核反應堆用大尺寸直角彎管鍛件的性能熱處理工藝路線研究

◎李少飛 任利國

使用大尺寸直角彎管鍛件粗加工余料開展了熱處理參數試驗，分析研究了不同淬火方案對試驗用16MND5材料力學性能及金相組織的影響。結果表明在常規的淬火和回火之間增加一次亞溫淬火，可進一步優化試驗材料的組織形態，有效提高材料的沖擊韌性，進而確定了直角彎鍛件的性能熱處理工藝路線。

我公司承制了國內某型號反應堆RPV產品，采用一體化緊湊式設計，該堆型RPV包含一種直角彎管鍛件，其熱處理厚度超過270mm，且輪廓尺寸復雜，屬于厚截面異形鍛件。該項目要求對首件產品進行解剖評定，鍛件水、冒口側及內外拐角處均需內外1/4壁厚和壁厚中心位置全部取樣檢驗，性能合格難度較大。

核反應堆RPV作為核一級設備，為保證其在長時間的中子輻照情況下仍能正常服役，對其性能提出了非常嚴格的要求。為了獲得鍛件優異的綜合性能，前人做了大量的研究工作，涌現出關于化學元素、冷速、淬透性等影響因素的大量研究成果。隨著鍛件壁厚的增加，由于材料自身的導熱限制，導致無論如何提升淬火設備的冷卻能力，鍛件的性能取樣位置處的冷卻速度都無法實現明顯提升，采用常規的熱處理工藝方案保證力學性能合格難度極大。

亞溫淬火，又稱臨界區淬火或者兩相區淬火，是指將具有平衡態或非平衡態原始組織的亞共析鋼加熱到鐵素體與奧氏體雙相區的一定溫度區間（AC1~AC3）保溫一定時間后淬火的熱處理工藝。亞溫淬火工藝能夠得到超細化復合組織，可在不明顯降低材料強度的條件下顯著提高材料的韌性。研究表明，采取亞溫淬火是提高工程用鋼強韌性特別是提高落錘性能的有效方法。

本文以此大尺寸直角彎管鍛件原位試料為研究對象，通過實驗室熱處理模擬實驗，研究制定了鍛件的最優性能熱處理工藝路線。

一、試驗材料的選擇

本項目直角彎管材質為16MND5，對應我國牌號19MnNiMo，為低碳低合金鋼。試驗材料為直角彎管完成鍛造成形及鍛后熱處理后的粗加工余料，其化學成分見表1。

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二、試驗過程及結果分析

1.熱處理工藝參數實驗。為保證鍛件一次檢驗合格，需研究制定鍛件最優的熱處理工藝參數。熱處理參數方案涵蓋了常規淬火+回火及淬火+亞溫淬火+回火兩種類型的熱處理工藝參數路線，具體工藝見圖1所示。

圖1不同工藝參數熱處理工藝圖

經過不同工藝參數熱處理后的試樣毛坯，全部進行了615℃*24H的模擬焊后熱處理。

2.性能檢驗。將經熱處理后的坯料分別加工成標準的拉伸和沖擊試樣，按照產品技術文件規定進行了拉伸和低溫沖擊試驗，不同工藝參數熱處理后試樣測試的力學性能結果如圖2所示。

圖2不同參數熱處理工藝的力學性能結果

從試驗結果可看出，試驗鋼經歷不同溫度的淬火和回火后，得到不同的力學性能結果。單獨采用常規淬火時，提高淬火溫度將導致韌性的降低，而且沖擊吸收能量均較低。試驗材料在常規淬火后再進行亞溫淬火時，沖擊吸收能量得到了大幅提高，且隨著亞溫淬火溫度的升高，呈現先升高后降低的趨勢，同時強度逐漸升高。

綜合對比檢驗數據，可看出，試驗材料在910℃常規淬火+745℃亞溫淬火+640℃回火時可獲得最好的強韌性配合。參照其他鍛件的生產經驗及工藝制定原則，可確定此大尺寸直角彎管鍛件的性能熱處理工藝路線為淬火+亞溫淬火+回火，可最大程度發掘鍛件材料的性能潛力，獲得最佳的強韌性。

3.分析。為了進一步驗證和研究亞溫淬火改進試驗材料韌性的機理，本文對常規淬火和亞溫淬火的試樣分別進行了金相分析。正常調質條件下，試驗材料的組織為上貝氏體，碳化物分布于晶界以及上貝氏體鐵素體條束之間，碳化物存在特征為條狀和團狀。經過完全奧氏體化加亞溫淬火處理后的組織為上貝氏體和粒狀貝氏體及少量的鐵素體，碳化物細小彌散。

分析認為，通過在奧氏體-鐵素體兩相區淬火，增加了碳和合金元素在各相中的不均勻性，先形成的奧氏體中C和Mn的含量高于平均成分，使淬火時得到馬氏體（或下貝氏體）和貝氏體的雙相組織，增加總的界面面積，提高裂紋擴展阻力，從而顯著提高了韌性。

由于亞溫淬火溫度處于兩相區，在奧氏體化過程中未溶鐵素體以細小的針狀或顆粒狀彌散分布，阻礙奧氏體晶粒長大，從一定程度上細化了奧氏體晶粒。晶粒細化后，單個晶粒體積減小，表面積與體積的比值升高，使單位面積上有害雜質的含量降低，有效減少了有害雜質元素的偏聚，可起到凈化晶界、降低缺口敏感性和晶界脆性的作用。

三、結論

1.本文試驗材料在910℃常規淬火+745℃亞溫淬火+640℃回火時可獲得最佳的強韌性配合，可確定此大尺寸直角彎管鍛件采用淬火+亞溫淬火+回火形式的性能熱處理工藝路線；

2.在常規的淬火和回火之間增加一次亞溫淬火，可進一步優化試驗材料的組織形態，獲得細小彌散的碳化物，有效提高材料的沖擊韌性。

3.試驗材料在實際大鍛件制造中，當淬火冷速難以明顯提升，或者韌性指標要求較高時，可利用亞溫淬火來獲得顯著改善韌性指標的效果。