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加熱溫度對S30432不銹鋼管內壁噴丸處理效果的影響 

發布時間:2021-04-19

在不同溫度下對進口Super304H和國產S30432不銹鋼管進行的保溫2h的熱處理對比試驗結果表明:當加熱溫度超過750℃時噴丸形變層的微觀組織會發生退化,且碎化晶層組織退化速度高于多滑移層組織,導致Cr元素向表面擴散遷移的能力降低;噴丸處理質量會顯著影響噴丸形變層的抗高溫軟化能力;進口Super 304H噴丸管因形變組織硬度更高且分布均勻而使其短時間抗高溫軟化能力比國產S30432噴丸管高出100℃以上。為了充分利用噴丸處理的表面加工硬化能力,需確保噴丸處理的質量以及彎管加工或者焊后熱處理時的溫度不超過730℃。

    S30432(類似于國外Super 304H)不銹鋼管是目前國內研發的超超臨界發電機組鍋爐過熱器和再熱器用材之一,為了進一步提高這類材料的抗蒸汽氧化性能,通常采用內壁噴丸處理的方法使其內表面及亞表層產生加工硬化以促進Cr元素的擴散,從而促使不銹鋼管管壁內表面在機組運行初期就形成一層結構致密的Cr2O3保護膜。但是,目前噴丸處理工藝大都是針對受熱面管屏制造安裝以前的直管實施的,至于噴丸直管在后繼焊接和彎管后熱處理等加工過程中噴丸硬化層的微觀組織結構和性能是否會產生變化尚未見相關報道。為此,本文在實驗室條件下對內壁已進行噴丸處理的國產S30432和進口Super 304H不銹鋼管進行了不同溫度等級的熱處理,并對不同溫度熱處理后的噴丸形變層組織形貌特征和顯微硬度變化規律進行研究,以期為噴丸管焊接和變形后熱處理等提供技術支持。

1  試驗材料及方法

    本試驗所用1號管樣為國產噴丸處理的S30432不銹鋼管,規格為d45 mm×8.9 mm,2號管樣為從日本住友公司進口的噴丸處理Super 304H鋼管,規格為d48.3 mm×8.5 mm。兩根管樣的晶粒度均為67:級,力學性能和化學成分分別符合ASME Code Case2328A 213/A 213M - 07標準。1號管樣噴丸硬化層的碎化晶層較_薄,局部不連續,硬化層厚度和硬度分布不均勻,而2號管樣噴丸硬化層的碎化晶層較厚且均勻,其硬化層的厚度和硬度分布均勻性均優于1號管樣。    

    1號、2號管樣取圓環狀樣品進行熱處理試驗,樣品隨爐加熱,分別在650、750、775、800、850、950、1150℃保溫2h,然后出爐水冷。熱處理后用OPTON高級體視顯微鏡觀察分析內壁的宏觀形態,用金相顯微鏡分析組織特征、測量噴丸形變層的深度等,用顯微硬度計測定維氏硬度,用掃描電鏡進行內壁表面背散射電子(BEJ)和二次電子(SEI)圖像分析.用EDAX進行成分半定量分析。

2  內壁噴丸層的宏觀形貌特征

    各試樣內壁宏觀形貌特征的對比觀察結果表1.部分試樣內壁低倍組織的典型形貌特征見圖1。

    從表1和圖1可以看出:(1)隨著熱處理溫度的升高,各管樣內壁經過:首先形成氧化色(即氧化膜)一氧化色加深一在氧化膜上生成零星氧化斑痕一氧化斑痕增大變厚形成氧化皮一氧化皮增厚一氧化皮增厚至一定厚度一氧化皮脫落。(2)1號、2號管樣噴丸層抗短時間高溫空氣氧化能力有一定差異。1號管樣775℃時內壁約有30%面積形成氧化皮,850℃時內壁巳全面形成氧化皮并且局部氧化皮已經產生零星剝落,2號直管樣直到850℃時內壁才形成厚氧化膜或薄氧化皮,接近950℃時才全面形成氧化皮并發生局部剝落。說明本試驗中國產噴丸管的噴丸層質量不及進口噴丸管。

    另外,經對國產S30432不銹鋼管內壁丸管和未丸管(內外壁經過酸洗的供貨態管)進行650℃熱處理對比試驗發現,未經噴丸處理的供貨態管樣內外壁均會形成一定厚度的灰黑色氧化皮,而經噴丸處理的管樣內壁僅呈氧化色,未生成氧化皮。因此,結合表1的對比結果表明,良好的表面噴丸硬化處理可使S30432類不銹鋼管的抗短時間高溫空氣氧化能力提高,提高幅度約為150200℃。

3  內壁噴丸形變層的微觀組織形貌特征

  將不同溫度熱處理后的管樣制成金相樣品,在ZEISS Imager. Alm研究級顯微鏡下進行內壁丸形變層的微觀組織形貌特征觀察分析和厚度測量,其測量結果見表2,典型形貌特征見圖2。檢測結果發現:(1)在高溫熱處理過程中,內壁噴丸層的碎化晶層會經歷以下變化過程:位錯密度降低一胞狀結構形成一細小品粒形成一晶粒長大;內壁噴丸層的多滑移層退化特征是滑移帶和滑移系統數量的減少,品粒大小基本不變。在高溫熱處理過程中內壁噴丸層的碎化晶層退化速度要高于多滑移層。(2)在保溫2h條件下,1號管樣內壁噴丸層的碎化晶層再結晶溫度范圍約為750-800℃,2號管樣內壁噴丸層的碎化晶層再結晶溫度范圍約為775800℃。(3)650℃熱處理后,1號、2號管樣內壁噴丸層的碎化品層雖然未發生再結晶,但其形變組織已發生回復,如位錯密度和殘余應力降低。(4)1  150℃熱處理后,1號、2號管樣內壁噴丸形變層形態消失,再結晶晶粒存在孿晶,原多滑移層和單滑移層的品粒大小未發生明顯變化。

4噴丸硬化層的維氏硬度變化

    本試驗所用硬度計型號為FM - 700,試驗載荷為200 9,各種熱處理態檢測試樣均采用磨制好的鑲嵌金相樣品,測量位置為距管內壁60 lim處,母材基體硬度測點在管壁厚度中部,測試結果見表3。從表3可知:(1)1號管樣經650℃熱處理其噴丸硬化層的硬度即降至企業標準規定值以下,而2號管樣經750℃熱處理其丸硬化層的硬度雖然也已下降但仍基本滿足企業標準的要求,這表明進口Super 304H噴丸管的短時間抗高溫軟化能力比國產S30432噴丸管高100℃以上,其主要原因是2號管樣形變組織硬度更高且均勻。(2)隨著熱處理溫度升高,管樣噴丸層硬度逐漸下降。熱處理溫度為950℃時原噴丸層位置的硬度均低于200HV0.2,但仍高于母材硬度;熱處理溫度為1 150℃時原丸層位置的硬度僅稍高于母材硬度。

5  Cr元素的分布規律

EDAX1號、2號金相試樣的內壁噴丸形變層和母材基體進行能譜分析,其中Cr元素含量分布規律如圖3所示。從圖3可以看出:(1)650℃和750℃熱處理后,1號、2號管樣內壁噴丸層外側的Cr含量均高于19.00%,而775、800、850℃熱處理后,1號、2號管樣內壁噴九層外側的cr含量部分低于19.00%。

    如:775℃熱處理后1號管樣內壁噴丸層外側的Cr含量為18. 53%;800℃熱處理后2號管樣內壁噴丸層外側的Cr含量為18. 61%,850℃熱處理后Cr含量為18. 92%。(2)950℃熱處理后,1號、2號管樣內壁原噴丸層外側的Cr含量均高于19. 00%。(3)1 150℃熱處理后,管樣內壁原噴丸層外側的Cr含量均低于19. 00%。這表明:在650750℃溫度范圍,各管樣內壁噴丸層仍保持良好的向外表面輸送Cr元素的能力;在775850℃溫度范圍,各管樣內壁噴九層的形變組織不同程度退化,向外表面輸送Cr元素的能力降低;在9501  150℃溫度范圍,管樣材料的高溫空氣氧化機理發生變化,隨著氧化溫度升高,氧化速度明顯加快,向外表面輸送Cr元素的能力不及氧化消耗的Cr量,造成內壁原噴九層外側的Cr含量降低。

6  結  論

    (1)在保溫2h的試驗條件下,當加熱溫度超過750℃時丸形變層的微觀組織即發生退化,且碎化品層組織退化速度比多滑移層組織快,導致Cr元素向表面快速擴散遷移的能力降低。

    (2)噴丸處理質量會顯著影響丸形變層的抗高溫軟化能力,進口Super 304H不銹鋼管因形變組織均勻且硬度更高而使其短時間抗高溫軟化能力比國產S30432不銹鋼管高出100℃以上。

    (3)為了充分發揮噴丸處理的表面加工硬化作用,首先要確保噴丸處理的質量,其次要注意彎管加工或者焊后進行熱處理時的溫度不超過730℃。

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