核電主設(shè)備支承件用12MDV6鑄鋼成分及熱處理工藝對性能的影響

尤申申，于海華

（1.國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 201100；2.上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 201100）

12MDV6鋼為法國RCC-M M5180標準材質(zhì)，是一種Mn-Mo-V合金鋼，因具有良好的耐沖擊、擠壓性能，被用于制造蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆冷卻劑泵支承件以及主蒸汽管路支承件的夾板、U形卡和卡箍。目前大多數(shù)研究者均從冶煉工藝及澆注條件討論對12MDV6鋼材質(zhì)支承件性能的影響[1-4]，而支承件在實際生產(chǎn)過程中仍然出現(xiàn)大量性能不合格現(xiàn)象，本文從熱處理及材料成分方面討論對12MDV6鋼材質(zhì)支承件性能的影響。

1 12MDV6鋼材質(zhì)支承件產(chǎn)品

核電主設(shè)備支承件包括上支座、下支座、叉形座、U型座等。支承件的主要作用包括支承主設(shè)備及附屬設(shè)備重量，保證標高及水平度；限制主設(shè)備在溫度壓力變化下的位移；在事故狀態(tài)下可承受劇烈載荷，保證主設(shè)備的穩(wěn)定性[5]。

核電主設(shè)備支承件工件厚度較厚，最大處達到200 mm。支承件為鑄件，冶煉后需澆鑄隨爐試塊代表產(chǎn)品取樣檢測性能。RCC-M M5180標準中，對支承件12MDV6鑄鋼成分及力學(xué)性能的要求見表1、表2[6]。

表1 12MDV6鑄鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）[6]Table 1 Chemical composition of the 12MDV6 cast steel（mass fraction，%）[6]

表2 12MDV6鑄鋼的性能要求[6]Table 2 Performance requirements of the 12MDV6 cast steel[6]

2 試驗過程

某公司生產(chǎn)一批主泵及蒸汽發(fā)生器支承件，冶煉工藝為電弧爐+AOD冶煉，澆鑄系統(tǒng)采用開放式、平衡布置、底注法進行澆鑄，采用漏底鋼包一次澆鑄完成，每批鑄件同時澆鑄3個試塊，試塊尺寸200 mm×400 mm×400 mm。不同批次試塊的主要熔煉成分見表3。

表3 不同批次試塊的熔煉成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 3 Smelting composition of different batches of the tested block（mass fraction，%）

對試塊進行熱處理，熱處理工藝見圖1，12個批次的所有試塊（每批3個，共36個）同爐淬火，淬火完成后，每個批次的3個試塊分別進行不同溫度的回火，回火溫度選取660、690及720℃。相同回火溫度的12個試塊同爐熱處理。熱處理使用燃氣爐進行，吊裝方式為料盤，附一支本體熱電偶在爐中心位置處試塊上，保溫時間及溫度以本體熱電偶為準。

圖1 熱處理工藝流程Fig.1 Flow chart of heat treatment process

熱處理后對所有試塊進行拉伸取樣，取樣位置距離試塊表面50 mm，拉伸試樣標距50 mm，直徑φ10 mm，取樣后用CMT5205型電子萬能試驗機進行拉伸試驗。選取690℃回火工藝的12個試塊及部分720℃回火后試塊進行0℃沖擊試驗。每個試塊取3個沖擊試樣，取樣位置距離表面50 mm，試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm，按照RCC-M MC1221要求加工V型缺口，使用CDW-100型沖擊試驗低溫槽控制試樣溫度后，在ZBC2302-C型擺錘式?jīng)_擊試驗機進行沖擊試驗。對沖擊不合格的試塊補充金相及成分檢測試驗，金相試樣及成分試樣均在沖擊試樣旁并排取樣。金相試塊尺寸25 mm×25 mm×25 mm，使用4%（體積分數(shù)）硝酸酒精溶液腐蝕后用BX51M型金相檢測儀進行金相檢測。成分檢測試樣尺寸20 mm×20 mm×30 mm，使用ARL4460直讀光譜儀及TCH600C型ONH聯(lián)測儀進行成分分析。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 拉伸試驗

常溫拉伸結(jié)果見表4，圖2為回火溫度對屈服強度、抗拉強度及伸長率的影響。從圖2中可看出，回火溫度對拉伸性能影響較大。試塊1～12批次經(jīng)660、690及720℃回火后，抗拉強度及屈服強度隨著回火溫度的升高而降低，伸長率隨著回火溫度的升高而升高。660℃回火后的試塊強度最高，但伸長率較差，均低于要求值18%。720℃回火后試塊有較好的伸長率，但屈服強度較低，部分試塊接近甚至低于要求值400 MPa。690℃回火后試塊強度和伸長率均符合要求且有較好的富裕量，是支承件適合的回火溫度。

表4 不同溫度回火后試塊的常溫拉伸性能Table 4 Tensile properties at room temperature of the tested block after tempering at different temperatures

圖2 回火溫度對試樣屈服強度（a）、拉伸強度（b）和伸長率（c）的影響Fig.2 Effect of tempering temperature on yield strength（a），tensile strength（b）and elongation（c）of the specimens

因核電主設(shè)備支承件厚度較大，達到200 mm。厚度較大時，淬透性就會影響拉伸結(jié)果。試驗中試塊為同爐熱處理，同時水冷，淬火工藝相同，實際冷卻效果相同，但試塊中碳含量及合金元素略有差異，造成試塊的淬透性也有差異。淬透性主要取決于臨界冷卻速度的大小，而臨界冷卻速度實質(zhì)上是奧氏體穩(wěn)定性的表現(xiàn)[7]。碳含量及合金元素是影響奧氏穩(wěn)定性的重要因素。各元素綜合影響奧氏體穩(wěn)定性的定量參數(shù)稱為合金化當(dāng)量（M），目前使用最廣泛的合金化當(dāng)量計算公式見公式（1）[8-9]：式中：各元素符號代表鋼中該元素的質(zhì)量分數(shù)，如碳質(zhì)量分數(shù)為0.124%，式中代入值為0.124。不同批次合金當(dāng)量見表3。

圖3為690℃回火后，不同碳含量及合金當(dāng)量對試樣拉伸性能的影響。從圖3中可看出，整體上試塊強度隨著碳含量及合金當(dāng)量升高而升高，碳含量的增加會降低伸長率，合金當(dāng)量對伸長率的影響無明顯規(guī)律。不同成分的試塊淬火冷卻時，碳含量及合金當(dāng)量高的試塊臨界冷卻速度低，淬透性好，因此熱處理后強度較高。合金當(dāng)量對伸長率無明顯影響，可能是因12MDV6鋼作為低合金鋼，合金含量較少，約2%，另外鋼中合金元素主要是Mn、Mo、V，均為提高強度元素，因此在含量較少時對伸長率的影響并不明顯。

圖3 碳含量（a～c）和合金當(dāng)量（d～f）對690℃回火試樣拉伸性能的影響Fig.3 Effects of carbon content（a-c）and alloy equivalent（d-f）on tensile properties of the specimens tempered at 690℃

3.2 沖擊試驗

對1～12批次經(jīng)690℃回火的試塊進行0℃沖擊試驗，結(jié)果見表5。從表5中可看出，部分試塊沖擊吸收能量低于要求值，且沖擊結(jié)果波動較大。

表5 試塊經(jīng)690℃回火后的0℃沖擊吸收能量（J）Table 5 Impact absorbed energy at 0℃of the tested block tempered at 690℃（J）

提高回火溫度理論上可以提高材料韌性，因此選取沖擊不合格的7、9及10批次，經(jīng)720℃回火后進行0℃沖擊試驗，試驗結(jié)果見圖4。從圖4中可看出，回火溫度提高至720℃后，0℃沖擊吸收能量略有提升，但是仍然低于要求值。因此對沖擊不合格試樣，提高熱處理回火溫度對沖擊性能提升效果不明顯。

圖4 7批次、9批次和10批次試樣經(jīng)不同溫度回火后的0℃平均沖擊吸收能量（a）和最小沖擊吸收能量（b）Fig.4 Average impact absorbed energy（a）and minimum impact absorbed energy（b）at 0℃of the 7 batch，9 batch and 10 batch specimens tempered at different temperatures

選取沖擊吸收能量最高的2批次試塊及最低的10批次試塊進行金相檢測，檢測結(jié)果見圖5。從圖5中可以看出，2批次及10批次試塊經(jīng)890℃淬火+690℃回火后的組織狀態(tài)均為貝氏體+回火索氏體，組織形態(tài)相差不大。因此組織狀態(tài)不是影響沖擊性能的主要原因。

圖5 2批次（a）和10批次（b）試樣690℃回火后的顯微組織Fig.5 Microstructure of the 2 batch（a）and 10 batch（b）tested specimens tempered at 690℃

通過對試塊熔煉成分和沖擊性能進行分析比較，各種熔煉成分元素含量對沖擊吸收能量均無明顯影響，除Al元素，圖6為沖擊吸收能量隨試樣中熔煉Al含量的變化曲線。從圖6中可看出，當(dāng)Al含量低于0.01%（質(zhì)量分數(shù)）時，沖擊吸收能量較高，波動值基本較小，隨著Al含量的升高，沖擊吸收能量呈現(xiàn)降低的趨勢。當(dāng)Al含量大約高于0.018%時，沖擊性能基本不符合要求。

圖6 690℃回火后沖擊吸收能量與試樣中熔煉Al含量的變化曲線Fig.6 Change curves of impact absorbed energy and smelting Al content in the specimen tempered at 690℃

選取690℃回火后沖擊吸收能量波動較大的5批次和11批次試塊，對其進行實際成分檢測，檢測結(jié)果見表6。圖7為熔煉成分及實際成分中Al含量和低溫沖擊性能的關(guān)系。從圖7中可看出，5批次、11批次試塊中Al含量偏差較大，存在明顯的成分宏觀偏析現(xiàn)象，較高的Al含量會明顯降低試樣的低溫沖擊性能，造成沖擊吸收能量波動較大。

表6 690℃回火后5批次和11批次沖擊試樣的實際成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 6 Actual composition of the 5 batch and 11 batch impact specimens tempered at 690℃（mass fraction，%）

圖7 690℃回火后5批次（a）和11批次（a）試樣的沖擊吸收能量與Al含量關(guān)系Fig.7 Relationship between impact absorbed energy and Al content of the 5 batch（a）and 11 batch（b）impact specimens tempered at 690℃

Al通常作為脫氧劑和晶粒細化劑在煉鋼時加入，脫氧后過量的鋁殘留于鋼中，一般與鋼中氮、氧形成化合物。經(jīng)研究表明[10]，過量的鋁形成的化合物對鋼的室溫拉伸性能和硬度無明顯影響，而對低溫沖擊性能有顯著影響。Al對鋼低溫沖擊的影響機理目前尚無定論，主要的理論包括奧氏體晶界處析出相，減弱晶界導(dǎo)致沖擊性能降低[11]和大尺寸游離態(tài)夾雜物導(dǎo)致沖擊性能降低[2，12]。前者認為過量的Al在晶界形成析出相減弱了晶界間的結(jié)合力，使晶界脆化，受到?jīng)_擊載荷時導(dǎo)致脆性斷口使沖擊性能降低。對于析出物多數(shù)認為是AlN。后者認為過量的Al在熔煉時形成大尺寸游離態(tài)的夾雜物，夾雜物存在大量的棱角，受到?jīng)_擊載荷時，在棱角和基體的交界處會出現(xiàn)應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋并沿基體擴展導(dǎo)致沖擊性能偏低。對于夾雜物大部分研究認為主要是Al2O3。

根據(jù)上述Al對鋼低溫沖擊性能的影響機理，無論是AlN類析出物或Al2O3類夾雜物，在冶煉過程中就已形成，AlN及Al2O3均具有較高的熔點，熔點均在2000℃以上，后續(xù)熱處理最高溫度一般不會超過1000℃，因此后續(xù)熱處理過程中AlN及Al2O3均無法溶解，導(dǎo)致熱處理工藝對低溫沖擊性能影響不明顯。因此，為獲得合格的沖擊性能，須在冶煉過程中嚴格控制Al含量，宜將Al含量控制在0.018%以下。

4 結(jié)論

1）熱處理回火溫度對核電主設(shè)備支承件拉伸性能影響較大，經(jīng)950℃淬火+690℃回火后可獲得良好的拉伸性能，屈服強度均值438.8 MPa，抗拉強度均值558 MPa，伸長率均值22.07%，相對于標準要求具有較好的富裕量。碳含量及合金當(dāng)量的增加整體上提高強度，合金當(dāng)量對伸長率無明顯影響。

2）核電主設(shè)備12MDV6材質(zhì)的支承件的Al含量應(yīng)控制在0.018%以下。較高的Al含量會降低沖擊性能。Al含量較高造成的沖擊性能不合格無法通過熱處理工藝改善。沖擊性能的波動較大主要是熔煉時Al成分宏觀偏析造成。