新型T23無縫鋼管熱處理工藝試驗(yàn)研究

趙慶權(quán)，曹金榮，肖功業(yè)，何 彪

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，天津300301）

新型T23無縫鋼管熱處理工藝試驗(yàn)研究

趙慶權(quán)，曹金榮，肖功業(yè)，何 彪

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，天津300301）

分析研究了熱處理工藝對(duì)新型T23無縫鋼管組織性能的影響。結(jié)果表明，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨著奧氏體化溫度提高，硬度總體緩慢增加，晶粒長(zhǎng)大，奧氏體化溫度升高到1 050℃、30 min時(shí)，晶粒度達(dá)到理想的7～7.5級(jí)；隨回火溫度升高，強(qiáng)度、硬度均緩慢下降，但在770℃溫度以后，組織性能已趨于相對(duì)穩(wěn)定。因此，最佳熱處理工藝為：1 050℃保溫30 min正火，770℃保溫120 min回火，可得到最佳的綜合性能與組織狀態(tài)。

T23無縫鋼管；熱處理工藝；性能；試驗(yàn)

1 引言

T23鋼（ASME Code Case 2199）是住友金屬和三菱重工聯(lián)合開發(fā)的一種新型電站鍋爐用鋼，20世紀(jì)90年代后期開始在歐洲及日本多臺(tái)亞臨界、超臨界甚至超超臨界火電機(jī)組上得到應(yīng)用。該鋼汲取我國研制的102鋼“多元復(fù)合強(qiáng)化”理論，加入合金元素Mo、W增強(qiáng)固溶強(qiáng)化和復(fù)合強(qiáng)化。同時(shí)，在T22的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低含碳量，加入微合金元素V、Nb、B等形成彌散沉淀強(qiáng)化，使得T23鋼在550～600℃具有良好的蠕變性能和許用應(yīng)力[1]。同時(shí)，與低合金耐熱鋼T22（2．25Cr-1Mo）相比，它降低了含碳量，使熱影響區(qū)硬度降低至350 HV以下，焊接性得到很大改善，焊接時(shí)可以取消預(yù)熱和焊后熱處理，以彌補(bǔ)碳含量降低對(duì)高溫蠕變強(qiáng)度帶來的不利影響。因此，該鋼是介于12Cr1MoVG與T91或不銹鋼之間的一種很好的過度材料，可用于U．S．C．B（超臨界鍋爐）膜式水冷壁部件[2]。

本文就新型T23無縫鋼管的熱處理工藝，主要包括正火溫度及回火溫度對(duì)組織性能的影響進(jìn)行分析，從而探索最佳熱處理工藝。

2 試驗(yàn)材料與工藝

試驗(yàn)材料采用500 kg真空熔煉爐冶煉，模鑄后熱鍛成?85 mm圓棒，800℃×12 h退火后剝皮至?75 mm，利用菌式穿孔機(jī)制成?89 mm×9 mm毛管。其化學(xué)成分見表1。

試驗(yàn)用材料取自穿孔后探傷合格的鋼管，按照美標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取樣分析。

利用DT1000型淬火膨脹儀對(duì)新型T23鋼進(jìn)行了CCT曲線測(cè)定，奧氏體化溫度1 050℃，保溫30 min，見圖1。由圖1可見，T23鋼從0．8～200℃/s較大范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變成貝氏體-馬氏體組織結(jié)構(gòu)。馬氏體的最大硬度僅為350 HV左右，且與碳含量有關(guān)。在工業(yè)化生產(chǎn)中正火+回火狀態(tài)下，組織一般為回火貝氏體。

表1試驗(yàn)所用試樣化學(xué)成分

圖1 新型T23鋼CCT曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)CCT曲線進(jìn)行分析，測(cè)定新型T23鋼低溫轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ac1位于800～820℃，高溫轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ac3位于960～990℃。ASME SA-213M標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定該鋼應(yīng)在不低于1 040℃正火及不低于730℃下回火作為最終的熱處理。

本文將根據(jù)美國ASME SA-213M標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合該鋼種的CCT曲線特征，研究不同奧氏體化溫度、回火溫度對(duì)該鋼種組織性能影響。

表2為奧氏體化溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3為回火溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果分析

4．1 奧氏體化溫度對(duì)晶粒度及硬度的影響

圖2為該鋼分別在1 000、1 025、1 050、1 075、1 100℃奧氏體化溫度下保溫30 min水冷（水冷：WC），并經(jīng)775℃、120 min回火前后硬度與溫度關(guān)系曲線。

由圖2可見，隨奧氏體化溫度提高，硬度總體緩慢增加，此時(shí)鋼中固溶元素W、Mo、Cr充分溶解，同時(shí)，碳氮化合物也進(jìn)一步溶解，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)材料強(qiáng)度。經(jīng)775℃、120 min回火（空冷AC）后硬度變化趨勢(shì)基本與之相似。

圖3是分別在1 000、1 025、1 050、1 075、1 100℃溫度下保溫30 min水冷，然后經(jīng)過775℃、120 min回火的試樣組織。從圖3中可以看出，隨著奧氏體化溫度的升高，晶粒緩慢增大，成分均勻。當(dāng)1 000℃、30 min水冷后晶粒度為8．5～9級(jí)，見圖3（a）；奧氏體化溫度升高到1 050℃、30 min時(shí)，晶粒度達(dá)到理想中7～7．5級(jí)，見圖3（c）；而溫度繼續(xù)升高到1 075℃、30 min以上，晶粒度已粗化，達(dá)到5．5級(jí)甚至更大，見圖3（d）、（e）。

一般規(guī)律認(rèn)為隨正火溫度升高，材料的持久強(qiáng)度提高，其因素除鋼種合金元素固溶強(qiáng)化作用顯著增加外，回火后基體中細(xì)小的碳氮化物析出強(qiáng)化也增強(qiáng)，同時(shí)，晶粒尺寸變大對(duì)持久強(qiáng)度的提高也有顯著貢獻(xiàn)，但不能誤認(rèn)為正火溫度越高，鋼的綜合性能越優(yōu)良。實(shí)際生產(chǎn)中還要綜合考慮生產(chǎn)成本、設(shè)備能力、鋼管表面氧化皮和過燒等問題。因此，新型T23無縫鋼管選擇1 050℃正火，保溫30 min較適宜。

表2不同奧氏體化溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3不同回火溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4．2 回火溫度對(duì)組織性能的影響

回火溫度對(duì)強(qiáng)度的影響見圖4（a）、（b）。由圖可見，在730～780℃回火溫度范圍內(nèi)，隨回火溫度的升高，強(qiáng)度、硬度均緩慢下降，但在770℃溫度以后，材料性能趨于穩(wěn)定，圖5（a）、（b）是1 050℃×30

圖2 不同奧氏體化溫度與硬度關(guān)系

圖4回火溫度對(duì)強(qiáng)度的影響

圖5 1 050℃×30 min空冷+770℃×120 min空冷前后的顯微組織

min空冷+770℃×120 min空冷前后的顯微組織，此時(shí)合金元素在固溶體基體和碳化物之間緩慢分配，鐵素體基體呈現(xiàn)多邊形化，晶粒有所長(zhǎng)大。同時(shí)，由正火產(chǎn)生于基體中島狀物數(shù)量減少而細(xì)小碳氮化物顆粒明細(xì)顯增多，分布更加均勻，彌足由固溶強(qiáng)化作用減弱造成的強(qiáng)度下降，使鋼組織和性能趨于相對(duì)穩(wěn)定，從而達(dá)到提高持久強(qiáng)度的目的[3]。

5結(jié)論

（1）在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨著奧氏體化溫度提高，硬度總體緩慢增加，晶粒長(zhǎng)大，奧氏體化溫度升高到1 050℃、30 min時(shí)，晶粒度達(dá)到理想中的7～7．5級(jí)。

（2）在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨回火保溫升高，強(qiáng)度、硬度均緩慢下降，達(dá)到770℃回火溫度時(shí)，組織性能已趨于相對(duì)穩(wěn)定。此時(shí)合金元素在固溶體基體和碳化物之間緩慢分配，鐵素體基體呈現(xiàn)多邊形化，晶粒有所長(zhǎng)大，基體中島狀物數(shù)量減少而細(xì)小碳氮化物顆粒明細(xì)顯增多，分布更加均勻。

（3）最佳熱處理工藝為：1 050℃保溫30 min正火，770℃保溫120 min回火，可得到最佳的綜合性能與組織狀態(tài)。

[1]于在松，王弘喆，聶銘，等．HCM2S（T23）鋼顯微組織結(jié)構(gòu)特征及強(qiáng)化機(jī)理分析[J]．鑄造技術(shù)，2011，32（4）：465-470．

Trail and Study on New T23 Seamless Steel Pipe Heat Treatment Process

ZHAO Qing-quan,CAO Jin-rong,XIAO Gong-ye and HE Biao
(Technology Center of Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

The paper analyzes and studies the influence of heat treatment process on the structure and properties of T23 seamless steel pipe．Results show,within testing temperature range,hardness as a whole gradually increases and grains grow with the rise of austenization temperature and grain size reaches an ideal level of 7～7．5 at 30 min with austenization temperature rise to 1 050℃;strength and hardness gradually decrease with the rise of tempering temperature but the structure and properties tend to be stable after 770℃．Therefore,optimal heat treatment process is:keeping the temperature at 1 050℃ for 30 min and then normalizing;keeping the temperature at 770℃ for 120 min and then tempering．With this process,optimal overall property and structure can be obtained．

T23 seamless steel pipe;heat treatment process;property;test

10．3969/j．issn．1006-110X．2014．02．022

2013-09-15

2013-10-15

趙慶權(quán)（1979—），男，碩士，工程師，主要從事高壓鍋爐用管方面的研究工作。