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加热温度对S30432不锈钢管内壁喷丸处理效果的影响 

发布时间:2021-04-19

在不(bu)同温(wen)度下(xia)对(dui)进口Super304H和国(guo)产S30432不锈(xiu)钢管进行的保温2h的热处理对比试验结果(guo)表明:当(dang)加热温(wen)度超过(guo)750℃时喷丸形变层的微观组织(zhi)(zhi)会发生退(tui)化,且碎化晶层组织(zhi)(zhi)退(tui)化速(su)度高于多滑移层组织(zhi)(zhi),导(dao)致Cr元素向表面扩散迁移的(de)能力降低(di);喷丸处理质量会显(xian)著影响喷丸形变层的(de)抗高温软化能力;进口Super 304H喷(pen)丸管因形变组织硬(ying)度更(geng)高且分布均匀而使其短时间抗高温软化能力(li)比(bi)国(guo)产S30432喷丸管高(gao)出100℃以上。为了充分利(li)用喷丸处理的(de)表面加工硬化(hua)能力,需(xu)确保(bao)喷丸处理的(de)质量以及弯管加工或者焊后热处理时的(de)温度不(bu)超(chao)过(guo)730℃。

    S30432(类似于国外Super 304H)不锈(xiu)钢(gang)管是目前国内(nei)研发的超(chao)超(chao)临界(jie)发电机组锅炉过(guo)热(re)器和再热(re)器用材之(zhi)一,为了进一步(bu)提高这类材料的抗蒸汽(qi)氧化(hua)性(xing)能,通(tong)常(chang)采用内(nei)壁喷(pen)丸处理(li)的方法使其内(nei)表面及亚表层产生加工硬化(hua)以促(cu)进Cr元素的(de)(de)扩散,从而促(cu)使(shi)不锈(xiu)钢管管壁内表面在机组运行初期就(jiu)形成一(yi)层结构致密的(de)(de)Cr2O3保护膜。但(dan)是(shi),目前(qian)喷丸处理工(gong)艺大都是(shi)针(zhen)对(dui)受热面管(guan)屏制造(zao)安装以前(qian)的直(zhi)管(guan)实施的,至于喷丸直(zhi)管(guan)在后继焊(han)接和弯管(guan)后热处理等加(jia)工(gong)过程中喷丸硬化(hua)层的微观组织(zhi)结构和性能是(shi)否会产生变化(hua)尚未见相关报道。为此,本(ben)文在实验室条件下对(dui)内壁已(yi)进行(xing)喷丸处理的国(guo)产S30432和(he)进(jin)口Super 304H不(bu)锈钢(gang)管进行了不(bu)同温度(du)等级的热(re)(re)处理(li),并对不(bu)同温度(du)热(re)(re)处理(li)后的喷丸(wan)形变层(ceng)组织形貌特(te)征和显微硬度(du)变化(hua)规律进行研究,以期为(wei)喷丸(wan)管焊接和变形后热(re)(re)处理(li)等提供技(ji)术(shu)支持。

1  试验材料及方(fang)法

    本试验(yan)所用1号(hao)管(guan)样(yang)为(wei)国产喷(pen)丸处(chu)理的S30432不锈钢管,规格为d45 mm×8.9 mm2号管样为从日本住(zhu)友(you)公司进口(kou)的喷丸处理Super 304H钢管,规格为d48.3 mm×8.5 mm。两根管样的晶粒度均(jun)为67:级,力学性能(neng)和化学成分(fen)分(fen)别符(fu)合ASME Code Case2328A 213/A 213M - 07标准(zhun)。1号(hao)管(guan)样喷丸硬(ying)化层的(de)碎(sui)化晶层较_薄,局(ju)部(bu)不连续,硬化层厚(hou)度和(he)硬度分布不均匀,而(er)2号管(guan)样(yang)喷丸(wan)硬化层的(de)碎化晶层较厚且均(jun)匀,其硬化层的(de)厚度和硬度分布(bu)均(jun)匀性(xing)均(jun)优于(yu)1号(hao)管样(yang)。    

    对(dui)1号、2号管样(yang)取圆环状样(yang)品(pin)进行热(re)处理试(shi)验,样(yang)品(pin)随炉加热(re),分别在(zai)6507507758008509501150℃保(bao)温2h,然后出炉水(shui)冷。热(re)处理后用OPTON高级体视显微镜(jing)(jing)观察分析内壁(bi)的宏观形(xing)态(tai),用(yong)(yong)金相(xiang)显微镜(jing)(jing)分析组(zu)织特征、测(ce)量喷丸形(xing)变层的深度(du)等,用(yong)(yong)显微硬度(du)计(ji)测(ce)定维氏硬度(du),用(yong)(yong)扫(sao)描(miao)电镜(jing)(jing)进行内壁(bi)表面(mian)背散射电子(BEJ)和(he)二次电子(zi)(SEI)图(tu)像(xiang)分析.用EDAX进行成分(fen)半(ban)定量分(fen)析。

2  内壁喷(pen)丸层的宏观形貌特征

    各(ge)试样内壁宏观形貌(mao)特征的对比观察结果表1.部分试(shi)样(yang)内(nei)壁低倍组织的典(dian)型形(xing)貌特征见图(tu)1

    从表(biao)1和图1可以(yi)看出:(1)随着热(re)处(chu)理温度(du)(du)的升高,各管样内壁(bi)经过:首先形(xing)成(cheng)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)色(即氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)膜)一(yi)(yi)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)色加(jia)深一(yi)(yi)在(zai)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)膜上生成(cheng)零星氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)斑痕(hen)(hen)一(yi)(yi)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)斑痕(hen)(hen)增大变厚(hou)形(xing)成(cheng)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)皮(pi)一(yi)(yi)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)皮(pi)增厚(hou)一(yi)(yi)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)皮(pi)增厚(hou)至一(yi)(yi)定厚(hou)度(du)(du)一(yi)(yi)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)皮(pi)脱落(luo)。(2)1号、2号管样喷丸层抗短时间高温空气氧化能力有一(yi)定差异。1号管(guan)样(yang)775℃时(shi)内(nei)壁(bi)约有30%面积形成氧化皮,850℃时内壁(bi)巳全面形成氧化(hua)(hua)皮并且局(ju)部氧化(hua)(hua)皮已(yi)经产生零星剥(bo)落,2号直管样直到850℃时(shi)内(nei)壁才形成厚氧化(hua)膜或薄氧化(hua)皮,接近950℃时才全面形成氧(yang)化皮并发(fa)生局(ju)部剥落(luo)。说明本试(shi)验(yan)中国产喷丸(wan)管的(de)喷丸(wan)层质(zhi)量不及进口喷丸(wan)管。

    另外,经对国产S30432不锈钢管内壁丸管和未丸管(guan)(内外壁经过酸洗(xi)的供货态管(guan))进行650℃热处(chu)(chu)理(li)对比试验发现,未(wei)经喷丸处(chu)(chu)理(li)的(de)供货(huo)态管样内(nei)外壁(bi)均会形(xing)成(cheng)一定(ding)厚度的(de)灰黑色(se)氧化皮,而(er)经喷丸处(chu)(chu)理(li)的(de)管样内(nei)壁(bi)仅(jin)呈氧化色(se),未(wei)生成(cheng)氧化皮。因此,结合表1的对比结果表(biao)明,良好的表(biao)面(mian)喷丸硬化处(chu)理(li)可使(shi)S30432类(lei)不锈钢(gang)管的抗短时间高(gao)温(wen)空(kong)气氧化(hua)能力提(ti)高(gao),提(ti)高(gao)幅(fu)度约为150200℃。

3  内(nei)壁喷丸(wan)形变层的微(wei)观组织形貌特征

  将不同温(wen)度(du)热处理后的管样制成金(jin)相样品,在ZEISS Imager. Alm研(yan)究级(ji)显微镜下进行内壁(bi)丸(wan)形(xing)(xing)变层的微观组织形(xing)(xing)貌特征观察分析和厚(hou)度测(ce)量(liang),其测(ce)量(liang)结果见(jian)表(biao)2,典型形貌特征见图2。检测结果发现(xian):(1)在高(gao)(gao)温(wen)热(re)处理(li)(li)过程(cheng)中,内(nei)(nei)壁喷丸层(ceng)(ceng)(ceng)的碎(sui)化(hua)晶(jing)层(ceng)(ceng)(ceng)会(hui)经历以下(xia)变化(hua)过程(cheng):位错密度降低一(yi)胞状结构形成一(yi)细小品粒形成一(yi)晶(jing)粒长(zhang)大;内(nei)(nei)壁喷丸层(ceng)(ceng)(ceng)的多(duo)滑(hua)移(yi)(yi)层(ceng)(ceng)(ceng)退化(hua)特征是滑(hua)移(yi)(yi)带和滑(hua)移(yi)(yi)系统数(shu)量的减少,品粒大小基本不(bu)变。在高(gao)(gao)温(wen)热(re)处理(li)(li)过程(cheng)中内(nei)(nei)壁喷丸层(ceng)(ceng)(ceng)的碎(sui)化(hua)晶(jing)层(ceng)(ceng)(ceng)退化(hua)速度要高(gao)(gao)于多(duo)滑(hua)移(yi)(yi)层(ceng)(ceng)(ceng)。(2)在保温2h条件下,1号管样(yang)内壁(bi)喷丸层的碎(sui)化(hua)晶(jing)层再结晶(jing)温度范(fan)围约为750-800℃,2号管样内壁喷丸(wan)层的碎化晶层再结晶温度范围约为775800℃。(3)650℃热处理后,1号、2号(hao)管样内壁喷(pen)丸层的碎(sui)化品层虽然未发生(sheng)再(zai)结晶,但其形变组(zu)织已发生(sheng)回复,如位错(cuo)密度(du)和残余(yu)应力降低(di)。(4)1  150℃热处理后,1号、2号管样(yang)内壁喷丸(wan)形变层形态消失,再结(jie)晶晶粒(li)(li)存在孪(luan)晶,原多滑(hua)(hua)移(yi)层和单滑(hua)(hua)移(yi)层的品粒(li)(li)大小(xiao)未(wei)发(fa)生(sheng)明显变化。

4喷(pen)丸(wan)硬化层(ceng)的维氏硬度变化

    本试验(yan)所用硬度计型号为FM - 700,试(shi)验载荷为(wei)200 9,各种热处理(li)态检测试样(yang)均(jun)采用磨(mo)制好(hao)的镶嵌金相样(yang)品,测量位置为距管(guan)内(nei)壁60 lim处(chu),母材基(ji)体(ti)硬度(du)测(ce)点(dian)在(zai)管(guan)壁厚度(du)中部,测(ce)试结果见表3。从(cong)表3可知:(1)1号管样(yang)经650℃热处(chu)理(li)其喷(pen)丸硬(ying)化层的硬(ying)度(du)即降至企业标准规定(ding)值以下,而2号管样经750℃热(re)处理(li)其丸硬化(hua)层的硬度虽然也已下降(jiang)但仍基(ji)本满足企业(ye)标准的要(yao)求,这(zhei)表明进口Super 304H喷丸管(guan)的短(duan)时间抗高温软化能力比国产(chan)S30432喷丸管高100℃以(yi)上,其主要原(yuan)因(yin)是2号管样形变组(zu)织硬度更高且均(jun)匀。(2)随着热处(chu)理温度升高,管样喷丸(wan)层硬度逐渐下(xia)降。热处(chu)理温度为950℃时原喷丸层(ceng)位置的硬度均低(di)于200HV0.2,但仍高于(yu)母材(cai)硬度(du);热处理温度(du)为1 150℃时原丸层位置的硬度仅(jin)稍高于母材硬度。

5  Cr元素的分布(bu)规律

EDAX对(dui)1号、2号(hao)金相试样的内壁喷丸形变层(ceng)和(he)母材(cai)基体(ti)(ti)进行能谱分析,其(qi)中Cr元素含(han)量分布规(gui)律(lv)如(ru)图3所(suo)示。从图(tu)3可以看(kan)出(chu):(1)经(jing)650℃和750℃热处理后(hou),1号(hao)、2号管样内壁(bi)喷丸层外侧的Cr含量均高于19.00%,而775800850℃热处(chu)理后,1号、2号管(guan)样内壁喷九层外(wai)侧的(de)cr含量部分低于19.00%

    如:775℃热处理后1号管样内壁(bi)喷丸层外侧的Cr含量为18. 53%800℃热处理后2号(hao)管样(yang)内壁喷丸层(ceng)外侧(ce)的Cr含量为(wei)18. 61%850℃热处理后(hou)Cr含量为(wei)18. 92%(2)950℃热处理(li)后,1号、2号管样内壁原喷丸层外侧的Cr含量(liang)均高(gao)于19. 00%(3)1 150℃热(re)处理(li)后,管样内(nei)壁原喷丸层(ceng)外侧(ce)的Cr含(han)量均(jun)低于(yu)19. 00%。这表明:在(zai)650750℃温度范围,各管样内(nei)壁(bi)喷丸层仍保持良好的向外(wai)表面输送(song)Cr元(yuan)素的(de)能(neng)力;在775850℃温度范围,各(ge)管样(yang)内壁(bi)喷九层的形变组织不同程(cheng)度退化,向外表面(mian)输(shu)送(song)Cr元素的(de)能力降低;在(zai)9501  150℃温度(du)范(fan)围,管样材料的高温空气氧(yang)化机理发生(sheng)变化,随(sui)着(zhe)氧(yang)化温度(du)升高,氧(yang)化速度(du)明显加快(kuai),向外表面输送Cr元素的(de)能力不及氧化消(xiao)耗(hao)的(de)Cr量,造成(cheng)内壁原喷九(jiu)层外侧的Cr含量降低。

6  结(jie)  论

    (1)在保温2h的试验(yan)条件下(xia),当加热(re)温度超过750℃时丸形变(bian)层(ceng)的微(wei)观组(zu)织(zhi)(zhi)即发生(sheng)退(tui)化(hua)(hua),且碎化(hua)(hua)品层(ceng)组(zu)织(zhi)(zhi)退(tui)化(hua)(hua)速度(du)比多滑移层(ceng)组(zu)织(zhi)(zhi)快,导致Cr元素向表面快(kuai)速扩(kuo)散(san)迁移的(de)能力降低(di)。

    (2)喷丸处理质量会(hui)显著影响丸(wan)形变层的抗高温软化(hua)能力,进(jin)口(kou)Super 304H不锈(xiu)钢(gang)管因形变组织均匀且硬度更高而使其短时间抗(kang)高温软化能力比(bi)国产S30432不(bu)锈(xiu)钢(gang)管高出100℃以(yi)上(shang)。

    (3)为了(le)充分发(fa)挥喷丸处理的表面加(jia)工(gong)(gong)硬(ying)化作用,首先(xian)要确保(bao)喷丸处理的质量,其(qi)次(ci)要注意弯管加(jia)工(gong)(gong)或者焊(han)后进行热(re)处理时的温度(du)不超过(guo)730℃。

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