新型T23無縫鋼管熱處理工藝試驗研究

趙慶權，曹金榮，肖功業，何 彪

（天津鋼管集團股份有限公司技術中心，天津300301）

新型T23無縫鋼管熱處理工藝試驗研究

趙慶權，曹金榮，肖功業，何 彪

（天津鋼管集團股份有限公司技術中心，天津300301）

分析研究了熱處理工藝對新型T23無縫鋼管組織性能的影響。結果表明，在試驗溫度范圍內，隨著奧氏體化溫度提高，硬度總體緩慢增加，晶粒長大，奧氏體化溫度升高到1 050℃、30 min時，晶粒度達到理想的7～7.5級；隨回火溫度升高，強度、硬度均緩慢下降，但在770℃溫度以后，組織性能已趨于相對穩定。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。

T23無縫鋼管；熱處理工藝；性能；試驗

1 引言

T23鋼（ASME Code Case 2199）是住友金屬和三菱重工聯合開發的一種新型電站鍋爐用鋼，20世紀90年代后期開始在歐洲及日本多臺亞臨界、超臨界甚至超超臨界火電機組上得到應用。該鋼汲取我國研制的102鋼“多元復合強化”理論，加入合金元素Mo、W增強固溶強化和復合強化。同時，在T22的基礎上適當降低含碳量，加入微合金元素V、Nb、B等形成彌散沉淀強化，使得T23鋼在550～600℃具有良好的蠕變性能和許用應力[1]。同時，與低合金耐熱鋼T22（2．25Cr-1Mo）相比，它降低了含碳量，使熱影響區硬度降低至350 HV以下，焊接性得到很大改善，焊接時可以取消預熱和焊后熱處理，以彌補碳含量降低對高溫蠕變強度帶來的不利影響。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組織性能的影響進行分析，從而探索最佳熱處理工藝。

2 試驗材料與工藝

試驗材料采用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，利用菌式穿孔機制成?89 mm×9 mm毛管。其化學成分見表1。

試驗用材料取自穿孔后探傷合格的鋼管，按照美標相關標準進行取樣分析。

利用DT1000型淬火膨脹儀對新型T23鋼進行了CCT曲線測定，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較大范圍內轉變成貝氏體-馬氏體組織結構。馬氏體的最大硬度僅為350 HV左右，且與碳含量有關。在工業化生產中正火+回火狀態下，組織一般為回火貝氏體。

表1試驗所用試樣化學成分

圖1 新型T23鋼CCT曲線

3 試驗結果

通過對CCT曲線進行分析，測定新型T23鋼低溫轉變點Ac1位于800～820℃，高溫轉變點Ac3位于960～990℃。ASME SA-213M標準中規定該鋼應在不低于1 040℃正火及不低于730℃下回火作為最終的熱處理。

本文將根據美國ASME SA-213M標準要求，結合該鋼種的CCT曲線特征，研究不同奧氏體化溫度、回火溫度對該鋼種組織性能影響。

表2為奧氏體化溫度試驗數據。

表3為回火溫度試驗數據。

4 結果分析

4．1 奧氏體化溫度對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775℃、120 min回火前后硬度與溫度關系曲線。

由圖2可見，隨奧氏體化溫度提高，硬度總體緩慢增加，此時鋼中固溶元素W、Mo、Cr充分溶解，同時，碳氮化合物也進一步溶解，增加了奧氏體的穩定性，從而增強材料強度。經775℃、120 min回火（空冷AC）后硬度變化趨勢基本與之相似。

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1 000℃、30 min水冷后晶粒度為8．5～9級，見圖3（a）；奧氏體化溫度升高到1 050℃、30 min時，晶粒度達到理想中7～7．5級，見圖3（c）；而溫度繼續升高到1 075℃、30 min以上，晶粒度已粗化，達到5．5級甚至更大，見圖3（d）、（e）。

一般規律認為隨正火溫度升高，材料的持久強度提高，其因素除鋼種合金元素固溶強化作用顯著增加外，回火后基體中細小的碳氮化物析出強化也增強，同時，晶粒尺寸變大對持久強度的提高也有顯著貢獻，但不能誤認為正火溫度越高，鋼的綜合性能越優良。實際生產中還要綜合考慮生產成本、設備能力、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數據

表3不同回火溫度試驗數據

4．2 回火溫度對組織性能的影響

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

圖2 不同奧氏體化溫度與硬度關系

圖4回火溫度對強度的影響

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，鐵素體基體呈現多邊形化，晶粒有所長大。同時，由正火產生于基體中島狀物數量減少而細小碳氮化物顆粒明細顯增多，分布更加均勻，彌足由固溶強化作用減弱造成的強度下降，使鋼組織和性能趨于相對穩定，從而達到提高持久強度的目的[3]。

5結論

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

（2）在試驗溫度范圍內，隨回火保溫升高，強度、硬度均緩慢下降，達到770℃回火溫度時，組織性能已趨于相對穩定。此時合金元素在固溶體基體和碳化物之間緩慢分配，鐵素體基體呈現多邊形化，晶粒有所長大，基體中島狀物數量減少而細小碳氮化物顆粒明細顯增多，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。

[1]于在松，王弘喆，聶銘，等．HCM2S（T23）鋼顯微組織結構特征及強化機理分析[J]．鑄造技術，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（1979—），男，碩士，工程師，主要從事高壓鍋爐用管方面的研究工作。