SA-336M-F22V鋼厚壁大鍛件制造工藝

宋宏威 蔣 波 陳秋華 劉多智

(中國第一重型機(jī)械集團(tuán)公司軋輥電站事業(yè)部，黑龍江161042)

SA-336M-F22V是ASME標(biāo)準(zhǔn)中用于制造高溫承壓件的合金鋼之一，相當(dāng)于常用的壓力容器用鋼2.25Cr-1Mo-1/4V。近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源的需求量與日俱增。加氫裂化反應(yīng)裝置也向大型化發(fā)展，用這種材料制造的壓力容器鍛件尺寸也逐漸增大。

我公司生產(chǎn)的出口國外的反應(yīng)器中，有數(shù)件SA-336M-F22V材料的大尺寸加氫鍛件，性能熱處理難度大，其中的頂部人孔大法蘭鍛件具有較明顯的代表性。其工藝特點(diǎn)是壁厚大，頂部人孔大法蘭鍛件熱處理有效壁厚為427.5 mm，見圖1；需要經(jīng)過705℃×32 h模擬焊后熱處理后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

圖1 鍛件的尺寸簡圖Figure 1 The dimension sketch of the forging

1 技術(shù)要求

1.1 SA-336M-F22V鋼的化學(xué)成分

SA-336M-F22V鋼的化學(xué)成分見表1。

1.2 金相檢驗(yàn)

晶粒度檢驗(yàn)按ASTM E112進(jìn)行測定，要求等于或細(xì)于5級。

夾雜物檢驗(yàn)按 ASTM E45 《鋼中非金屬夾雜物顯微評定法》進(jìn)行評定，要求不大于4級。

要求貝氏體組織含量不低于90%。

1.3 力學(xué)性能

力學(xué)性能樣坯要求取自T×T/2處，試樣軸線方向垂直于主鍛造方向。試樣樣坯經(jīng)模擬焊后熱處理(PWHT)后檢驗(yàn)力學(xué)性能。鍛件性能指標(biāo)見表2，模擬焊后熱處理參數(shù)最大為660±5℃×12 h+705±5℃×32 h；最小為705±5℃×8 h。

2 鍛件制造過程及工藝控制

2.1 生產(chǎn)工藝流程

生產(chǎn)工藝流程見圖2。

2.2 冶煉及鍛造

此鍛件的冶煉和澆鑄采用LVCD+VCD工藝，盡可能降低P、S、As、Sn、Sb、[H]、[O]、[N]等有害元素的含量。在鍛造過程中采用合適的鍛比，為生產(chǎn)高質(zhì)量的鍛件奠定良好的基礎(chǔ)。

2.3 鍛后熱處理

表1 SA-336M-F22V鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 The chemical composition of SA-336M-F22V(mass fraction,%)

注：H含量<3×10-6，O含量<30×10-6，N含量<80×10-6。

表2 SA-336M-F22V鋼鍛件的力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Mechanical properties technical targets of the SA-336M-F22V steel forging

圖2 生產(chǎn)工藝流程Figure 2 The production process flow chart

圖3 鍛后熱處理工藝曲線Figure 3 The process curve sketch of after forged heat treatment

由于此鍛件尺寸規(guī)格大，在鍛造過程中極易產(chǎn)生晶粒粗大和混晶現(xiàn)象,而粗晶和混晶都會降低強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，尤其對沖擊韌性的降低非常明顯。為了防止以上問題的出現(xiàn)，鍛后熱處理采用了退火工藝，其工藝曲線如圖3所示。

2.4 性能熱處理

此鍛件的難點(diǎn)在于熱處理壁厚很厚，以及焊后熱處理溫度在高于回火溫度條件下進(jìn)行32 h的模擬。為了使此鍛件能夠達(dá)到規(guī)定的性能指標(biāo)，我們采取以下改進(jìn)措施：(1)調(diào)整合金元素含量，提高鍛件的淬透性和回火穩(wěn)定性；(2)調(diào)質(zhì)熱處理時(shí)加退火工序，目的在于進(jìn)一步細(xì)化晶粒和減小微觀偏析(性能熱處理工藝見圖4)。

在滿足設(shè)計(jì)化學(xué)成分要求的前提下，盡量提高M(jìn)o、V等合金元素含量，在鍛后熱處理、性能熱處理前均進(jìn)行了一次退火，這樣可以有效地細(xì)化晶粒、調(diào)整組織、防止混晶。提高Cr、Mo等合金元素含量可增加材料的淬透性并提高材料的強(qiáng)度，保證淬火后鍛件的T/2處得到90%以上貝氏體，防止析出過多的先共析鐵素體，從而保證鍛件T×T/2處的強(qiáng)度和低溫沖擊韌性；提高M(jìn)o含量可提高回火穩(wěn)定性，以抵抗705℃×32 h模擬焊后熱處理對鍛件力學(xué)性能的影響。淬火溫度較高時(shí)，有利于合金元素在奧氏體化時(shí)的充分溶解，同時(shí)奧氏體化晶粒長大速度較快，長大的奧氏體晶粒尺寸會降低強(qiáng)度指標(biāo)。由于SA-336M-F22V鋼中加入了不同種類的合金元素，使奧氏體的合金化程度提高、穩(wěn)定性增加，影響了細(xì)化晶粒的效果，因此考慮到在不影響奧氏體化時(shí)合金元素充分溶解的前提下，適當(dāng)降低了淬火溫度(見圖4)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

此鍛件粗加工后超聲波探傷一次合格，性能熱處理后進(jìn)行力學(xué)性能及金相檢驗(yàn)，-30℃沖擊性能均大于200 J，晶粒度為6.5級，貝氏體含量達(dá)到90%以上。各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖4 性能熱處理工藝Figure 4 The process curve sketch of performance heat treatment

試樣試驗(yàn)狀態(tài)試驗(yàn)溫度/℃Re/MPaRm/MPaA(%)Z(%)AkV/J試樣1最大焊后熱處理20440-30466418-595486-312 405-81.577.5---296;276;296最小焊后熱處理20440-30540457-650515-26.522.5-79.578.5---296;296;296試樣2最大焊后熱處理20440-30470397-600479-30.526-79.577---296;276;296最小焊后熱處理20440-30540452-650510-2622-8077.5---212;196;176

4 結(jié)語

由于提高了Cr、Mo、V合金元素含量，在性能試樣經(jīng)過32 h最大模擬焊后熱處理，且模擬溫度高于回火溫度的情況下其性能指標(biāo)仍然合格。這說明通過采取調(diào)整合金元素含量、降低有害元素含量、合理的鍛造和鍛后熱處理工藝以及合理的調(diào)質(zhì)工藝等措施，可以生產(chǎn)出合格的SA-336M-F22V材質(zhì)厚壁大鍛件。

[1] 康大韜、葉國斌等.大型鍛件材料及熱處理.龍門書局，1998.

[2] G.克勞斯.鋼的熱處理原理.北京：冶金工業(yè)出版社，1987.