P355GH鋼熱成型大厚度封頭的后續熱處理試驗與研究

李 飛

(太原鍋爐集團有限公司,山西 太原 030008)

0 引言

某型鍋爐封頭選用材料為P355GH正火鋼，封頭尺寸為Φ1 600 mm×80 mm，該封頭成型加工具有相當的技術難度。由于冷壓成型大厚度封頭存在很高的變形抗力，成型后外側金屬延伸量大，工藝風險性高，因此實際生產中一般采用大型壓力機借助預制模具進行熱壓成型。依據相關制造標準，封頭熱壓成型期間被均勻加熱到正火溫度，成型后可以免去恢復性能的熱處理[1]，而太原鍋爐集團有限公司對正火溫度區間沖壓成型的P355GH封頭取樣進行力學性能檢測時，發現試樣屈服強度均低于標準要求的下限值，不符合材料標準及設計要求。為此，我們進行了恢復材料性能的后續熱處理對比試驗，并通過試驗研究優化了封頭制造工藝，保證了封頭使用性能。

1 P355GH材料

熱成型大厚度封頭采用P355GH鋼板作為加工坯料，執行DIN EN 10028技術標準。本項目使用鋼坯系國內制造的80 mm鋼板軋材，供貨狀態為正火處理，P355GH正火鋼的化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。

表1 P355GH正火鋼的化學成分(質量分數) %

表2 P355GH正火鋼的力學性能

2 P355GH封頭熱成型工藝

P355GH封頭根據實際生產條件使用大型壓力機借助模具進行熱壓成型。將P355GH鋼板在加熱爐中整體加熱，升溫至940 ℃～960 ℃，并保溫2 h，出爐溫度不低于940 ℃，然后一次性完成封頭熱壓成型，待封頭脫模后，保持成型封頭自然空冷。

3 P355G封頭熱成型后力學性能及晶相檢測試驗

分別從5件熱成型后的封頭弧頂開孔余料的1/4厚度處，距邊緣不小于50 mm的部位制取金相、拉伸及V形缺口沖擊力試樣各一組，進行金相及力學性能檢測。 采用Axio Vert A光學顯微鏡觀察的100×金相組織見圖1，5件金相試樣顯微組織均為鐵素體+珠光體，珠光體中滲碳體呈片狀，組織晶粒度為7級(熱成型前原材料晶粒度均大于9級)，金相組織及晶粒度符合材料標準。

圖1 P355GH封頭熱成型后的金相組織

力學性能試驗結果見表3，5件試樣抗拉強度和沖擊吸收功滿足表2所示的標準要求，屈服強度最高為304 MPa、最低為280 MPa，低于標準要求的下限11 MPa～35 MPa。

表3 P355GH鋼封頭熱成型后力學性能試驗結果

厚度80 mm的P355GH封頭已經屬于厚度較大的情況，其金屬熱容大，加熱和冷卻時間較長，熱成型時加熱至相變溫度以上，熱成型過程中工件的冷卻速度低于原材料正火熱處理冷卻速度是導致成型后材料性能不能恢復、晶粒變粗、屈服強度低于標準下限的主要原因。

4 恢復材料性能的后續熱處理對比試驗

為保證P355GH封頭材料力學性能，熱成型后必須進行加熱至相變溫度以上恢復材料性能的后續熱處理[2]，而熱處理冷卻速度是材料性能保證的關鍵因素，為此，制定了正火+回火和水冷淬火+回火兩組熱處理試驗方案[3]。

4.1 采用正火+回火的后續熱處理工藝

正火+回火的熱處理工藝參數為：正火保溫溫度930 ℃、保溫時間0.5 h；回火保溫溫度640 ℃、保溫時間2 h。分別從4件熱成型后的封頭弧頂開孔余料部位制取標準試塊進行恢復性能后續熱處理，分A、B兩組進行，每組各對應兩件封頭。A組正火采用自然空冷，B組正火采用強制風冷，A、B兩組同爐回火熱處理。熱處理后于1/4厚度處取樣進行拉伸和金相檢測。

拉伸試驗結果見表4。A組屈服強度值略有提高，但仍然沒有達到表2不小于315 MPa的標準要求；B組屈服強度較熱成型后試驗值(見表3)提升約18 MPa～19 MPa，雖然達到了表2規定的315 MPa要求，但僅超出7 MPa～8 MPa，安全裕度不大，如果某些工藝因素發生極端變化，極易出現屈服強度值的波動，存在一定的技術風險。

表4 封頭正火+回火后續熱處理兩組試樣拉伸試驗結果

兩組試樣100×金相組織見圖2。A組顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒度7級，珠光體中滲碳體呈片狀，金相組織沒有明顯改善；B組顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒度7.5級，局部區域晶粒度8.5級，珠光體中滲碳體開始分散，金相組織有所改善。

圖2 封頭正火+回火后續熱處理兩組試樣金相組織

從以上試驗結果可知：無論正火處理采用自然空冷方式，還是強制風冷方式，氣體的對流散熱和高溫金屬輻射散熱的冷卻效果都不理想，鋼材力學性能的恢復效果不佳。B組冷卻速度高于A組，其綜合力學性能和金相組織均優于A組，說明隨著冷卻速度的提高，材料性能恢復的效果在逐步提高。

4.2 采用水冷淬火+回火的后續熱處理工藝

封頭熱成型后進行水冷淬火+回火熱處理，熱處理規范見表5。

表5 水冷淬火+回火的后續熱處理工藝參數

熱處理完成后，分別從4件封頭弧頂開孔余料部位制取力學性能和金相檢測試樣各一組，進行力學性能及金相檢測。力學性能試驗結果見表6，力學性能恢復效果比較理想，各項指標均符合表2材料標準要求，較正火+回火熱處理工藝拉伸性能和沖擊性能明顯提升，其中屈服強度提升至357 MPa～434 MPa，高于標準下限值42 MPa～129 MPa，提升13.33%～40.95%，較熱成型后屈服值提升約31%。

表6 封頭水冷淬火+回火后續熱處理試樣力學性能試驗結果

100×金相組織見圖3，顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒度9級～9.5級，珠光體中滲碳體分散，金相組織明顯改善。

圖3 封頭水冷淬火+回火后續熱處理試樣金相組織

實際生產條件下，P355GH鋼封頭熱成型后采用水冷淬火+回火熱處理工藝恢復材料性能，借助于介質熱傳導和液態介質快速流動等散熱形式，相對于正火+回火熱處理工藝可以大幅度提高大厚度封頭零件的冷卻速度，從而進一步提升材料力學性能，再經回火處理改善材料組織性能，能夠有效保證封頭材料滿足技術標準和使用要求。可以認為，P355GH大厚度封頭熱成型后進行水冷淬火+回火熱處理，恢復材料性能的方案是可行的。

5 結論

(1) P355GH正火鋼大厚度封頭熱成型加工后，進行恢復材料性能的后續熱處理作業是必要的，應將該作業工序納入此類產品生產工藝流程。

(2) P355GH大厚度封頭熱成型后恢復材料性能的后續熱處理，相對于正火+回火工藝，采用水冷淬火+回火更為合理。通過水冷淬火+回火后續熱處理工藝措施，能夠有效恢復封頭成型后的材料組織性能，滿足設計及使用要求。