A335P92鋼熱壓成形工藝試驗(yàn)研究

魏驍，徐廣信，叢相州

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市，100070)

0 引言

A335P92(X10CrWMoVNb9－2)鋼是一種高溫9%Cr鋼［1］，因其含有 W、Nb、V 等合金元素，使其比常用的A335P91等鋼材具有更高的高溫持久強(qiáng)度和許用應(yīng)力［2］。對(duì)于蒸汽溫度為600～620℃，壓力為25～28 MPa的超超臨界機(jī)組，A335P91鋼材的許用應(yīng)力太低已經(jīng)不能滿足需求。用A335P92鋼代替目前電廠高溫、高壓管道中常用的A335P91鋼，可大大減小管道壁厚，使管系質(zhì)量下降，因此A335P92鋼必將在我國(guó)1 000MW機(jī)組的建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文通過試驗(yàn)，研究A335P92鋼的熱壓成形性能，以確定這種材料合理、可行的熱壓成形工藝。

1 A335P92鋼熱壓成形性能試驗(yàn)方案

要制成合格的A335P92鋼管件，必須制定合理的熱壓成形工藝，以保證A335P92鋼在熱壓成形過程中不產(chǎn)生裂紋等影響管件質(zhì)量的缺陷［3］。對(duì)于A335P92鋼，裂紋的產(chǎn)生除與抗拉伸變形能力有關(guān)外，還與其熱壓成形溫度、壓制后冷卻條件等有關(guān)。因此，本試驗(yàn)方案要考慮熱壓成形時(shí)的拉伸變形量、熱壓成形溫度和熱壓成形后的冷卻方式。

1.1 確定熱壓成形最大變形率

電廠使用的熱壓管件中熱壓彎頭、熱壓三通、熱壓封頭的拉伸變形量較大，取其中最大拉伸變形率作為本試驗(yàn)的條件［4-5］。

1.1.1 熱壓彎頭變形率的計(jì)算

按公式R=1.0D計(jì)算熱壓彎頭變形率［6］，式中R為彎頭彎曲半徑，mm;D為彎頭外徑，mm。熱壓彎頭的最大拉伸變形處是彎頭的背弧側(cè)，根據(jù)壓制工藝，彎頭下料角度α為30°，壓制后外弧弧長(zhǎng)較合適。熱壓彎頭下料長(zhǎng)度如圖1所示。

外弧側(cè)下料長(zhǎng)度為L(zhǎng)w，則有

式中:Lw為外弧側(cè)下料長(zhǎng)度，mm;L為中弧長(zhǎng)度，mm;D 為彎頭外徑，mm;α 為下料角度，(°)。

由于彎曲后中性層長(zhǎng)度L基本不變，則有

圖1 熱壓彎頭下料長(zhǎng)度示意圖Fig.1 Schematic diagram for cutting length of hot forming elbow

壓制成形后外弧弧長(zhǎng)為L(zhǎng)'，則有

則彎頭的最大拉伸變形率E為

由于下料時(shí)α取30°，所以E=9.7%。

1.1.2 熱壓三通變形率的計(jì)算

熱壓三通板料彎曲狀態(tài)示意見圖2。在熱壓三通成形過程中，最大拉伸變形發(fā)生在三通肩部圓角處，按照三通的設(shè)計(jì)，對(duì)于厚壁三通，其r≥t(r為三通肩部圓角的半徑，t為三通肩部圓角部位的壁厚)。

圖2 板料彎曲狀態(tài)圖Fig.2 State diagram of plate bending

其變形條件最大為r=t，根據(jù)文獻(xiàn)［3］，受彎曲部位外表層的延伸率為最大受拉部位，其延伸率ES為

式中:ρ為中性層曲率半徑，mm，ρ=(R/t+η/2)ηt;R為彎曲件內(nèi)半徑，mm;t為材料厚度，mm;η為材料變薄系數(shù);R1為彎曲件外半徑，mm，R1=R+ηt;α為彎曲件中心角，(°)。

查文獻(xiàn)［3］表1，當(dāng)彎曲角度為90°和r/t=1時(shí)，η取0.96，則最大延伸率ES=38%。

1.1.3 熱壓封頭變形率的計(jì)算

熱壓封頭中以球形封頭拉伸變形率最大，在球形封頭壓制中，減薄率最大位置位于與球頂成25°角的區(qū)域。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中A335P91球形封頭壓制成形的經(jīng)驗(yàn)，此處壁厚減薄率不超過20%，假設(shè)此處壁厚減薄均為單向拉伸變形所致，則此處延伸率為25%。

綜上分析，取38%為試驗(yàn)中最大拉伸變形率為試驗(yàn)依據(jù)，并將以彎曲的方式來達(dá)到所要求的拉伸變形率。

1.2 試樣制備

試樣材料為A335P92，其尺寸如圖3所示。

圖3 試樣尺寸Fig.3 Sample size

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

加熱用燃油加熱爐和電阻爐，壓制用20 000 kN油壓機(jī)，測(cè)溫用HTSF500－2000型紅外測(cè)溫儀。彎制裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 熱態(tài)彎曲試驗(yàn)裝置Fig.4 Schematic diagram of equipment for hot bend test

按式(5)計(jì)算，設(shè)試樣彎曲半徑為 R，要達(dá)到38%的延伸率，則有

當(dāng)t=36 mm ，R/t=1時(shí)，查表可知η=1，因此取彎曲壓頭直徑D=72 mm。

1.4 試驗(yàn)方案

1.4.1 加熱溫度、保溫時(shí)間和變形溫度

參考有關(guān)資料，確定加熱溫度范圍為1 050～1 100℃，保溫時(shí)間為1～2 h。在950～1 100℃、800～950℃(在兩相區(qū)內(nèi))、650～800℃(在相變溫度點(diǎn)以下)3種壓制成形溫度下分組進(jìn)行變形溫度試驗(yàn)。

1.4.2 冷卻條件

由于A335P92鋼具有很強(qiáng)的淬硬傾向，壓制成形后的冷卻是一個(gè)淬火過程，如劇烈冷卻，可能產(chǎn)生淬火裂紋，故對(duì)不同壓制溫度下的各組試樣分別進(jìn)行水冷、風(fēng)冷、空冷和緩冷試驗(yàn)，以確定較為合理的、便利可行的冷卻條件。A335P92鋼熱壓成形性能試驗(yàn)工藝見表1［4］。

表1 A335P92鋼熱壓成形性能試驗(yàn)工藝Tab.1 Performance test of hot forming technology for A335P92 steel

冷卻方式為:水冷，自來水溫度20～60℃;風(fēng)冷，距電扇2～3m，風(fēng)冷至100℃以下(試樣遠(yuǎn)離加熱源放在耐火磚上);空冷，靜空氣中冷卻至100℃以下(試樣遠(yuǎn)離加熱源放在耐火磚上);緩冷，用石棉包裹，冷卻至100℃以下(試樣遠(yuǎn)離加熱源放在耐火磚上)。

2 試件檢驗(yàn)

沿用管件常規(guī)檢驗(yàn)方法，即外觀、滲透、硬度、金相檢測(cè)，壓制和熱處理完成后檢驗(yàn)有無裂紋，硬度是否符合標(biāo)準(zhǔn)［7］要求。根據(jù)A335 P92熱處理工藝試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)質(zhì)熱處理工藝為:正火1 060～1 070℃達(dá)85 min，空冷至室溫2 h后回火;回火760～770℃達(dá)144 min，爐冷至400℃以下出爐空冷。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為保證試驗(yàn)的有效性，能夠充分發(fā)現(xiàn)裂紋，加工完成的試樣在磁粉、超聲波探傷合格后才能進(jìn)行熱壓試驗(yàn);對(duì)分組熱壓試樣的檢測(cè)均在壓制后24 h進(jìn)行，調(diào)質(zhì)熱處理后試樣的檢測(cè)也同樣在熱處理后24 h進(jìn)行。

經(jīng)外觀及滲透檢驗(yàn)，試樣無裂紋，硬度檢驗(yàn)結(jié)果見表2。除水冷卻方式下的硬度稍偏大，其他不同熱壓成形溫度及冷卻方式下的硬度差別不大。這可能一方面是由于A335P92鋼具有很強(qiáng)的淬透性，所采用的幾種冷卻方式都可以使其得到淬火組織;另一方面，不管熱壓成形溫度如何改變，其成形溫度都在Ms點(diǎn)(馬氏體開始形成的溫度)以上，A335P92鋼在Ms點(diǎn)以上組織較穩(wěn)定，基本不會(huì)因變形誘發(fā)產(chǎn)生其他組織。在進(jìn)行了調(diào)質(zhì)熱處理后，因其組織均為回火馬氏體組織，不同熱壓成形溫度及冷卻方式下的硬度差別不大，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 A335P92鋼熱壓成形性能試驗(yàn)試樣硬度檢驗(yàn)值Tab.2 Samples hardness of hot forming performance test for A335P92 steel

采用10種試驗(yàn)工藝，在壓制和熱處理完成后對(duì)彎曲試樣受拉側(cè)進(jìn)行了金相檢驗(yàn)，顯微組織照片未見晶間裂紋［8-9］，這與外觀及滲透檢驗(yàn)的結(jié)果一致。圖5是典型的金相組織照片［10］。

圖5 AF和CK彎曲試樣壓制和熱處理后金相照片F(xiàn)ig.5 Comparisons of metallographic photos for the outer bend specimen AF and CK after pressing process and heat treatment

由金相照片可以看出，壓制完成后金屬的晶粒粗大，晶粒度等級(jí)為0～1級(jí)，組織有被拉長(zhǎng)的跡象，這可能是因?yàn)殡m然在變形后發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，但由于轉(zhuǎn)變溫度較低，金屬原子已經(jīng)基本不可能擴(kuò)散，馬氏體轉(zhuǎn)變只是一個(gè)晶格切變的過程，無法改變金屬晶粒的形狀和大小。熱處理完成后金屬的晶粒得到細(xì)化，晶粒度等級(jí)為4～5級(jí)，組織通過調(diào)質(zhì)熱處理得到恢復(fù)和改善［11］。

4 工藝驗(yàn)證

為驗(yàn)證熱壓工藝的可行性，對(duì)熱壓彎頭、熱壓三通實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織合格。

5 結(jié)論

(1)A335P92鋼熱壓成形的加熱溫度為950～1 100℃，保溫時(shí)間為1～2 h。

(2)A335P92鋼在溫度650～1 100℃時(shí)熱壓成形不會(huì)產(chǎn)生裂紋等缺陷。

(3)A335P92鋼熱壓成形后可以自由冷卻，即使水淬也不會(huì)產(chǎn)生裂紋。

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