TP347H不銹鋼鋼管彎管工藝淺析

龔德平，魏曉艷

（江聯重工集團股份有限公司，江西 南昌 33001）

隨著我國城市規模擴大和城市化進程的加速，城鎮垃圾的產生量和堆積量逐年增加，各種難以及時處理的工業垃圾和城市生活垃圾已對人們的生存環境構成巨大的威脅。利用城市生活垃圾供熱是解決城市生活垃圾問題的理想方法之一。垃圾焚燒目的是盡可能焚毀廢物，使被焚燒的物質變為無害和充分減容，減少新污染物質產生，避免造成二次污染。焚燒處理最大優點是減量效果好，使焚燒廢物體積和重量減少90%以上。將垃圾焚燒產生的熱能用于供熱，使城市垃圾成為新能源，既有利于環境保護，又可獲得較明顯的經濟效益和社會效益。由于垃圾成分復雜、燃燒后的煙氣具有較強的腐蝕性以鍋爐過熱器部分煙氣溫度較高，故常采用TP347作為高溫過熱器的材料。由于空間布置原因鋼管采用了小R彎管半徑，鋼管φ51×5，彎管半徑R34，此彎管制作難度大，結合公司進行試制及后期制作的經驗，就TP347材質鋼管φ51×5，彎管半徑R34制作工藝進行介紹。

1 奧氏體不銹鋼背景

TP347H材料國內牌號1Cr19Ni11Nb，該材料冷加工性能和焊接性能良好，焊后不需進行熱處理，表1為TP347H材料的化學成分，表2為TP347H材料的力學性能

表1 TP347H鋼的化學成分%

表2 TP347H鋼的常溫機械性能

1.1 不銹鋼中各種元素的作用

Cr：不銹鋼獲得耐腐蝕性能的主要合金元素，由于鉻形成的致密、穩定的Cr2O3薄膜的保護，阻止了介質對金屬基體的繼續滲入腐蝕。

Ni：形成和穩定奧氏體的元素。當把鎳含量繼續提高到8%左右時，一般情況下，可獲得單相奧氏體組織，即被廣泛應用的18-8奧氏體不銹鋼，其比相同含鉻量的鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼，有更優良的耐腐蝕性能，而且，加工性能焊接性能、低溫下的塑性和沖擊韌性更好。

C：碳在不銹鋼中發揮著有益和有害兩個方面的作用。碳可以提高奧氏體鋼的熱強性，但是，C和Cr的親和力很大，容易和不銹鋼中的Cr結合（FeCr）23C6。這類碳化物沿晶界析出，會引起該處產生貧Cr區，引起晶間腐蝕。

Nb、Ti：鈦和鈮都比鉻更容易形成碳化物，鈦和鈮存在于不銹鋼中，會使鋼中的碳盡可能地與鈦或鈮結合，這樣，就會使鋼中的鉻能盡量穩定地存在于固溶體中，使固溶體中有足以保證耐腐蝕性能的鉻的含量，保證鉻不沿晶界析出，也就保證了在晶界處不存在貧鉻區，即可有效地防止不銹鋼產生晶間腐蝕。

1.2 晶間腐蝕

沿著金屬晶粒間的分界面向內部擴展的腐蝕。室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02%～0.03%，但是一般奧氏體不銹鋼中的含碳量均超過這個數值，所以多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和附近的Cr元素結合，在晶間形成碳化鉻的碳化物，如（FeCr）23C6。當晶界的Cr的質量分數低于12%時，就會形成“貧鉻區”，在腐蝕介質作用下，該區域很容易被腐蝕，故名“晶間腐蝕”，如圖1所示。

圖1 晶間腐蝕

1.3 奧氏體敏化區間

奧氏體不銹鋼在420～850℃范圍內停留時間過長，奧氏體中的C元素就會充分析出到奧氏體晶界處，C元素和Cr元素充分地結合形成碳化鉻，從而加快了晶間腐蝕。

1.4 固溶處理

奧氏體不銹鋼固溶化熱處理的目的是把在以前各加工工序中產生或析出的合金碳化物，如（FeCr）23C6等重新溶解到奧氏體中，獲取單一的奧氏體組織，以保證材料有良好的機械性能和耐腐蝕性能，充分地消除應力和冷作硬化現象，固溶處理工藝見圖2。

2 工藝試驗

根據管子彎管的不同工序位置，制定相應的四組工藝試驗，如圖3，對比其相關力學性能和金相組織，選擇最適合的一組作為生產制造工藝。

圖2 固溶處理工藝

圖3 四組工藝試驗

第一組：冷彎R75；

第二組：冷彎R75+熱擠R34；

第三組：冷彎R75+熱擠R34+固溶處理；

第四組：冷彎R75+固溶處理+熱擠R34；

每組彎頭按照表3中的試驗名稱和試驗數量分別進行試驗。

表3 每組彎管試驗名稱及數量

試樣的取樣位置：

微觀金相：a.彎頭最外側，拉伸變形最大處； b.直段溫度梯度段；硬度試驗：a.彎頭微觀金相試件上打點； b.直段處隨機取5點；拉伸試驗：直段處；彎曲試驗：直段處；晶間腐蝕：直段溫度梯度段；

圖4

2.1 力學試驗

（1）各組試驗試件在直段上的力學性能見表4。

表4 直段力學性能結果

（2）各組試驗試件在彎頭上的力學性能見表5。

表5 彎頭力學性能結果

2.2 硬度檢測

各組試驗試件直段和彎頭上的硬度檢測結果見表6。

表6 直段和彎頭的硬度檢測結果（維氏HV ）

硬度結果分析：冷彎加工后，彎頭處產生加工硬化，硬度值升高。熱擠對加工硬化沒有任何改善。固溶處理對冷作硬化有明顯改善，但溫度梯度段的硬度值上升。

2.3 微觀金相

（1）4組試件彎頭處金相組織見圖5。

從彎頭處金相組織分析，可得出冷彎導致彎頭最外側晶格錯位、變形、扭曲，有很多黑點產生。初步猜測黑點為碳化物。

（2）4組試件直段處金相組織見圖6。

圖5 4組試件彎頭處金相組織

圖6 組試件直段處金相組織

從直段處金相組織分析：

第一組為原材料微觀金相。第二組較第一組金相組織差異不明顯，晶粒度大小差異不明顯。第三、第四組比第一、第二組晶粒細，第三組和第四組晶粒度大小差不多。

彎頭最外側：

晶粒度大小：第一組＞第二組＞第三組＞第四組

第一組和第二組有大量黑色組織，第三組和第四組黑色組織比第一組和第二組少，但還是比原材料多。

2.4 電鏡掃描

對固溶前后的材料進行電鏡掃描（見圖7）及對產生在晶界上的顆粒物進行能譜分析（見圖8）。

圖7 固溶前后電鏡掃描對比

圖8 晶界上的顆粒物能譜分析

能譜分析判定顆粒狀組織的確為碳化物，但主要以碳化鈮為主，Nb元素質量分數為79.38%，而Cr元素為1.90%，只有極少部分Cr元素和C結合。Nb元素優先和C元素結合，使不銹鋼鋼中Cr質量分數得到保證，阻止“貧鉻”現象產生，保證不銹鋼的耐腐蝕性。

2.5 試驗小結

TP347H管子冷彎至R75后，彎頭變形產生加工硬化，硬度值由240變大到307，材料變硬變脆，基本沒有延展性，晶粒位錯、變形。對R75的彎頭進行熱擠壓至R34，組織沒有明顯變化，硬度值仍然達到301，熱擠壓由于時間較短，組織還未來得及改變。所以熱擠對材料組織影響不明顯。但材料在很脆的情況下擠壓，容易導致開裂。第三組和第四組是對彎頭加了一道固溶程序，第三組是在熱擠R34后進行固溶，第四組是冷彎R75后固溶處理再進行熱擠。第三組和第四組彎頭外側晶粒較第一組和第二組都有所變細，第四組最細。但第三組和第四組的溫度梯度段硬度值上升，微觀金相中黑色顆粒較多，分析硬度上升和產生黑色顆粒有關。黑色組織應該以碳化鈮為主，其中也有少量碳化鉻、碳化鐵、碳化硅等，Nb元素在其中發揮著非常重要的穩定作用，TP347H彎頭后進行擠壓時彎管硬化造成管子開裂，通過在擠壓前固溶化處理減少加工硬化，恢復材料性能。在擠壓后不再出現管子開裂的情況，對擠壓后的彎管進行金相和力學性能檢測達到材料強度要求。

3 制定P347材質鋼管φ51×5，彎管半徑R34的制作工藝

根據工藝試驗，最后我們選擇了先進行彎管R75然后進行固溶化處理，最后進行擠壓至R34，經過幾臺產品的試制我們對所有管頭進行PT檢測沒有任何質量問題，很好地保證了產品的質量和生產進度，完成了制作工藝的固化。

4 結語

TP347H材料的鋼管小R彎制造工藝有一定的難度，易造成材料開裂、管頭報廢，經過試驗的工序對比，很好的解決了相關問題，取得了良好的生產效益，保證了制造出的產品符合相關技術要求和規范。