核反應(yīng)堆壓力容器主螺栓熱處理工藝

李亞菲， 王玉紅， 李家駒

反應(yīng)堆壓力容器是反應(yīng)堆一回路冷卻劑系統(tǒng)的重要承壓邊界， 是整個核電站的核心設(shè)備。 主螺栓是壓力容器設(shè)備中容器法蘭和頂蓋的連接緊固件， 對避免核放射性物質(zhì)外逸， 保障壓力容器正常工作起著重要作用[1～2]。 核反應(yīng)堆壓力容器主螺栓不僅要具有高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度， 而且要有很高的的塑性和沖擊韌性。 為了獲得高強(qiáng)度和高塑韌性匹配的綜合力學(xué)性能， 本文設(shè)計了多種熱處理方案， 對試料進(jìn)行模擬熱處理。 在熱處理后對試料進(jìn)行拉伸和沖擊試驗， 通過對檢測結(jié)果對比分析， 確定合理的熱處理工藝。 經(jīng)過主螺栓產(chǎn)品實踐證明該熱處理工藝行之有效。

1 性能要求與難點

（1） 材料與力學(xué)性能要求

反應(yīng)堆壓力容器主螺栓鍛件材質(zhì)是40NCDV7-03（ 見 表1， 表2） 。 性 能 熱 處 理 的 試 樣 尺 寸 為?210 mm×2 200 mm。 性能檢驗取樣方式為D×D/4（距端面距離為D， 距外圓距離為D/4， D 為試樣直徑）。

表1 化學(xué)成分 （wt.%）

表2 力學(xué)性能要求

*每組三個試樣中只允許一個試樣的試驗結(jié)果低于規(guī)定的最小平均值。

（2） 熱處理難點

40NCDV7-03 為典型的中碳低合金超高強(qiáng)度鋼， 常規(guī)熱處理工藝較容易獲得較高的強(qiáng)度指標(biāo)，但難以同時得到較高的塑韌性。

2 熱處理模擬

（1） 熱處理工藝方案

提高鋼的純凈度， 降低鋼中夾雜物、 氣體及有害雜質(zhì)元素的含量， 有利于提高鋼的塑韌性[3]，為此采取電渣重熔的冶煉方式。

本文設(shè)計8 種主螺栓熱處理工藝方案（ 見表3） ， 主要考慮淬火溫度， 淬火冷卻方式、 回火溫度、 回火次數(shù)及回火冷卻方式對力學(xué)性能的影響。試驗所用的試料取自經(jīng)過預(yù)備熱處理的產(chǎn)品鍛件，而后按照表中的熱處理工藝在熱處理模擬爐中進(jìn)行熱處理。

（2） 試驗結(jié)果

將經(jīng)過模擬熱處理的試料進(jìn)行拉伸試驗和夏比V 形缺口試驗。 為避免試驗數(shù)據(jù)的偶然性， 每個方案均采用兩組試樣進(jìn)行性能檢驗（見表4）。

（3） 試驗結(jié)果分析

為了便于分析， 將各方案的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、 延伸率和斷面收縮率， 以及20 ℃和0 ℃沖擊功結(jié)果繪制成圖（見圖1～圖3）。

表3 主螺栓熱處理工藝方案

表4 實測性能結(jié)果

圖1 各方案屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度實測值

圖2 各方案延伸率和斷面收縮率實測值

圖3 各方案20 ℃和0 ℃實測沖擊功平均值

方案1 采用850 ℃水淬， 610 ℃一次回火后空冷， 鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較高， 其中一個試樣的抗拉強(qiáng)度已超出要求上限， 但延伸率和斷面收縮率則剛滿足要求， 而0 ℃和20 ℃沖擊功均不合格。將回火溫度提高至620 ℃后， 不論回火空冷還是油冷（ 方案2 和方案3） ， 強(qiáng)度指標(biāo)均出現(xiàn)陡降， 抗拉強(qiáng)度剛滿足要求， 屈服強(qiáng)度剛滿足或低于要求。但與此同時， 塑韌性指標(biāo)上升非常明顯， 均能滿足要求。 可見材料對回火溫度非常敏感， 然而單靠調(diào)整回火溫度難以達(dá)到性能要求。

與一次回火的方案1 相比經(jīng)過兩次回火的方案4 處理的試料強(qiáng)度指標(biāo)有所下降， 延伸率及斷面收縮率和沖擊韌性有所提高， 其中20 ℃沖擊功明顯提高， 已能滿足要求， 但富裕量較小。 可見增加一次回火雖然降低鋼的強(qiáng)度， 但能提高鋼的塑韌性。

與空冷回火的方案4 相比， 經(jīng)過方案5 油冷后試料冷卻回火的強(qiáng)度有所降低， 塑韌性均得到提高， 但20 ℃沖擊功單個值中多個不滿足要求（ 見表4） ， 0 ℃沖擊功雖滿足要求， 但是富裕量較小，僅比要求值高2J， 有不合格的風(fēng)險。 可以看出，油冷可以改善鋼的塑韌性。

與方案5 相比， 方案6 采用水淬油冷， 在不明顯降低強(qiáng)度的情況下， 試料的塑韌性均有所提高，性能實測值均滿足鍛件要求， 而且有較大富裕量?？梢?， 水淬油冷對提高鋼的塑韌性有益。

與方案6 相比， 回火溫度降至590 ℃的方案7使試料強(qiáng)度有所升高， 斷面收縮率有所降低， 但是延伸率和沖擊韌性急劇下降， 多項指標(biāo)不合格。

而與方案6 相比， 將淬火溫度提高至860 ℃的方案8 使試料強(qiáng)度稍有增加， 塑韌性有所降低， 0 ℃沖擊功無法滿足要求。 可見提高淬火溫度降低了鋼的塑韌性。

通過以上分析， 筆者最終確定方案6 為最佳方案。 通過本文實驗發(fā)現(xiàn)水淬油冷、 提高回火溫度、兩次回火、 回火油冷均可以提高鋼的塑韌性， 而回火溫度對塑韌性影響最大。

（4） 工程實踐

采用850 ℃水淬油冷， 610 ℃兩次回火后油冷熱處理后， 主螺栓產(chǎn)品各項力學(xué)性能檢驗結(jié)果均滿足鍛件采購技術(shù)條件要求。 對產(chǎn)品熱處理后的金相組織進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)其組織為回火索氏體（ 見圖4）。

另外， 由于主螺栓屬于細(xì)長軸類件， 熱處理后容易變形， 而采用水淬油冷的方式既能保證在奧氏體鼻尖溫度時有較高的冷速， 而又不至于在較低溫度下產(chǎn)生過大的淬火應(yīng)力， 從而降低主螺栓淬火變形和開裂的風(fēng)險[5]。 因此， 主螺栓產(chǎn)品采用水淬油冷的淬火冷卻方式， 有效控制了熱處理變形量。

圖4 主螺栓產(chǎn)品熱處理后金相組織(200×)

3 結(jié) 語

（1） 本文的模擬熱處理結(jié)果表明40NCDV7-03鋼采用850 ℃水淬油冷， 以及610 ℃兩次回火后油冷的熱處理工藝可以獲得高強(qiáng)度和高強(qiáng)韌性相匹配的綜合力學(xué)性能。

（2） 水淬油冷、 提高回火溫度、 兩次回火、 回火油冷均可以提高鋼的塑韌性。

（3） 生產(chǎn)實踐證明， 采用本文確定的最優(yōu)熱處理工藝后， 主螺栓產(chǎn)品的金相組織為回火索氏體。