ni9钢的热处理和焊接

Ni9钢的热处理和焊接
符中欣周勇石凯李国明高聪
(西安石油大学材料科学与工程学院陕西西安710065)
摘要：本文在超低温用Ni9钢的发展应用状况简述基础上，结合项目研究结果和国内外有关资料着重对Ni9钢应用中涉及到的热处理方法及焊接工艺要点进行了综述介绍。

在热处理方面，介绍了目前推荐及在应用中采用的三种Ni9 钢热处理方法的工艺规范，在工艺特点和性能比较的同时，简述了有关不同热处理方法对Ni9钢低温韧性作用的机理。

在焊接工艺方面，介绍了Ni9钢的焊接方法、焊接材料和焊接工艺要点，并对各焊接方法和焊接材料作了比较。

关键词：Ni9钢；低温钢；热处理；焊接；低温韧性
项目资助：中国石油天然气集团长庆油田LNG工程用超低温钢焊接技术研究项目
1 超低温用Ni9钢的发展应用状况
Ni9 钢亦被称为9Ni 钢、9%Ni 钢，是含镍量为8.5~9.5%的超低温钢，在-196℃有优异的强韧性。

与具有优良性能的不锈钢相比，有合金含量少、价格便宜优点；与低温用铝合金(如LF5)相比，有许用应力大、热膨胀率小的优点。

因此成为-196℃级低温设备和容器的最重要结构材料，广泛用于制造或建造液氮和液化天然气(Liquefied Natural Gas；简称：LNG)贮罐。

[1]
Ni9钢的化学成份和力学性能分别见表1和表2。

Ni9 钢于1944 年由美国INCO 公司开发，1948 年推向市场。

1956年初列入ASTM标准。

1960 年以前Ni9 钢只能用铁素体焊条焊接，需进行焊后消除应力的热处理，这对于制造大型储罐是一个难题。

1960 年10 月，采用因科镍型焊条焊接Ni9 钢成功，并通过了液氮温度下的爆破增压试验。

后来开发的Ni9 钢的双正火+ 回火(NNT)热处理工艺和淬火+ 回火(QT)热处理工艺使Ni9 钢的焊接不需进行焊后消除应力的热处理。

1962 年，ASTM规范认定：板厚不超过38mm 的储罐可以不进行消除焊接接残余应力热处理，1963年又扩大到50mm，使Ni9 钢用于大型LNG 储罐制造成为可能。

1965 年法国用Ni9 钢建造了第一艘LNG 油轮"Jules Verne" 号，舱容2.584 万m3。

日本大规模使用Ni9 钢开始于1969 年横滨港建成的3.5 万m3 和4.5 万m3 平底球面二重式LNG储罐。

1977 年将Ni9 钢列入JIS 标准，JIS G3127对Ni9 钢的热处理进行了如下要求：双正火+ 回火处理(NNT)和淬火+ 回火处理(QT)。

1980 年日本建成了7.5 万m3LNG 储罐。

1991 年JIS G3127 中明确指出：根据需要可进行中间热处理。

1982 年后，Ni9 钢已经成为低温储罐主材，逐渐取代了Ni-Cr 不锈钢，截止到1995 年世界上已建的最大Ni9 钢储罐容积为14万m3。

由此可见，Ni9 钢已是国际上低温设备领域广泛使用的钢种，其焊接性能良好，焊接工艺已日臻成孰。

[1、5]
随着我国国民经济的持续发展、能源结构的调整，我国大量进口LNG清洁能源是必然发展趋势根据我国天然气资源与市场的分析预测，为保证国内市场的需求供应，2004~2010 年，规划实施的广东LNG和福建LNG接收站项目，进口规模达到960× 104 吨/ 年；2011~2020 年，新建LNG 接收站规模为2040×104 吨/ 年；到2020 年，国内累计建成的LNG接收站，总接收规模将达到3000×104 吨/年。

中国海运进口的液化天然气的快速增长，将使沿海地区LNG 码头和接收终端建设将进入新的发展阶段，同时中国需要更多的LNG 船舶来更好地保障进口项目的实施，在2010 年前总共需要建造15 至20 艘LNG船，2015 年前需要建30 至35 艘。

[6、7] 可以预见，在未来的若干年内，Ni9 钢作为LNG 储运设备的主要结构材料将被大量使用，Ni9 钢的热处理和焊接，作为其应用的两个重要方面，应该受到极大的重视。

2 Ni9钢的热处理[2-4、9]
目前推荐并且常用的Ni9 钢的热处理方法有三种：
(1)双正火+ 回火(Double-Normalized and Tempered，简称NNT) 第一次正火加热至900℃空冷，第二次正火加热至790℃空冷，然后在550~580℃回火后急冷。

经双正火和回火(NNT)后的组织为回火马氏体与贝氏体。

(2)淬火+ 回火(Quenched and Tempered，简称QT) 800℃水淬或油淬，然后550~580℃回火。

经淬火和回火后的组织为低碳马氏体。

(3)α+γ 双相区淬火+ 回火(Intercritical Heat Treatment，简称IHT) 一般为800℃水淬，670℃水淬，然后经550~580℃回火。

经双相区淬火和回火后的组织为低碳马氏体。

在ASTM 标准中，A353 为NNT处理的Ni9 钢，A553 TYPEⅠ为经过QT处理或IHT处理的Ni9钢。

ASTMA553/A553M-95(Reapproved 2000)标准对IHT 处理作了如下描述："(淬火后的)钢板在回火处理之前可以进行中间热处理(Intermediate heat treatment)。

"ASTM标准对Ni9钢的要求如表3所示。

1QT处理和IHT处理同属ASTM A553/A553M-95 (Reapproved 2000)，该标准对它们的要求相同；2 三个试样冲击功的平均值不得低于括号外的值，冲击功低于括号外的值的试样个数不得多与一个，单个试样的冲击功不得低于括号内的值。

三种热处理都能得到比较好的低温韧性。

Ni9 钢在回火处理时，C、Ni、Mn 等元素向弥散分布于基体内的奥氏体扩散，可得到体积为5%~10%的富含C、Ni、Mn 奥氏体，称为逆转奥氏体(亦称为回转奥氏体)。

这种奥氏体非常稳定，在-196℃低温下不会发生马氏体转变，并且呈弥散分布，使Ni9 钢能够在-196℃表现出很好的低温韧性。

在三种热处理工艺中，IHT 处理所得Ni9 钢低温韧性最好，QT 处理的低温韧性次之，再次为NNT 处理。

原因有两点：
1)经过α+γ 双相区温度(670℃)淬火的Ni9 钢，在相同的回火温度下，所含逆转奥氏体的数量比经QT处理后多。

如果同在560℃回火，IHT的逆转奥氏体为5.6%，AKV-196℃为104J；QT 的逆转奥氏体仅为2.5%，AKV-196℃为43J。

但是逆转奥氏体的数量并不是决定-196℃冲击韧性的唯一因素。

2)用不同的温度回火处理，经QT 与IHT 处理的Ni9 钢虽可获得同样数量的逆转奥氏体，但经QT处理的逆转奥氏体的析出部位比较集中，主要分布于原奥氏体晶界与马氏体束界上。

经IHT 处理后，逆转奥氏体分布均匀，特别是它除了在原奥氏体晶界与马氏体束界上析出以外，还在马氏体板条间析出，析出的弥散性导致了Ni9 钢的高韧性。

奥氏体是靠吸收其周围的C、Ni、Mn 等元素来提高其低温下的稳定性的，
如果奥氏体只集中分布在基体中的少数地方，则因扩散距离太长，难以获得足够的C、Ni、Mn 元素，故生成的奥氏体的低温稳定性较差，在低温下容易发生马氏体转变，使冲击韧性降低。

值得说明的是，如果基体中的奥氏体的含量过高，就会使其中稳定奥氏体相的元素C、Ni、Mn 的浓度降低，奥氏体的稳定性变差，对低温韧性反而不利。

综上所述，热处理工艺对Ni9 钢的性能影响很大，对Ni9 钢的热处理应予以重视。

如果热处理不当，则回火中生成的奥氏体，在低温条件下或在低温变形时会产生马氏体，导致低温韧性下降。

此外，Ni9 钢还具有一定的回火脆性敏感性，并随着含磷量的增加而有显著增加。

因此，对Ni9 钢必须严格控制含磷量。

同样，也必须严格控制含硫量，因为硫含量增加之后，增加Ni9 钢焊接时的热裂纹敏感性。

3 Ni9钢的焊接
3.1焊接方法[4、9]
目前焊接Ni9 钢主要焊接方法是焊条电弧焊(SMAW)、钨极氩弧焊(GTAW)、熔化极惰性气体保护电弧焊(GMAW)和埋弧焊(SAW)。

钨极氩弧焊的焊接效率太低，在工程中选择这种焊接方法不太经济，但是，能得到具有窄坡口的高质量的焊接接头，特别是采用低镍型焊接材料焊接Ni9 钢时，钨极氩弧焊将成为非常好的焊接方法。

所以只是在特定的场合下才选择使用钨极氩弧焊。

手工熔化极惰性气体保护电弧焊的熔敷速率大，但对焊工的焊接技术要求较高。

该焊接方法的主要缺点是容易产生熔合不良和气孔，该问题至今没有得到很好解决。

焊条电弧焊是Ni9 钢现场焊接的一种适合各种焊接位置非常灵活且可行的焊接方法。

该焊接方法可以达到很高的合金过度系数，甚至高达170%。

埋弧焊是熔敷速率最高的一种焊接方法，特别是在环焊缝焊接时，由于使用了环缝焊接机械系统，埋弧焊的优点表现得更加突出，埋弧焊几乎适于焊接所有横焊缝和水平位置焊缝。

对于Ni9 钢立式储罐的纵焊缝，虽然现在已经开发出了气电立焊设备，且自动化程度很高，但是由于气电立焊的线能量偏大且不易控制，所以不适合用来焊接Ni9 钢。

立焊缝仍然用焊条电弧焊焊接。

生产实践证明，焊条电弧焊和埋弧焊是Ni9 钢储罐现场焊接效率最高的焊接方法。

3.2焊接材料[4、9-12]
选择焊材要考虑的几个问题：
1) 低温韧性问题Ni9 钢主要用来建造低温设备，焊缝要在低温下工作，在选择焊接材料时一定要考虑焊缝的低温韧性问题。

2) 热膨胀问题Ni9 钢的线膨胀系数较大，在+20℃~-196℃之间线膨胀系数为8.05×10-6/℃。

为了减少接头的焊接应力，在选择焊接材料时，必须使焊缝金属与母材的膨胀系数相接近，不能产生过大的差异。

用Ni9 钢所建造的低温设备在服役过程中要发生热胀冷缩。

母材和焊接接头要经历严峻的温度变化的考验。

如果焊缝金属的热膨胀系数和Ni9钢的热膨胀系数相差太大，高的热应力集中将增大储罐的热疲劳和失效的风险。

因此，焊缝金属的热膨胀系数应该尽可能的接近Ni9 钢的热膨胀系数。

3) 电弧磁偏吹问题由于Ni9 钢是一种强磁性材料，采用直流电源时，易产生磁偏吹现象，影响焊接工艺的稳定性，直接影响到接头的质量。

尽量选用适应交流电源施焊的焊条或焊丝焊剂。

Ni9钢的电弧焊中，常用的焊接材料有四种，即含Ni11%的铁素体型，含Ni13%-Cr16%的奥氏体不锈钢型，含Ni 约60%以上的Ni 基型(Ni-Cr-Mo 系合金) 和含Ni 约40%的Fe-Ni 基型(Fe-Ni-Cr 系合金)。

铁素体型焊接材料该种焊接材料成本低，但是并不适于用来焊接现代工业所要求的大尺寸的容器。

当采用与Ni9 钢成分相接近的焊接材料时，如焊后不经热处理，焊缝的低温韧性要低于母材的。

这主要是因为焊缝金属中的含氧量太高，有时可达600ppm。

虽然在实验室条件下，手工钨极氩弧焊用该焊丝成功地焊成了一台直径2m 的Ni9 钢球罐模型，但是该工艺还不能广泛应用于像壁厚27.5mm直径75m这样的大型储罐的焊接。

铁素体型焊接材料可以成功地应用于Ni9 钢管的埋弧焊生产中，但是，为了使焊缝得到符合要求的力学性能，需要进行焊后热处理。

焊后热处理，在车间很容易实现，但是在大型储罐施工现场环境下很难实现，甚至是不可能实现的。

所以，铁素体型焊接材料仅限于GTAW(TIG)与GMAW(MIG)焊接方法，生产效率较低。

奥氏体不锈钢型焊接材料Ni13% -Cr16%奥氏体不锈钢型焊接材料的强度稍高、但低温韧性
较差、线胀系数与Ni9 钢相差较大，而且易在熔合区出现脆性组织。

采用Ni13%-Cr16%型奥氏体不锈钢焊接Ni9 钢时，熔合区的化学成分既非奥氏体钢也非Ni9 钢的成分，而且Cr、Mn、W的含量比Ni9 钢高，碳在熔合区偏聚。

熔合区的硬度(363~380HV)明显地比焊缝金属的硬度(207HV)和热影响区的硬度(308～332HV)高，而且熔合区内的硬度又随所处位置而不同，熔合区焊缝侧的硬度最高，用OK69.45 焊条(化学成分见表4)焊接的试样达480HV，用TH17/15TTW 焊条(属Ni13%-Cr16%型，化学成分见表4)焊接的试样达576HV，说明熔合区焊缝侧存在一个硬脆层。

电镜分析确认该硬脆层的组织是由板条马氏体和孪晶马氏体组成的富合金马氏体。

熔合区生成的高硬度马氏体带，在扩散氢作用下，就会产生冷裂纹。

Ni基和Fe-Ni 基焊接材料Ni 基和Fe-Ni基焊接材料的低温韧性良好，线胀系数与Ni9 钢相近。

但是使用这种焊接材料成本高，并且这类高镍焊接材料所得焊缝金属均为奥氏体，焊缝强度略低于母材。

镍基合金焊接材料由于含镍量较高，加上奥氏体焊缝结晶特点，焊接过程中热裂敏感性很强，更容易出现弧坑裂纹。

Ni基合金焊缝金属的熔点一般要比母材低约100℃~150℃，焊接时熔深较浅，流动较差，往往会形成未焊透缺陷。

但是通过调整焊接工艺，可以克服这些问题。

综上所述，从韧塑性和热膨胀两方面考虑，Ni 基和Fe-Ni 基合金都是焊接Ni9 钢最适合的焊材。

虽然高镍合金焊材将增加成本，但是使用高镍合金焊材是解决性能和结构完整性等首要问题的最适合的选择。

3.3 焊接工艺[4、12]
用Ni9 钢建造的设备要在-100℃低温，甚至-196℃的超低温下工作，Ni9 钢的焊接接头必须有良好的低温韧性。

所以必须避免接头过热和晶粒长大。

为达到此目的，从焊接工艺来考虑，必须采取如下措施：
1)焊前不能预热，且必须严格控制层间温度因为预热温度和层间温度直接影响焊后的冷却速度，冷却速度越慢，越有助于晶粒长大。

所以Ni9 刚焊前一般不预热，层间温度不宜超过100℃。

2) 要选择合适的线能量因为焊接热循环的正确与否，直接关系到接头组织、晶粒大小和性能。

线能量越大，焊接热循环中的高温停留时间越长，冷却速度越慢，接头组织的晶粒就越粗大。

所以，对低温钢焊接时的规范，不能采用过大的焊接线能量，而且要控制和调节焊后冷却速度。

焊接线能量应控制在45kJ/cm 以下，一般常用7~35kJ/cm。

3)要进行多层多道焊，避免单道焊作者用经过IHT 处理的Ni9 钢试样进行了热影响区粗晶区(CGHAZ)的焊接热模拟试验(试验参数如表5 所示)，结果显示：即使小线能量(15kJ/cm) 的单道热循环的CGHAZ 的低温(-196℃)冲击功也非常低，经过800℃或900℃二次热循环后，低温冲击功明显提高；三次热循环能进一步改善CGHAZ 的低温韧性。

所以焊接Ni9 钢时要进行多层多道焊。

4) 尽量选用交流极性的电流由于Ni9 钢是一种强磁性材料，极易被磁化，采用直流电源时，易产生磁偏吹现象，影响焊接工艺的稳定性，直接影响到接头的质量。

4 结束语
(1) Ni9 钢的三种热处理工艺所得Ni9 钢的低温韧性由高到低依次是：IHT>QT>NNT。

QT处理生产工艺简便，耗能少，建议在满足要求的前提下首选QT工艺处理9Ni钢。

(2)Ni9钢焊接要点
1) 焊接方法虽然Ni9 钢适于使用多种弧焊焊接方法，但是对Ni9 钢的现场焊接，特别是大型Ni9 储罐的现场焊接，焊条电弧焊(SMAW) 和埋弧焊(SAW)是效率最高最实用的焊接方法。

2) 焊接材料Ni 基和Fe-Ni 基合金都是焊接Ni9 钢最适合的焊材，这两种焊接材料所得焊缝的韧塑性都能够满足要求，焊缝的线胀系数与母材接近，且所得焊缝焊后不必热处理，更适用于现场焊接。

虽然高镍合金焊材将增加成本，但是使用高镍合金焊材是解决性能和结构完整性等首要问题的最适合的选择。

3)焊接热循环为保证焊接接头的低温韧性，建议采用小线能量多层多道焊来焊接Ni9 钢，且焊前不预热，层间温度不超过100℃。

(3)在未来几年，Ni9 钢将会被大量使用，用来建造LNG储罐和LNG运输船等低温设备。

国内钢铁企业要加紧科研攻关，尽快实现Ni9 钢的国产化，以满足市场的需要；标准化管理机构也应该尽快完善涉及低温设备的标准，为国内设计和建造低温设备提供依据。

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