核電用40NCD 7.03材質大螺栓熱處理工藝

馬曉兵 林春生 熊 彥 劉國平 王國棟

(武漢重工鑄鍛有限責任公司，湖北430084)

核電站用大螺栓不僅要求具有很高的屈服和抗拉強度，而且還要具有很高的低溫沖擊性能。核電大螺栓在熱處理過程中的主要難點是淬透性差。大螺栓材質為40NCD7.03，相當于JB/ZQ 4288—1986中的40CrNiMo。

1 大螺栓的技術條件

大螺栓的粗加工圖見圖1。大螺栓的化學成分要求值見表1。大螺栓的力學性能要求見表2。力學性能試樣取樣要求是：同爐號同爐調質后取2件(其中1件為本體硬度最高，1件為本體硬度最低)做縱向試驗(1/2半徑處取樣)。

圖1 大螺栓粗加工圖Figure 1 The rough machining sketch of the big bolts

表1 化學成分要求值(質量分數，%)Table 1 The desired value of chemical composition (mass fraction，%)

表2 力學性能要求值Table 2 The desired value of mechanical property

2 大螺栓常規熱處理工藝及力學性能

2.1 成分調整

為了提供好的熱處理基體，煉鋼時應從以下三個方面進行控制：(1)C控制在中下限，既可提高材料的塑韌性又可減少淬裂傾向。(2)合金元素控制在上限，可增加材料的淬透性和提高塑韌性。(3)盡量減少有害殘留元素P、S的含量，保證純凈度。爐號為104-1271鋼錠的化學成分見表3。

2.2 大螺栓常規工藝熱處理

表3 化學成分實測值(質量分數，%)Table 3 The measured value of chemical composition (mass fraction，%)

大螺栓常規工藝熱處理見圖2。其主要參數的確定原則是：

(1)850±10℃保溫2 h。根據鋼的淬火加熱溫度表查得，淬火溫度為840～860℃。

(2)根據Ms點經驗公式，可得到爐號為104-1271的Ms=328℃。查類似直徑鋼件水冷冷卻曲線，要想得到馬氏體需水冷8 min。

(3)250～300℃保溫2 h。根據40NCD7.03鋼的過冷奧氏體轉變圖，在該溫度保溫，可使殘留奧氏體向馬氏體轉變，同時，也可以減少熱應力。

(4)40NCD7.03鋼具有回火脆性，因此，回火后油冷可以避免回火脆性。

2.3 大螺栓常規工藝熱處理后力學性能

大螺栓常規工藝熱處理后力學性能見表4。由表4可知，該批大螺栓經常規熱處理后，其屈服和抗拉強度、延伸率都滿足技術要求，但低溫沖擊性能不能滿足技術要求。我們對其金相組織和晶粒度進行了分析，組織為回火索氏體+貝氏體，晶粒度為5級。該批大螺栓抗拉強度富裕量不多，通過補充回火很難使低溫沖擊性能滿足技術要求。只能通過重新高溫熱處理，使其熱處理后組織為索氏體，晶粒度大于5級，才能使低溫沖擊性能滿足技術要求。

3 改進后熱處理工藝及力學性能

改進后的熱處理工藝見圖3。該工藝主要參數的確定原則是：

(1)在調質工藝前加了一道正火工藝，目的是改善組織，細化晶粒，為降溫淬火組織均勻性做好準備。

(2)780±10℃保溫1 h。根據經驗公式得出，Ac3=740℃，故降溫淬火溫度選擇為780±10℃。采用降溫淬火主要有以下兩個方面的目的：提高Ms，增加淬透性；減少工件與淬火介質的溫差，從而減小熱應力，降低變形開裂的風險。

(3)延長水淬時間是為了盡可能提高淬火冷卻速度，避免先析相的產生。在低溫階段采用油冷，可以降低馬氏體轉變區的冷速，減小組織應力。但是水淬的時間要嚴格控制，因為該合金正偏析區的碳含量(質量分數)C≥0.32%～0.36%，屬于可水淬區域，但要特別小心。

圖2 常規熱處理工藝Figure 2 The conventional heat treatment process

圖3 改進后的熱處理工藝Figure 3 The improved heat treatment process

表4 大螺栓力學性能Table 4 The mechanical property of the Piston Rod

表5 改進熱處理工藝后的力學性能Table 5 The mechanical property after the new heat treatment process

(4)530±10℃保溫10 h。常規熱處理后大螺栓的屈服和抗拉強度都有富裕量，故改進工藝后的回火溫度選擇要比常規熱處理后的回火溫度高，以提高沖擊韌性。

改進熱處理工藝后的力學性能結果見表5。由表5可以看出，大螺栓采用改進工藝熱處理后，其沖擊性能有大幅度的提高，各項指標都滿足了技術要求。我們對其進行了金相組織和晶粒度分析，組織為回火索氏體，晶粒度為6級。

4 分析與討論

40NCD7.03大螺栓采用改進工藝熱處理后，其沖擊性能得到了很大的提高，主要有以下兩個方面的原因：

(1)大螺栓采用改進工藝熱處理后，其組織為回火索氏體； 回火索氏體的綜合力學性能優于索氏體+貝氏體。

(2)大螺栓采用改進工藝熱處理后，其晶粒度為6級；不僅提高了抗拉強度，還可以提高沖擊性能。

(3)改進的新工藝還可以避免淬火裂紋。

[1] 雷廷權等，金屬熱處理工藝方法500種.北京：機械工業出版社，1998.10.

[2] 蘇東升等，鋼的過冷奧氏體轉變曲線.本溪鋼鐵公司第一煉鋼廠，1979.10.

[3] 康大韜等，大型鍛件材料及熱處理.北京：龍門書局，1998.

[4] 大鍛件熱處理.北京:機械工業出版社，1974.10.