壓力容器14Cr1MoR封頭熱處理工藝及性能試驗研究

邵光輝 王立躍 劉智勇

(1.合肥通用機械研究院；2.安徽機電職業技術學院機械工程系；3.中石化洛陽工程有限公司)

14Cr1MoR鋼不僅具有很高的抗拉強度、屈服強度，較好的韌性和彎曲性能，還具有較高的抗氫性能，綜合性能優異，因而在石油化工、核電、汽輪機缸體及火電等高溫高壓、與氫或氫混合介質接觸的設備中廣泛使用。但這種材料對熱處理工藝的要求比較高，材料本身成型時或者由其焊制的設備往往都需要做熱處理，合適的熱處理工藝能顯著地增強其性能，反之則起不到什么作用，甚至會惡化其性能。因此根據實際生產情況，探索合適的熱處理工藝就顯得尤為重要。某廠生產的壓力容器14Cr1MoR封頭因采用的熱處理工藝不當，導致力學性能不合格，后經分析，對熱處理工藝進行了改進，獲得了性能合格的熱處理試板。筆者希望通過對上述問題的分析、研究解決工業生產中的類似問題。

1 研究材料與方法

封頭材料14Cr1MoR，厚20mm，執行標準GB/T 713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》，其化學成分見表1，試板的抗拉強度Rm為520～680MPa，V型沖擊功Akv≥54J(-18℃，標準試樣：10mm×10mm×55mm)。

表1 試板化學成分 %

制造廠采用的首次熱處理為空冷正火，具體方案為正火溫度930℃×1.5h后出爐冷卻，該方法是14Cr1MoR鋼板制作、加工中常用的熱處理工藝，但令人意外的是采用上述工藝得到的封頭熱處理試板抗拉強度(480～500MPa)和沖擊功均不能達到設計要求，特別是沖擊功數值很低(10～25J)，韌性較差。

分析認為，此時正值夏季，車間內溫度在30℃以上，加之板材的厚度達20mm，屬于中厚板，空冷的冷卻速度會比較慢，可能對組織的轉變和形成產生不良影響，從而影響了試板的力學性能。基于此，筆者對熱處理工藝進行了重新設計，制定了兩種熱處理工藝：

a. 正火溫度930℃，保溫1.5h后風冷；

b. 正火溫度930℃，保溫1.5h后噴淋冷卻(介質為水)。

2 試驗結果與分析

2.1力學性能分析

首次熱處理、熱處理a和熱處理b這3種工藝下所得試板的抗拉強度Rm和沖擊功Akv(-18℃)數值見表2、3。

表2 不同熱處理工藝下試板Rm MPa

表3 不同熱處理工藝下試板Akv J

由表2可以看出，熱處理工藝a、b下的試板Rm均高于首次熱處理工藝下的，說明這兩種工藝均使試板抗拉強度得到了提高。工藝a、b下的Rm數值均在設計要求(520～680 MPa)范圍內。熱處理工藝b下的Rm值最高，無論單個數值還是均值都在工藝a之上。

由表3可以看出，熱處理工藝a、b下的Akv均高于首次熱處理工藝下的，說明該兩種工藝均使試板沖擊韌性得到了提高，但工藝a下的Akv值為24、27、31J，與設計要求的54J仍有較大差距，不合格。工藝b下的Akv值為137、146、163J，高于設計要求的54J，合格。

綜上所述，相對于首次熱處理，熱處理工藝a、b均使試板的抗拉強度和沖擊功得到了提高，這說明熱處理工藝得到了改進；工藝a下，試板Rm值已能達到設計要求，但其Akv數值仍較小，遠低于設計值，沖擊韌性仍不好；工藝b下，試板Rm、Akv數值較高，無論單個數值還是均值都是最高的，且能滿足設計要求，特別是沖擊功值已遠在設計之上，沖擊韌性得到了質的提升，工藝b最優，采用此工藝可以獲得力學性能合格的封頭熱處理試板。

2.2硬度分析

首次熱處理和熱處理工藝b下的布氏硬度如圖1所示。可以看出，首次熱處理下試板各檢測點的硬度值差別很大，且不連續，其范圍在110～200HB，硬度分布極其不均；工藝b下的試板硬度值在170～185HB之間，各檢測點硬度值相差不大，硬度分布比較均勻。分析認為，首次熱處理下試板各檢測點的硬度值之所以相差很大，應是其顯微組織各異，分布極為不均所致；熱處理工藝b下的試板硬度分布比較均勻、連續，說明其顯微組織分布較為均勻。

圖1 不同熱處理工藝下試板硬度

2.3顯微組織分析

首次熱處理和熱處理工藝b下的試板金相照片如圖2所示(腐蝕劑：4%硝酸酒精)。

從圖2的金相照片中可看出，首次熱處理和熱處理工藝b下，試板的組織均分為白色和灰黑色兩種，顯微硬度分析表明白色組織的硬度在85～114HV之間，應為鐵素體(F)，灰黑色組織的硬度在185～205HV，應是珠光體(P)，故首次熱處理和熱處理工藝b下試板的金相組織為F+P。

從圖2還可看出，在相同的放大倍數下，首次熱處理試板的組織相對粗大，且分布不均勻、不連續，鐵素體和珠光體各自成團析出，F與F之間相互隔離，其晶界上布滿P，這種組織特點導致硬度分布不均，抗拉強度和沖擊韌性較差。工藝b下，試板組織非常細密，F和P分布均勻、連續，故其硬度分布均勻，綜合力學性能更好，具有很高的抗拉強度和抗沖擊能力。

圖2 不同熱處理工藝下的試板金相照片

3 結論

3.1在夏季高溫天氣下，采用通常的空冷正火工藝已不能保證14Cr1MoR中厚板封頭的力學性能，在這種工藝下，熱處理試板各處硬度值差別很大，組織分布不均且較粗大，鐵素體和珠光體各自成團析出，鐵素體組織被分割，其晶界上布滿P，這種組織結構造成試板力學性能特別是沖擊韌性較差。

3.2采用風冷和噴水的冷卻方式可以提高板材的冷卻速度，增強熱處理試板的抗拉強度和沖擊功，實現熱處理工藝的改進。風冷所獲得的試板抗拉強度合格，但沖擊韌性提高有限，沖擊韌性仍較差。

3.3采用噴水冷卻所得到的熱處理試板各處硬度均一，鐵素體、珠光體組織較細且分布均勻，其抗拉強度和沖擊功均能滿足設計要求，特別是沖擊功已遠高于設計值，試板綜合力學性能得到了質的提升。該工藝可以保證高溫天氣下中厚板封頭的制造質量，對于實際生產工作具有重要意義。