壓力容器14Cr1MoR封頭熱處理工藝及性能試驗(yàn)研究

邵光輝 王立躍 劉智勇

(1.合肥通用機(jī)械研究院；2.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系；3.中石化洛陽工程有限公司)

14Cr1MoR鋼不僅具有很高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，較好的韌性和彎曲性能，還具有較高的抗氫性能，綜合性能優(yōu)異，因而在石油化工、核電、汽輪機(jī)缸體及火電等高溫高壓、與氫或氫混合介質(zhì)接觸的設(shè)備中廣泛使用。但這種材料對熱處理工藝的要求比較高，材料本身成型時或者由其焊制的設(shè)備往往都需要做熱處理，合適的熱處理工藝能顯著地增強(qiáng)其性能，反之則起不到什么作用，甚至?xí)夯湫阅?。因此根?jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，探索合適的熱處理工藝就顯得尤為重要。某廠生產(chǎn)的壓力容器14Cr1MoR封頭因采用的熱處理工藝不當(dāng)，導(dǎo)致力學(xué)性能不合格，后經(jīng)分析，對熱處理工藝進(jìn)行了改進(jìn)，獲得了性能合格的熱處理試板。筆者希望通過對上述問題的分析、研究解決工業(yè)生產(chǎn)中的類似問題。

1 研究材料與方法

封頭材料14Cr1MoR，厚20mm，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》，其化學(xué)成分見表1，試板的抗拉強(qiáng)度Rm為520～680MPa，V型沖擊功Akv≥54J(-18℃，標(biāo)準(zhǔn)試樣：10mm×10mm×55mm)。

表1 試板化學(xué)成分 %

制造廠采用的首次熱處理為空冷正火，具體方案為正火溫度930℃×1.5h后出爐冷卻，該方法是14Cr1MoR鋼板制作、加工中常用的熱處理工藝，但令人意外的是采用上述工藝得到的封頭熱處理試板抗拉強(qiáng)度(480～500MPa)和沖擊功均不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，特別是沖擊功數(shù)值很低(10～25J)，韌性較差。

分析認(rèn)為，此時正值夏季，車間內(nèi)溫度在30℃以上，加之板材的厚度達(dá)20mm，屬于中厚板，空冷的冷卻速度會比較慢，可能對組織的轉(zhuǎn)變和形成產(chǎn)生不良影響，從而影響了試板的力學(xué)性能?；诖?，筆者對熱處理工藝進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，制定了兩種熱處理工藝：

a. 正火溫度930℃，保溫1.5h后風(fēng)冷；

b. 正火溫度930℃，保溫1.5h后噴淋冷卻(介質(zhì)為水)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1力學(xué)性能分析

首次熱處理、熱處理a和熱處理b這3種工藝下所得試板的抗拉強(qiáng)度Rm和沖擊功Akv(-18℃)數(shù)值見表2、3。

表2 不同熱處理工藝下試板Rm MPa

表3 不同熱處理工藝下試板Akv J

由表2可以看出，熱處理工藝a、b下的試板Rm均高于首次熱處理工藝下的，說明這兩種工藝均使試板抗拉強(qiáng)度得到了提高。工藝a、b下的Rm數(shù)值均在設(shè)計(jì)要求(520～680 MPa)范圍內(nèi)。熱處理工藝b下的Rm值最高，無論單個數(shù)值還是均值都在工藝a之上。

由表3可以看出，熱處理工藝a、b下的Akv均高于首次熱處理工藝下的，說明該兩種工藝均使試板沖擊韌性得到了提高，但工藝a下的Akv值為24、27、31J，與設(shè)計(jì)要求的54J仍有較大差距，不合格。工藝b下的Akv值為137、146、163J，高于設(shè)計(jì)要求的54J，合格。

綜上所述，相對于首次熱處理，熱處理工藝a、b均使試板的抗拉強(qiáng)度和沖擊功得到了提高，這說明熱處理工藝得到了改進(jìn)；工藝a下，試板Rm值已能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但其Akv數(shù)值仍較小，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，沖擊韌性仍不好；工藝b下，試板Rm、Akv數(shù)值較高，無論單個數(shù)值還是均值都是最高的，且能滿足設(shè)計(jì)要求，特別是沖擊功值已遠(yuǎn)在設(shè)計(jì)之上，沖擊韌性得到了質(zhì)的提升，工藝b最優(yōu)，采用此工藝可以獲得力學(xué)性能合格的封頭熱處理試板。

2.2硬度分析

首次熱處理和熱處理工藝b下的布氏硬度如圖1所示?？梢钥闯?，首次熱處理下試板各檢測點(diǎn)的硬度值差別很大，且不連續(xù)，其范圍在110～200HB，硬度分布極其不均；工藝b下的試板硬度值在170～185HB之間，各檢測點(diǎn)硬度值相差不大，硬度分布比較均勻。分析認(rèn)為，首次熱處理下試板各檢測點(diǎn)的硬度值之所以相差很大，應(yīng)是其顯微組織各異，分布極為不均所致；熱處理工藝b下的試板硬度分布比較均勻、連續(xù)，說明其顯微組織分布較為均勻。

圖1 不同熱處理工藝下試板硬度

2.3顯微組織分析

首次熱處理和熱處理工藝b下的試板金相照片如圖2所示(腐蝕劑：4%硝酸酒精)。

從圖2的金相照片中可看出，首次熱處理和熱處理工藝b下，試板的組織均分為白色和灰黑色兩種，顯微硬度分析表明白色組織的硬度在85～114HV之間，應(yīng)為鐵素體(F)，灰黑色組織的硬度在185～205HV，應(yīng)是珠光體(P)，故首次熱處理和熱處理工藝b下試板的金相組織為F+P。

從圖2還可看出，在相同的放大倍數(shù)下，首次熱處理試板的組織相對粗大，且分布不均勻、不連續(xù)，鐵素體和珠光體各自成團(tuán)析出，F(xiàn)與F之間相互隔離，其晶界上布滿P，這種組織特點(diǎn)導(dǎo)致硬度分布不均，抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性較差。工藝b下，試板組織非常細(xì)密，F(xiàn)和P分布均勻、連續(xù)，故其硬度分布均勻，綜合力學(xué)性能更好，具有很高的抗拉強(qiáng)度和抗沖擊能力。

圖2 不同熱處理工藝下的試板金相照片

3 結(jié)論

3.1在夏季高溫天氣下，采用通常的空冷正火工藝已不能保證14Cr1MoR中厚板封頭的力學(xué)性能，在這種工藝下，熱處理試板各處硬度值差別很大，組織分布不均且較粗大，鐵素體和珠光體各自成團(tuán)析出，鐵素體組織被分割，其晶界上布滿P，這種組織結(jié)構(gòu)造成試板力學(xué)性能特別是沖擊韌性較差。

3.2采用風(fēng)冷和噴水的冷卻方式可以提高板材的冷卻速度，增強(qiáng)熱處理試板的抗拉強(qiáng)度和沖擊功，實(shí)現(xiàn)熱處理工藝的改進(jìn)。風(fēng)冷所獲得的試板抗拉強(qiáng)度合格，但沖擊韌性提高有限，沖擊韌性仍較差。

3.3采用噴水冷卻所得到的熱處理試板各處硬度均一，鐵素體、珠光體組織較細(xì)且分布均勻，其抗拉強(qiáng)度和沖擊功均能滿足設(shè)計(jì)要求，特別是沖擊功已遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，試板綜合力學(xué)性能得到了質(zhì)的提升。該工藝可以保證高溫天氣下中厚板封頭的制造質(zhì)量，對于實(shí)際生產(chǎn)工作具有重要意義。