SA-336 Gr.F22 Cl.3三通鍛件的試制

曹 虹 趙林武 張承鋒 黃麗秋

(武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司技術(shù)部，湖北430084)

三通鍛件是電站用壓力管道的重要部件，材料為SA-336 Gr.F22 Cl.3。該鍛件超聲波探傷要求嚴(yán)格，力學(xué)性能要求較高，特別是低溫沖擊值的要求為橫向試樣AKV(-29℃)≥20 J，并對取樣位置做了詳細(xì)的規(guī)定。該產(chǎn)品為異形件，主要有斜三通和Y形三通，因此鍛造余量和熱處理截面均很大。

1 三通鍛件的技術(shù)要求

化學(xué)成分要求見表1。要求做橫向力學(xué)性能試驗(室溫一拉，-29℃三沖)，具體取樣位置見圖1、圖2。力學(xué)性能指標(biāo)見表2。超聲波探傷方法按ASME SA-388、ASME第Ⅴ卷，驗收標(biāo)準(zhǔn)按ASME第Ⅷ卷第2節(jié)的AM203.2規(guī)定進(jìn)行。

2 試制難點(diǎn)分析

冶煉：由于該材料要求J因子不大于150，因此P、Sn的含量應(yīng)盡量低，且應(yīng)嚴(yán)控Si、Mn的含量。但同時考慮到力學(xué)性能的要求，鋼中還是應(yīng)有一定的Si、Mn含量，而C、Cr等元素的含量應(yīng)按上限控制。如何控制化學(xué)成分既能滿足驗收要求，又能滿足力學(xué)性能要求是冶煉的關(guān)鍵。

鍛造：由于該產(chǎn)品形狀復(fù)雜，自由鍛造時鍛造余量較大。鍛造時火次多，鍛件晶粒易粗大，影響超聲波探傷判定。

熱處理：三通鍛件的綜合力學(xué)性能要求較高，其熱處理有效截面較大，特別是Y型三通已達(dá)到?1 000 mm，熱處理時產(chǎn)品心部與表面溫差較大。因此必須嚴(yán)控升溫速度，并在升至一定溫度后進(jìn)行中間保溫，以減少熱應(yīng)力。三通的取樣部位在鍛造變形最小的中間部位，方向為橫向，是產(chǎn)品力學(xué)性能最差的位置。因此，如何確定熱處理工藝參數(shù)，并確保產(chǎn)品各部位的溫度均勻性是滿足產(chǎn)品技術(shù)要求的重要途徑。

表1 SA-336 Gr.F22 Cl.3鋼的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition requirements of SA-336 Gr.F22 Cl.3 steel (mass fraction, %)

注：回火脆化敏感系數(shù)J因子不大于150，J=(Si+Mn)×(P+Sn)×10 000。

表2 SA-336 Gr.F22 Cl.3三通鍛件的力學(xué)性能Table 2 The SA-336 Gr.F22 Cl.3 tee forgings mechanics performance

圖1 Y型三通鍛件力學(xué)性能取樣位置Figure 1 Y tee forgings mechanics performance sampling location

圖2 斜三通鍛件力學(xué)性能取樣位置Figure 2 Inclined tee forgings mechanics performance sampling location

3 試制過程

3.1 工藝流程

產(chǎn)品經(jīng)電爐冶煉(EF)后進(jìn)行鋼包精煉(LF)，真空脫氣(VD)；鍛造時應(yīng)至少進(jìn)行兩鐓、兩拔以上的變形工序，以確保產(chǎn)品有足夠的鍛造比(實(shí)際鍛造比達(dá)4.4)；鍛后正火+回火熱處理，以均勻組織、細(xì)化晶粒，為最終調(diào)質(zhì)處理做組織準(zhǔn)備；粗加工后進(jìn)行超聲波探傷，檢查產(chǎn)品是否有裂紋等影響熱處理的缺陷；超聲波探傷合格后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，力學(xué)性能試驗合格后再進(jìn)行全體積超聲波探傷，以檢查產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量是否滿足技術(shù)要求。

3.2 冶煉工藝

配優(yōu)質(zhì)廢鋼、料頭、生鐵，嚴(yán)禁配入土鐵、混帶泥沙等。配入適量生鐵并放入最后一次料中，保證一定的配碳量，化清[P]≤0.020%，[S]≤0.025%，確保計劃錠型鋼水量。嚴(yán)控各元素化學(xué)成分，確保J因子和力學(xué)性能均達(dá)到技術(shù)要求。

3.3 鍛造工藝

鍛造采用多次鐓粗、拔長的變形方案，確保產(chǎn)品鍛透并達(dá)到鍛造比要求。鋼錠升溫加熱到1 200℃以上，保溫一定時間后開始鍛造。鍛造采用的是鐓粗、大壓下量扁方拔長的步驟，鍛后正火+回火處理。鍛后進(jìn)行超聲波探傷摸底，除部分產(chǎn)品出現(xiàn)晶粒粗大外，其余未發(fā)現(xiàn)有害缺陷。

3.4 熱處理工藝

為了確保熱處理時三通各部位的溫度均勻，熱處理時應(yīng)控制裝爐溫度；控制升溫速度；控制中間保溫溫度及保溫時間。為了確保爐膛溫度與產(chǎn)品溫度一致，在熱處理時給產(chǎn)品最小和最大截面處分別固定熱電偶。在淬火冷卻時，為了確保工件各部位冷卻均勻，淬火時開啟油循環(huán)并竄動產(chǎn)品，以打破淬火初期的蒸汽膜，避免因大量蒸汽膜而導(dǎo)致產(chǎn)品局部軟點(diǎn)，使其硬度不合格。淬火時應(yīng)盡快達(dá)到對流階段，使產(chǎn)品淬火冷卻均勻。熱處理工藝見圖3。

4 試制結(jié)果及分析

4.1 化學(xué)成分見表3。

由表3可見，三通鍛件的實(shí)際成分符合技術(shù)要求，也符合內(nèi)控的成分要求。影響力學(xué)性能的C、Cr等主要元素，以及影響J因子的Si、Mn、P、Sn等元素均得到了有效的控制，為最終熱處理獲得良好的綜合力學(xué)性能奠定了基礎(chǔ)。

4.2 力學(xué)性能試驗結(jié)果見表4。

圖3 三通鍛件熱處理工藝Figure 3 Tee forgings heat treatment process

表3 三通鍛件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 The chemical composition requirements of tee forgings (mass fraction, %)

表4 三通鍛件調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能Table 4 The tee forgings mechanics performance after quenching and tempering treatment

以上結(jié)果表明力學(xué)性能完全符合技術(shù)條件要求，但003號產(chǎn)品晶粒粗大影響探傷效果，需重新熱處理消除粗晶。

4.3 重新熱處理

重新熱處理時不僅要適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù)，也要對淬火介質(zhì)有所調(diào)整，即采用水淬油冷的方式淬火，充分利用水冷時較強(qiáng)的冷卻能力細(xì)化晶粒。調(diào)整工藝重新熱處理后力學(xué)性能、超聲波探傷均符合技術(shù)要求。

4.4 分析及改進(jìn)

從以上試制結(jié)果可以看出，試制件的力學(xué)性能完全達(dá)到技術(shù)要求， 003號產(chǎn)品出現(xiàn)晶粒粗大的主要原因是：該產(chǎn)品是截面最大的Y型三通，雖然總鍛造比符合要求，但其心部仍可能出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象；同時在淬火冷卻時，其心部冷卻較慢，也可能出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象。因此，鍛造時在滿足鍛造比的前提條件下要盡量減少鍛造火次，尤其要控制最后一火的變形量，采取少火次、大變形量改善心部組織結(jié)構(gòu)；調(diào)質(zhì)時采用冷卻能力較強(qiáng)的淬火介質(zhì)進(jìn)行淬火，可以起到細(xì)化晶粒的作用。

5 結(jié)論

(1)合理的化學(xué)成分配比是獲得較高綜合力學(xué)性能的關(guān)鍵。

(2)嚴(yán)格控制鍛造火次和變形量，合理選擇鍛后熱處理工藝參數(shù)，可以均勻組織，避免鍛件晶粒粗大，為后續(xù)熱處理做好組織準(zhǔn)備。

(3)大型鍛件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后也會出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象，可通過水淬油冷的淬火方式或采用兩次淬火的方式進(jìn)行改善，并獲得良好的綜合力學(xué)性能。