核反應堆壓力容器主螺栓熱處理工藝

李亞菲， 王玉紅， 李家駒

反應堆壓力容器是反應堆一回路冷卻劑系統的重要承壓邊界， 是整個核電站的核心設備。 主螺栓是壓力容器設備中容器法蘭和頂蓋的連接緊固件， 對避免核放射性物質外逸， 保障壓力容器正常工作起著重要作用[1～2]。 核反應堆壓力容器主螺栓不僅要具有高的屈服強度和抗拉強度， 而且要有很高的的塑性和沖擊韌性。 為了獲得高強度和高塑韌性匹配的綜合力學性能， 本文設計了多種熱處理方案， 對試料進行模擬熱處理。 在熱處理后對試料進行拉伸和沖擊試驗， 通過對檢測結果對比分析， 確定合理的熱處理工藝。 經過主螺栓產品實踐證明該熱處理工藝行之有效。

1 性能要求與難點

（1） 材料與力學性能要求

反應堆壓力容器主螺栓鍛件材質是40NCDV7-03（ 見 表1， 表2） 。 性 能 熱 處 理 的 試 樣 尺 寸 為?210 mm×2 200 mm。 性能檢驗取樣方式為D×D/4（距端面距離為D， 距外圓距離為D/4， D 為試樣直徑）。

表1 化學成分 （wt.%）

表2 力學性能要求

*每組三個試樣中只允許一個試樣的試驗結果低于規定的最小平均值。

（2） 熱處理難點

40NCDV7-03 為典型的中碳低合金超高強度鋼， 常規熱處理工藝較容易獲得較高的強度指標，但難以同時得到較高的塑韌性。

2 熱處理模擬

（1） 熱處理工藝方案

提高鋼的純凈度， 降低鋼中夾雜物、 氣體及有害雜質元素的含量， 有利于提高鋼的塑韌性[3]，為此采取電渣重熔的冶煉方式。

本文設計8 種主螺栓熱處理工藝方案（ 見表3） ， 主要考慮淬火溫度， 淬火冷卻方式、 回火溫度、 回火次數及回火冷卻方式對力學性能的影響。試驗所用的試料取自經過預備熱處理的產品鍛件，而后按照表中的熱處理工藝在熱處理模擬爐中進行熱處理。

（2） 試驗結果

將經過模擬熱處理的試料進行拉伸試驗和夏比V 形缺口試驗。 為避免試驗數據的偶然性， 每個方案均采用兩組試樣進行性能檢驗（見表4）。

（3） 試驗結果分析

為了便于分析， 將各方案的屈服強度和抗拉強度、 延伸率和斷面收縮率， 以及20 ℃和0 ℃沖擊功結果繪制成圖（見圖1～圖3）。

表3 主螺栓熱處理工藝方案

表4 實測性能結果

圖1 各方案屈服強度和抗拉強度實測值

圖2 各方案延伸率和斷面收縮率實測值

圖3 各方案20 ℃和0 ℃實測沖擊功平均值

方案1 采用850 ℃水淬， 610 ℃一次回火后空冷， 鋼的屈服強度和抗拉強度較高， 其中一個試樣的抗拉強度已超出要求上限， 但延伸率和斷面收縮率則剛滿足要求， 而0 ℃和20 ℃沖擊功均不合格。將回火溫度提高至620 ℃后， 不論回火空冷還是油冷（ 方案2 和方案3） ， 強度指標均出現陡降， 抗拉強度剛滿足要求， 屈服強度剛滿足或低于要求。但與此同時， 塑韌性指標上升非常明顯， 均能滿足要求。 可見材料對回火溫度非常敏感， 然而單靠調整回火溫度難以達到性能要求。

與一次回火的方案1 相比經過兩次回火的方案4 處理的試料強度指標有所下降， 延伸率及斷面收縮率和沖擊韌性有所提高， 其中20 ℃沖擊功明顯提高， 已能滿足要求， 但富裕量較小。 可見增加一次回火雖然降低鋼的強度， 但能提高鋼的塑韌性。

與空冷回火的方案4 相比， 經過方案5 油冷后試料冷卻回火的強度有所降低， 塑韌性均得到提高， 但20 ℃沖擊功單個值中多個不滿足要求（ 見表4） ， 0 ℃沖擊功雖滿足要求， 但是富裕量較小，僅比要求值高2J， 有不合格的風險。 可以看出，油冷可以改善鋼的塑韌性。

與方案5 相比， 方案6 采用水淬油冷， 在不明顯降低強度的情況下， 試料的塑韌性均有所提高，性能實測值均滿足鍛件要求， 而且有較大富裕量。可見， 水淬油冷對提高鋼的塑韌性有益。

與方案6 相比， 回火溫度降至590 ℃的方案7使試料強度有所升高， 斷面收縮率有所降低， 但是延伸率和沖擊韌性急劇下降， 多項指標不合格。

而與方案6 相比， 將淬火溫度提高至860 ℃的方案8 使試料強度稍有增加， 塑韌性有所降低， 0 ℃沖擊功無法滿足要求。 可見提高淬火溫度降低了鋼的塑韌性。

通過以上分析， 筆者最終確定方案6 為最佳方案。 通過本文實驗發現水淬油冷、 提高回火溫度、兩次回火、 回火油冷均可以提高鋼的塑韌性， 而回火溫度對塑韌性影響最大。

（4） 工程實踐

采用850 ℃水淬油冷， 610 ℃兩次回火后油冷熱處理后， 主螺栓產品各項力學性能檢驗結果均滿足鍛件采購技術條件要求。 對產品熱處理后的金相組織進行分析， 發現其組織為回火索氏體（ 見圖4）。

另外， 由于主螺栓屬于細長軸類件， 熱處理后容易變形， 而采用水淬油冷的方式既能保證在奧氏體鼻尖溫度時有較高的冷速， 而又不至于在較低溫度下產生過大的淬火應力， 從而降低主螺栓淬火變形和開裂的風險[5]。 因此， 主螺栓產品采用水淬油冷的淬火冷卻方式， 有效控制了熱處理變形量。

圖4 主螺栓產品熱處理后金相組織(200×)

3 結 語

（1） 本文的模擬熱處理結果表明40NCDV7-03鋼采用850 ℃水淬油冷， 以及610 ℃兩次回火后油冷的熱處理工藝可以獲得高強度和高強韌性相匹配的綜合力學性能。

（2） 水淬油冷、 提高回火溫度、 兩次回火、 回火油冷均可以提高鋼的塑韌性。

（3） 生產實踐證明， 采用本文確定的最優熱處理工藝后， 主螺栓產品的金相組織為回火索氏體。