜合分析，上述各種滲碳檢測方法皆有利弊，通常，只需要定性時，可采用金相法，但應(yīng)注意制樣質(zhì)量，避免誤判;需要對滲碳層碳含量及滲碳層深度定量時，可逐漸打磨內(nèi)壁采用化學(xué)法確定碳含量，用金相法結(jié)合顯微硬度法確定滲碳層深度。

2．4SEM-EDS分析

對內(nèi)壁滲碳樣品進(jìn)行SEM-EDS分析，在電鏡下觀察近內(nèi)壁滲碳組織和壁厚中心正常組織的差異，見圖3，可看出內(nèi)壁滲碳層晶內(nèi)及晶界有更多的析出物。對圖3中區(qū)域進(jìn)行能譜分析，兩種樣品主要元素組成均為C、Si、Cr、Fe、Mo，具體含量見表2。不同碳含量的試樣成分差異主要體現(xiàn)在C、Fe含量上，初步判斷析出物為Fe和Cr的碳化物，但析出物相的組成難以判斷。

2．5XRD分析

圖4為樣品的XRD圖譜，其中，1號內(nèi)壁滲碳樣品相組成分別為Fe-Cr、Fe2．5C、Cr7C3以及Cr2C;2號試樣內(nèi)壁碳含量正常樣品相組成主要為Fe-Cr，含有少量的M23C6和Cr2C。通過XRD檢測對內(nèi)壁滲碳、內(nèi)壁正常的樣品進(jìn)行對比分析，主要相均為Fe-Cr，即T91鋼基體主要組成相;據(jù)資料知［4，7-8］，碳元素的作用是擴(kuò)大γ相區(qū)縮小α相區(qū)，可在α-Fe中微量間隙固溶，也可以形成碳化物。內(nèi)壁滲碳樣品雖然滲碳較為嚴(yán)重，但主要峰位未發(fā)生變化，表明C原子未造成點陣畸變，而是在熱處理過程中與合金元素結(jié)合形成Fe2．5C、Cr7C3以及Cr2C等碳化物，彌散分布在基體中。內(nèi)壁正常樣品［9-10］，除主要的Fe-Cr相外，有少量的M23C6和Cr2C。

2．6滲碳層的消除

按試驗方法中指定工藝對滲碳樣品分別進(jìn)行脫碳形成了氧化薄膜，未見較厚氧化皮，通過顯微硬度檢測，發(fā)現(xiàn)近內(nèi)壁硬度較均勻，但普遍略高于SA-213M標(biāo)準(zhǔn)上限265HV，近內(nèi)壁碳含量為0．17%，壁厚中心碳含量為0．11%，滲碳層未能完全消除，見圖5(a);無氣氛保護(hù)爐正火+回火熱處理，正火后樣品的內(nèi)外表面均產(chǎn)生了較厚且易脫落的氧化皮，其中，內(nèi)壁脫落的氧化皮厚度為0．38mm，外壁脫落的氧化皮厚度為0．24mm，近內(nèi)壁碳含量為0．08%，壁厚中心碳含量為0．09%，近內(nèi)壁硬度較均勻且滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，滲碳層已消除，見圖5(b);只進(jìn)行無氣氛保護(hù)爐回火熱處理的樣品內(nèi)壁仍存在滲碳層，且滲碳層深度幾乎沒變化，在內(nèi)表面形成一層氧化薄層，無氧化皮脫落，見圖5(c)。綜上所述，氣氛保護(hù)爐正火+回火熱處理可以減輕滲碳情況，但未能完全消除，而無氣氛保護(hù)爐正火+回火熱處理可完全消除滲碳層，但氧化皮較厚且易脫落，壁厚減少了15．5%，對能源和材料的損耗較大。根據(jù)上述現(xiàn)象分析，在氣氛保護(hù)爐中惰性氣體的保護(hù)下，近內(nèi)壁滲碳層中碳原子向壁厚中心基體中遷移了;而無氣氛保護(hù)爐正火熱處理時，在氧氣氛圍下，鋼管內(nèi)外壁不僅生成了較厚的氧化皮，且滲碳層中碳原子也與氧氣反應(yīng)逃逸了，向基體中的擴(kuò)散相對減少了。另外，對經(jīng)歷不同熱處理的樣品進(jìn)行金相檢驗發(fā)現(xiàn)無氣氛保護(hù)爐正火后的樣品近內(nèi)壁一個晶粒范圍內(nèi)晶界上有一定寬度的白色析出物，見圖6，通過EDS分析析出物與晶內(nèi)基體差異，為V、Ni、Si等元素的析出物，該析出物對鋼管其他性能是否有其他影響有待后續(xù)研究。

2．7鋼管內(nèi)壁滲碳的預(yù)防措施

為了解滲碳產(chǎn)生原因，對T91鋼管制造過程進(jìn)行調(diào)研，并通過試驗重現(xiàn)了鋼管內(nèi)壁滲碳過程。目前，T91鋼管制造方式有熱軋、冷軋和冷拔3種生產(chǎn)方式，熱軋穿孔時使用石墨做潤滑劑，由于穿孔和定徑都是高溫有氧作業(yè)，潤滑劑得以充分燃燒，并未發(fā)現(xiàn)有滲碳案例。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁滲碳鋼管的生產(chǎn)方式均為冷軋或冷拔，為解決冷成形過程中變形抗力大、鋼管強度高和塑性差等難點，以保證變形順利，減少模具于鋼管內(nèi)外壁擠壓摩擦過程中因抗力大而造成模具粘鋼形成“劃痕”類缺陷，成形過程中需使用油脂等潤滑劑。通過檢測，潤滑油脂中含殘?zhí)几哌_(dá)22%，而冷軋或冷拔后由于脫脂除油執(zhí)行不到位，導(dǎo)致部分鋼管脫脂不徹底或根本未實施脫脂處理。根據(jù)文獻(xiàn)［9］可知，滲碳工藝通常在910～930℃高溫下進(jìn)行，T91鋼管制造過程一般使用氣氛保護(hù)爐進(jìn)行正火熱處理(ASMESA-213M標(biāo)準(zhǔn)要求為1040～1080℃)，潤滑劑附著在管內(nèi)壁和鋼管一同加熱至單相奧氏體溫度，由于小口徑管長(一般10m以上)且外徑小，內(nèi)壁氧氣進(jìn)入量較少，潤滑劑燃燒不充分，部分殘?zhí)紨U(kuò)散至鋼管基體，與其他合金元素形成了碳化物Fe2．5C、Cr7C3以及Cr2C等，部分潤滑劑因燃燒不充分而結(jié)成塊狀物附著在鋼管內(nèi)壁，在后續(xù)鋼管精整工序，塊狀附著物也會隨之脫落。故本文中對供貨態(tài)的鋼管再次進(jìn)行正火+回火熱處理，內(nèi)壁沒有了潤滑劑殘留物作碳源，在高溫作用下碳化物全部溶入奧氏體中從而使得基體成分及組織相對更均勻，但常規(guī)的氣氛保護(hù)熱處理工藝還不足以使碳原子得到充分?jǐn)U散，故近內(nèi)壁滲碳現(xiàn)象得以減輕，而未能完全消除;而使用無氣氛保護(hù)爐熱處理后，氧氣充足，碳原子與氧氣反應(yīng)逃逸掉了，滲碳層得以消除，但同時形成較厚的氧化皮，對材料損耗太大。回火溫度在Ac1以下，基本不改變碳化物的分布，即只進(jìn)行回火處理，滲碳層無法得以消除。綜上所述，即便成品鋼管滲碳層能再次通過無氣氛保護(hù)爐正火+回火消除，但也可能造成不良影響，如處理成本高、表面易脫碳氧化或晶界形成對性能影響不明的析出物等，故還需從制管過程進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，后續(xù)跟蹤相關(guān)鋼廠的改進(jìn)情況:有些通過低溫烘干+酸洗+高壓水沖洗方式，低溫烘干的原理為:可使用無氣氛保護(hù)爐，低溫下，碳原子不能擴(kuò)散或擴(kuò)散較緩慢，利用殘?zhí)佳趸锱c基體線膨脹系數(shù)的差異，使得附著內(nèi)壁的塊狀殘?zhí)佳趸镆酌撀洹Ａ硗猓灿型ㄟ^新型脫脂劑脫脂+高溫烘干+酸洗除去內(nèi)壁油脂，從源頭上消除碳源，從而避免正火處理時內(nèi)壁滲碳問題的產(chǎn)生，經(jīng)過多次驗證，上述方法均有效。

3結(jié)論

1)通過試驗摸索，整理出一套T91管內(nèi)壁滲碳的定性和定量檢測方法。2)通過內(nèi)壁不同碳含量的樣品對比分析，使用SEM-EDS和XRD表征方法，確定了內(nèi)壁滲碳層的主要組成為Fe2．5C、Cr7C3以及Cr2C，不是以間隙固溶體，而是以化合物的形式存在。3)通過無氣氛保護(hù)爐正火+回火熱處理能消除內(nèi)壁滲碳層，但會產(chǎn)生較厚且易脫落的氧化皮，且近內(nèi)壁一個晶粒范圍內(nèi)的晶界上有V、Ni等元素的析出物，對鋼管性能是否有影響尚不明確;氣氛保護(hù)爐正火+回火熱處理能減輕但無法完全消除滲碳層;而只進(jìn)行回火熱處理時，滲碳層幾乎沒變化。4)通過調(diào)研鋼管生產(chǎn)過程，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁滲碳的原因在于T91鋼冷成形制管方式中內(nèi)壁潤滑劑未去除干凈，繼而在后續(xù)氣氛保護(hù)爐中正火熱處理工序中，管子長且管徑小，潤滑劑燃燒不充分，殘?zhí)紨U(kuò)散到管子內(nèi)壁，與其他元素結(jié)合形成了碳化物。故在正火前將潤滑劑清除干凈是防止鋼管滲碳的關(guān)鍵所在。

參考文獻(xiàn):

［1］楊華春，屠勇．國外超臨界鍋爐用高溫高壓鋼管材料特性及應(yīng)用介紹［J］．東方鍋爐，2004(1):17-19．

［2］徐德錄，郭軍，陳玉成．T91鋼的性能及在我國電站鍋爐中的應(yīng)用前景［J］．電力建設(shè)，1999(2):12-17．

［4］束國剛，劉江南，石崇哲，等．超臨界鍋爐用T/P91鋼的組織性能與工程應(yīng)用［M］．陜西:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2006．

［6］王然，賀明賢．熱處理對T91鋼金相組織及顯微硬度的影響［J］．金屬熱處理，2000，25(11):6-8．

［7］趙君．火力發(fā)電廠鍋爐用SA213-T91材料的組織性能演化研究［D］．廣州:華南理工大學(xué)，2012．

［8］李俊林，楊興博，汪東明，等．鍋爐用鋼及其焊接［M］．哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1988．

［9］崔忠圻，覃耀春．金屬學(xué)與熱處理［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2008．

作者：陳莉君 張娟 謝逍原 曾輝 白青花 陶祎 單位：東方電氣集團(tuán)