核反應(yīng)堆用大尺寸直角彎管鍛件的性能熱處理工藝路線研究

◎李少飛 任利國(guó)

使用大尺寸直角彎管鍛件粗加工余料開展了熱處理參數(shù)試驗(yàn)，分析研究了不同淬火方案對(duì)試驗(yàn)用16MND5材料力學(xué)性能及金相組織的影響。結(jié)果表明在常規(guī)的淬火和回火之間增加一次亞溫淬火，可進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)材料的組織形態(tài)，有效提高材料的沖擊韌性，進(jìn)而確定了直角彎鍛件的性能熱處理工藝路線。

我公司承制了國(guó)內(nèi)某型號(hào)反應(yīng)堆RPV產(chǎn)品，采用一體化緊湊式設(shè)計(jì)，該堆型RPV包含一種直角彎管鍛件，其熱處理厚度超過(guò)270mm，且輪廓尺寸復(fù)雜，屬于厚截面異形鍛件。該項(xiàng)目要求對(duì)首件產(chǎn)品進(jìn)行解剖評(píng)定，鍛件水、冒口側(cè)及內(nèi)外拐角處均需內(nèi)外1/4壁厚和壁厚中心位置全部取樣檢驗(yàn)，性能合格難度較大。

核反應(yīng)堆RPV作為核一級(jí)設(shè)備，為保證其在長(zhǎng)時(shí)間的中子輻照情況下仍能正常服役，對(duì)其性能提出了非常嚴(yán)格的要求。為了獲得鍛件優(yōu)異的綜合性能，前人做了大量的研究工作，涌現(xiàn)出關(guān)于化學(xué)元素、冷速、淬透性等影響因素的大量研究成果。隨著鍛件壁厚的增加，由于材料自身的導(dǎo)熱限制，導(dǎo)致無(wú)論如何提升淬火設(shè)備的冷卻能力，鍛件的性能取樣位置處的冷卻速度都無(wú)法實(shí)現(xiàn)明顯提升，采用常規(guī)的熱處理工藝方案保證力學(xué)性能合格難度極大。

亞溫淬火，又稱臨界區(qū)淬火或者兩相區(qū)淬火，是指將具有平衡態(tài)或非平衡態(tài)原始組織的亞共析鋼加熱到鐵素體與奧氏體雙相區(qū)的一定溫度區(qū)間（AC1~AC3）保溫一定時(shí)間后淬火的熱處理工藝。亞溫淬火工藝能夠得到超細(xì)化復(fù)合組織，可在不明顯降低材料強(qiáng)度的條件下顯著提高材料的韌性。研究表明，采取亞溫淬火是提高工程用鋼強(qiáng)韌性特別是提高落錘性能的有效方法。

本文以此大尺寸直角彎管鍛件原位試料為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室熱處理模擬實(shí)驗(yàn)，研究制定了鍛件的最優(yōu)性能熱處理工藝路線。

一、試驗(yàn)材料的選擇

本項(xiàng)目直角彎管材質(zhì)為16MND5，對(duì)應(yīng)我國(guó)牌號(hào)19MnNiMo，為低碳低合金鋼。試驗(yàn)材料為直角彎管完成鍛造成形及鍛后熱處理后的粗加工余料，其化學(xué)成分見表1。

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二、試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

1.熱處理工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)。為保證鍛件一次檢驗(yàn)合格，需研究制定鍛件最優(yōu)的熱處理工藝參數(shù)。熱處理參數(shù)方案涵蓋了常規(guī)淬火+回火及淬火+亞溫淬火+回火兩種類型的熱處理工藝參數(shù)路線，具體工藝見圖1所示。

圖1不同工藝參數(shù)熱處理工藝圖

經(jīng)過(guò)不同工藝參數(shù)熱處理后的試樣毛坯，全部進(jìn)行了615℃*24H的模擬焊后熱處理。

2.性能檢驗(yàn)。將經(jīng)熱處理后的坯料分別加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸和沖擊試樣，按照產(chǎn)品技術(shù)文件規(guī)定進(jìn)行了拉伸和低溫沖擊試驗(yàn)，不同工藝參數(shù)熱處理后試樣測(cè)試的力學(xué)性能結(jié)果如圖2所示。

圖2不同參數(shù)熱處理工藝的力學(xué)性能結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，試驗(yàn)鋼經(jīng)歷不同溫度的淬火和回火后，得到不同的力學(xué)性能結(jié)果。單獨(dú)采用常規(guī)淬火時(shí)，提高淬火溫度將導(dǎo)致韌性的降低，而且沖擊吸收能量均較低。試驗(yàn)材料在常規(guī)淬火后再進(jìn)行亞溫淬火時(shí)，沖擊吸收能量得到了大幅提高，且隨著亞溫淬火溫度的升高，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，同時(shí)強(qiáng)度逐漸升高。

綜合對(duì)比檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，可看出，試驗(yàn)材料在910℃常規(guī)淬火+745℃亞溫淬火+640℃回火時(shí)可獲得最好的強(qiáng)韌性配合。參照其他鍛件的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及工藝制定原則，可確定此大尺寸直角彎管鍛件的性能熱處理工藝路線為淬火+亞溫淬火+回火，可最大程度發(fā)掘鍛件材料的性能潛力，獲得最佳的強(qiáng)韌性。

3.分析。為了進(jìn)一步驗(yàn)證和研究亞溫淬火改進(jìn)試驗(yàn)材料韌性的機(jī)理，本文對(duì)常規(guī)淬火和亞溫淬火的試樣分別進(jìn)行了金相分析。正常調(diào)質(zhì)條件下，試驗(yàn)材料的組織為上貝氏體，碳化物分布于晶界以及上貝氏體鐵素體條束之間，碳化物存在特征為條狀和團(tuán)狀。經(jīng)過(guò)完全奧氏體化加亞溫淬火處理后的組織為上貝氏體和粒狀貝氏體及少量的鐵素體，碳化物細(xì)小彌散。

分析認(rèn)為，通過(guò)在奧氏體-鐵素體兩相區(qū)淬火，增加了碳和合金元素在各相中的不均勻性，先形成的奧氏體中C和Mn的含量高于平均成分，使淬火時(shí)得到馬氏體（或下貝氏體）和貝氏體的雙相組織，增加總的界面面積，提高裂紋擴(kuò)展阻力，從而顯著提高了韌性。

由于亞溫淬火溫度處于兩相區(qū)，在奧氏體化過(guò)程中未溶鐵素體以細(xì)小的針狀或顆粒狀彌散分布，阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，從一定程度上細(xì)化了奧氏體晶粒。晶粒細(xì)化后，單個(gè)晶粒體積減小，表面積與體積的比值升高，使單位面積上有害雜質(zhì)的含量降低，有效減少了有害雜質(zhì)元素的偏聚，可起到凈化晶界、降低缺口敏感性和晶界脆性的作用。

三、結(jié)論

1.本文試驗(yàn)材料在910℃常規(guī)淬火+745℃亞溫淬火+640℃回火時(shí)可獲得最佳的強(qiáng)韌性配合，可確定此大尺寸直角彎管鍛件采用淬火+亞溫淬火+回火形式的性能熱處理工藝路線；

2.在常規(guī)的淬火和回火之間增加一次亞溫淬火，可進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)材料的組織形態(tài)，獲得細(xì)小彌散的碳化物，有效提高材料的沖擊韌性。

3.試驗(yàn)材料在實(shí)際大鍛件制造中，當(dāng)淬火冷速難以明顯提升，或者韌性指標(biāo)要求較高時(shí)，可利用亞溫淬火來(lái)獲得顯著改善韌性指標(biāo)的效果。