690合金傳熱管內外壁“細晶”組織的成因及控制

朱海濤，吳青松，秦偉健，臧傳臚，高超

（寶銀特種鋼管有限公司，江蘇宜興214200）

690合金傳熱管內外壁“細晶”組織的成因及控制

朱海濤，吳青松，秦偉健，臧傳臚，高超

（寶銀特種鋼管有限公司，江蘇宜興214200）

分析了冷軋變形量、脫脂質量、熱處理保護氣氛、中間品原始組織等對690合金傳熱管光亮固溶熱處理組織的影響。分析認為：內外壁再結晶形核率的差異是導致690合金傳熱管內外壁出現異常“細晶”組織的根本原因；通過改變熱處理氣氛、增大冷軋變形量、改善脫脂質量等手段，可有效消除光亮固溶熱處理后690合金傳熱管內外壁的“細晶”組織。

690合金傳熱管；光亮固溶熱處理；內外壁；“細晶”組織；再結晶形核

690合金具有較高的強度、良好的組織穩定性、優越的加工性能和優異的耐腐蝕性能，尤其是具有抗應力腐蝕開裂特性；因此成為新一代核電蒸汽發生器用傳熱管的首選材料［1-4］。

核電蒸汽發生器用690合金傳熱管（簡稱690合金傳熱管），冷軋至成品規格后均采用光亮固溶熱處理工藝，并保證成品管材的組織、表面質量和尺寸精度滿足技術要求［5-6］。然而，經光亮固溶熱處理后的690合金傳熱管，在內外壁一定深度（約0.03 mm）常出現不同于常規金相組織的“細晶”組織，直接影響其耐腐蝕性能［7］。

本文通過分析不同冷軋變形量、脫脂質量、熱處理保護氣氛、保溫時間以及冷軋前原始組織對690合金傳熱管光亮固溶熱處理組織的影響，以期找出形成“細晶”組織的原因，并提出具體控制措施。

1 冷軋變形量對金相組織的影響

不同變形量下690合金傳熱管純氫保護光亮固溶熱處理后的金相組織如圖1所示。可以看出：變形量為12.5%時，在管材內外壁產生了不同于壁厚中部的“細晶”組織；變形量超過30.0%后，壁厚方向上的金相組織相對均勻，“細晶”組織不再出現。

圖1 不同變形量下690合金傳熱管純氫保護光亮固溶熱處理后的金相組織

從圖1還可以看出：變形量過小會導致熱處理后的管材內外壁產生“細晶”組織。這主要是因為變形量過小時，與冷軋模具直接接觸的內外壁受壓變形產生的畸變程度和積聚的畸變能（內能）遠高于壁厚中部，因而在熱處理過程中內外壁部位的再結晶一次形核率遠高于壁厚中部位置的，從而導致壁厚邊緣位置的晶粒明顯細于壁厚中部位置的；當變形量超過30.0%后，壁厚邊緣與中部的組織在冷變形過程中產生的晶格畸變和畸變能差異不明顯，因而在熱處理后的晶粒度差異性也不明顯，壁厚邊緣沒有出現明顯細于壁厚中部位置的金相組織。

變形量的大小會引起管材壁厚方向上受壓畸變存在差異，從而影響熱處理后壁厚方向的組織均勻性，導致內外壁“細晶”組織的產生。

圖2 不同階段脫脂不凈時690合金傳熱管在純氫保護光亮固溶熱處理后的金相組織

2 脫脂質量對金相組織的影響

不同階段（中間品與成品規格產品）脫脂不凈時690合金傳熱管在純氫保護光亮固溶熱處理后的金相組織如圖2所示。可以看出：若中間品脫脂不凈，經固溶熱處理、足夠變形量冷軋、成品規格產品光亮固溶熱處理后，在成品規格產品壁厚邊緣會產生“細晶”組織（圖2a）；若成品規格產品脫脂不凈時，經光亮固溶熱處理后，其壁厚邊緣出現點狀腐蝕坑點，沒有“細晶”組織（圖2b）。由此可見，不同階段脫脂不凈會導致產品壁厚邊緣組織的差異。

為弄清造成上述差異的原因，對690合金傳熱管在不同變形量下的再結晶溫度進行研究。690合金傳熱管在不同變形量下、715℃熱處理前后的金相組織如圖3所示。

研究發現，在715℃下，690合金傳熱管在變形量30.0%和80.0%時均可發生再結晶。滲碳行為在850℃以上發生［8］，其溫度高于690合金傳熱管再結晶溫度，因而在690合金傳熱管熱處理過程中先發生再結晶后發生滲碳；因此，在中間品脫脂不凈的情況下，中間品在固溶熱處理過程中會發生滲碳，從而導致壁厚邊緣的碳濃度明顯高于壁厚方向其他位置，且這些富集的碳及其化合物在成品規格產品光亮固溶熱處理過程中會作為再結晶形核中心，誘導壁厚邊緣再結晶形核率明顯高于壁厚方向其他位置，從而在壁厚邊緣產生明顯細于正常組織的“細晶”層。而在成品規格產品脫脂不凈的情況下，光亮固溶熱處理過程中的滲碳要滯后于再結晶過程，對再結晶形核過程不會產生明顯影響，僅導致成品組織壁厚邊緣碳的富集或在壁厚邊緣形成碳化物，從而不會在壁厚邊緣形成“細晶”組織。

圖3 690合金傳熱管在不同變形量下、715℃熱處理前后的金相組織

3 熱處理氣氛對金相組織的影響

在相同溫度條件下、不同保護氣氛時690合金傳熱管光亮固溶熱處理后的金相組織如圖4～6所示。在氨分解氣體（N2+H2）保護光亮固溶熱處理的管材內外壁均出現了明顯的“細晶”層（圖4）；純氫保護光亮固溶熱處理的管材內外壁均無“細晶”層（圖5）；管內孔充惰性氬氣、管外氨分解氣體（N2+ H2）保護光亮固溶熱處理的管材內壁無“細晶”層，外壁出現明顯的“細晶”層（圖6）。

圖4 氨分解氣體（N2+H2）保護下690合金傳熱管光亮固溶熱處理后的金相組織

由此可見，熱處理保護氣氛對690合金傳熱管的熱處理組織有明顯影響，這可能與混合氣體在高溫下發生的化學反應有關。根據化學反應原理，N2與H2在催化劑（鎳觸媒）的作用下，會發生可逆的化合反應；而690合金傳熱管的鎳含量約為60%，在一定程度上充當了催化劑的角色，在化學反應初期，N2在催化劑（690合金傳熱管）表面打開N-N三鍵，產生活性N原子，其中部分活性N原子在一定溫度下（滲氮溫度一般在500～600℃［6］）直接滲入到690合金傳熱管內部一定深度，并在一定溫度下與Cr、Ti、C等原子結合，析出CrN或Ti（CN）等細小析出彌散相，而這些析出相作為690合金傳熱管后續再結晶的“形核中心”，從而誘發管材壁厚邊緣再結晶形核率遠高于其他區域，在壁厚邊緣形成一定深度的“細晶”層。

圖5 純氫保護下690合金傳熱管光亮固溶熱處理后的金相組織

圖6 內孔充氬氣、管外氨分解氣體（N2+H2）保護下690合金傳熱管光亮固溶熱處理后的金相組織

另外，通過縮短熱處理時間和滲氮過程，“細晶”層的深度明顯變小。氨分解氣體（N2+H2）保護下690合金傳熱管光亮固溶熱處理后的金相組織（縮短保溫時間）如圖7所示。從圖7可以看出：690合金傳熱管內外壁的“細晶”層深度從圖4中的0.03 mm降低到0.02 mm，表明“細晶”層的深度與滲氮的時間和深度直接相關。

圖7 氨分解氣體（N2+H2）保護下690合金傳熱管光亮固溶熱處理后的金相組織（縮短保溫時間）

4 中間品組織對成品組織的影響

不同原始組織的中間品經相同變形量的冷軋、脫脂、純氫保護氣氛光亮固溶熱處理后的成品金相組織如圖8所示。從圖8可以看出：中間品內壁無“細晶”層的成品規格產品，經光亮固溶熱處理得到的內壁組織也無“細晶”層（圖8a）；中間品內壁有“細晶”層的成品規格產品，經光亮固溶熱處理得到的內壁組織也有“細晶”層（圖8b）。

圖8 不同原始組織的中間品在相同變形量的冷軋、脫脂和熱處理后的成品內壁金相組織

由此表明：中間品組織對成品組織有直接的“遺傳”效應。根本原因在于熱處理過程再結晶優先在晶界附近形核，晶界密度直接影響形核率的大小，對于壁厚邊緣有“細晶”層的中間品，其壁厚邊緣的晶界密度要遠高于壁厚中部，經冷軋至成品規格產品后，在光亮固溶熱處理再結晶過程中，690合金傳熱管壁厚邊緣的形核率也遠高于壁厚中部位置，從而形成壁厚邊緣的“細晶”組織（圖8b）。

5 結論

（1）冷軋變形量對690合金傳熱管熱處理后的金相組織均勻性有一定影響，變形量過小（12.5%）易導致管材光亮固溶熱處理后壁厚邊緣位置出現“細晶”組織。

（2）中間品在固溶熱處理過程中會發生滲碳，從而導致成品規格產品在光亮固溶熱處理后壁厚邊緣位置出現“細晶”組織；成品規格產品在光亮固溶熱處理過程中，滲碳滯后于再結晶過程，不會在壁厚邊緣產生“細晶”組織，僅導致壁厚邊緣碳化物大量析出。

（3）中間品的原始“細晶”組織會“遺傳”到成品的金相組織中。

（4）在光亮固溶熱處理過程中的滲氮會導致690合金傳熱管壁厚邊緣產生“細晶”組織。

（5）通過增大變形量、控制脫脂質量、消除熱處理保護氣氛中N2與H2的共存，可有效避免690合金傳熱管內外壁出現“細晶”組織。

［1］邱紹宇，蘇興萬，文燕，等.熱處理對690合金腐蝕性能影響的實驗研究［J］.核動力工程，1995，16（4）：336.

［2］長野博夫.壓水堆蒸汽發生器管系用690合金的研究開發和制造體制［J］.住友金屬，1988，40（4）：110.

［3］Berge P J，Donati R J.Materials requirement for pressurizes water reactor steam generator tubing［J］.Nuclear Technology，1981，55（1）：88-104.

［4］董毅，高志遠.我國核電事業的發展與Inconel 690合金的研制［J］.特鋼技術，2004（3）：45-48.

［5］黃妍憑.寶山鋼鐵股份有限公司自主研制出核電蒸汽發生器用690-U型管［J］.鋼管，2011，40（1）：39.

［6］黃妍憑.寶鋼特鋼寶銀特種鋼管有限公司第三代ACP 1000核電蒸汽生器用690合金U型傳熱管通過鑒定［J］.鋼管，2013，42（5）：69.

［7］劉素娥，朱自勇，柯偉.690合金的成分和顯微組織對腐蝕行為的影響［J］.腐蝕科學與防護技術，1995（2）：146-150.

［8］藤田輝夫.不銹鋼的熱處理［M］.丁文華，譯.北京：機械工業出版社，1983.

Contributing Factors and Control of Formation of Fine-grain Microstructure in Inner and Outer Surfaces of 690 Alloy Tube for Heat Transfer Service

ZHU Haitao，WU Qingsong，QIN Weijian，ZANG Chuanlu，GAO Chao
（Baoyin Specialty Steel Pipe Co.，Ltd.，Yixing 214200，China）

Analyzed are the factors affecting the bright solid solution heat treatment microstructure of the 690 alloy pipe for heat transfer service，including the cold-rolling deformation rate，degreasing quality control，heattreatment protective atmosphere and original microstructure of the semi-product.The analysis reveals that the difference between the re-crystallization nucleation rate of the inner surface and that of the outer surface acts as the root cause for development of the abnormal fine-grain microstructure on the inner and outer surfaces of the pipe. Accordingly，such fine-grain microstructure of the said 690 alloy pipe as occurred after bright solid solution heat treatment is expected to be eliminated by means of improving the heat treatment atmosphere，increasing the deformation rate and improving degreasing quality，etc.

690 alloy tube for heat transfer service；bright solid solution heat treatment；inner and outer surfaces；fine-grain microstructure；re-crystallization nucleation

TG113.1

B

1001-2311（2014）06-0014-04

2014-06-30）

朱海濤（1968-），男，碩士，工程師，總經理，主要從事鋼管生產工藝技術、工模具設計以及企業生產管理等工作。