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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(fa)布时(shi)间:2021-04-19

在(zai)不同温(wen)度(du)下对进口Super304H和(he)国产(chan)S30432不锈(xiu)钢管进行的保温2h的热(re)(re)处理(li)对比试(shi)验结果(guo)表明:当加热(re)(re)温度(du)超过750℃时喷丸形变层的微观组织(zhi)会发生退(tui)化(hua),且碎化(hua)晶层组织(zhi)退(tui)化(hua)速度高于(yu)多(duo)滑(hua)移层组织(zhi),导致(zhi)Cr元素(su)向表面扩散迁移的能力(li)降低;喷丸处理质量会显著(zhu)影响喷丸形变层的抗(kang)高温软(ruan)化能力(li);进口Super 304H喷丸管因(yin)形变(bian)组(zu)织(zhi)硬(ying)度更高且(qie)分布均匀而使其短时间(jian)抗高温(wen)软化能力比国产S30432喷丸(wan)管高出100℃以上。为了(le)充分利用喷丸(wan)(wan)处理(li)的(de)(de)表(biao)面加工硬化能力,需确(que)保喷丸(wan)(wan)处理(li)的(de)(de)质(zhi)量以及弯管加工或者焊后热处理(li)时的(de)(de)温度不超过730℃。

    S30432(类(lei)似于国(guo)外Super 304H)不锈钢管是目前国(guo)内研发(fa)的超超临界(jie)发(fa)电机组锅炉过热器和(he)再热器用材(cai)(cai)之一,为了进一步提(ti)高这(zhei)类材(cai)(cai)料的抗蒸汽氧(yang)化(hua)性能,通常(chang)采用内壁喷丸处理的方(fang)法使其内表面及亚表层产(chan)生加工硬化(hua)以促进Cr元素的扩(kuo)散,从而促使不锈钢管(guan)管(guan)壁内表面在机组运行初期就(jiu)形成一(yi)层结构致密的Cr2O3保护膜。但是,目前喷丸处理(li)工(gong)艺大都是针对受热面管(guan)屏(ping)制造安装(zhuang)以(yi)前的(de)(de)直管(guan)实施的(de)(de),至(zhi)于喷丸直管(guan)在后(hou)继焊(han)接和(he)弯管(guan)后(hou)热处理(li)等加(jia)工(gong)过程中喷丸硬(ying)化层的(de)(de)微观组织结构和(he)性能是否(fou)会(hui)产生变(bian)化尚未见相关报道(dao)。为此,本文在实验(yan)室(shi)条件下对内壁已进(jin)行喷丸处理(li)的(de)(de)国产S30432和进口Super 304H不锈钢管进行(xing)了不同温度(du)等(deng)级的(de)热处(chu)(chu)理(li)(li),并对(dui)不同温度(du)热处(chu)(chu)理(li)(li)后的(de)喷丸形变层组织形貌(mao)特征和(he)显微硬度(du)变化(hua)规(gui)律进行(xing)研(yan)究(jiu),以期为喷丸管焊接和(he)变形后热处(chu)(chu)理(li)(li)等(deng)提供技(ji)术支持(chi)。

1  试验材料及方(fang)法

    本(ben)试验所(suo)用1号管样为国(guo)产喷丸处理(li)的(de)S30432不锈钢管,规格为d45 mm×8.9 mm2号管样为从日本住友公司进口(kou)的喷丸处理Super 304H钢(gang)管,规格为d48.3 mm×8.5 mm。两根(gen)管样(yang)的(de)晶粒度均为(wei)67:级(ji),力学性(xing)能和(he)化学成分(fen)分(fen)别符合(he)ASME Code Case2328和(he)A 213/A 213M - 07标准。1号管样喷丸硬化层(ceng)的(de)碎化晶层(ceng)较_薄,局部不(bu)连续(xu),硬化(hua)层厚(hou)度和硬度分布不(bu)均匀,而2号管(guan)样喷丸硬化(hua)层(ceng)的碎化(hua)晶层(ceng)较厚且均(jun)匀,其硬化(hua)层(ceng)的厚度和硬度分布均(jun)匀性均(jun)优于1号管样。    

    1号、2号管样取圆环状(zhuang)样品进(jin)行(xing)热(re)处理试验(yan),样品随炉加(jia)热(re),分别在6507507758008509501150℃保温2h,然后出炉水冷。热(re)处(chu)理后用OPTON高级体(ti)(ti)视显(xian)微(wei)(wei)镜观察分(fen)析(xi)内壁的宏观形(xing)态(tai),用金相显(xian)微(wei)(wei)镜分(fen)析(xi)组织(zhi)特征(zheng)、测量喷丸形(xing)变层(ceng)的深(shen)度等,用显(xian)微(wei)(wei)硬(ying)度计测定维氏(shi)硬(ying)度,用扫描电(dian)(dian)镜进(jin)行内壁表面背散射电(dian)(dian)子(BEJ)和二(er)次电子(SEI)图像分析.用EDAX进行成分半定量分析。

2  内壁喷丸层的宏观(guan)形(xing)貌特(te)征

    各试样内壁宏(hong)观(guan)形貌特征的(de)对比观(guan)察(cha)结果(guo)表1.部分试(shi)样内壁低倍组织的典型形貌特(te)征见图1

    从表1和图(tu)1可以看出:(1)随着热处理(li)温度的升(sheng)高,各管样内壁经过(guo):首先形成(cheng)氧化(hua)色(即氧化(hua)膜)一氧化(hua)色加深一在氧化(hua)膜上生成(cheng)零星氧化(hua)斑(ban)痕一氧化(hua)斑(ban)痕增大变(bian)厚形成(cheng)氧化(hua)皮(pi)(pi)一氧化(hua)皮(pi)(pi)增厚一氧化(hua)皮(pi)(pi)增厚至一定厚度一氧化(hua)皮(pi)(pi)脱落。(2)1号、2号管(guan)样喷丸层抗短时间高温(wen)空气氧化能力有一(yi)定差(cha)异。1号管样775℃时(shi)内壁约有30%面积形(xing)成(cheng)氧化(hua)皮(pi),850℃时内壁巳(si)全(quan)面(mian)形成(cheng)氧(yang)化皮(pi)并且局部氧(yang)化皮(pi)已经产生零星剥落,2号直管(guan)样直到(dao)850℃时内壁(bi)才形成厚氧化膜或(huo)薄氧化皮,接近950℃时才全面形成氧化(hua)皮(pi)并发生(sheng)局部剥(bo)落。说明本试验中国产喷(pen)丸(wan)(wan)管的(de)喷(pen)丸(wan)(wan)层(ceng)质(zhi)量不(bu)及进(jin)口喷(pen)丸(wan)(wan)管。

    另外,经(jing)对国产S30432不锈(xiu)钢管内壁丸管和(he)未丸管(guan)(内外壁经(jing)过酸洗的供货态管(guan))进行(xing)650℃热处理(li)对比试验发(fa)现(xian),未经喷(pen)丸(wan)处理(li)的供货态管样内外壁均会形成一定厚度的灰(hui)黑色氧化皮,而经喷(pen)丸(wan)处理(li)的管样内壁仅呈(cheng)氧化色,未生成氧化皮。因此,结合表1的(de)对比结果表明,良好的(de)表面(mian)喷丸(wan)硬化处理可使S30432类不(bu)锈钢管的(de)抗短时间高(gao)温空气氧化能力提(ti)高(gao),提(ti)高(gao)幅度约为150200℃。

3  内壁喷丸形变层的微观组织形貌特(te)征(zheng)

  将(jiang)不同温度热处理后(hou)的管样(yang)制成金相(xiang)样(yang)品,在ZEISS Imager. Alm研究级显微镜(jing)下进(jin)行内壁丸形(xing)变层的(de)微观组织形(xing)貌特(te)征观察分析和厚度(du)测(ce)量(liang),其测(ce)量(liang)结果见表2,典型(xing)形貌(mao)特征(zheng)见图2。检测结(jie)果发(fa)现:(1)在高(gao)温热(re)处理(li)过程中(zhong),内壁喷丸层(ceng)(ceng)的(de)碎(sui)(sui)化(hua)晶(jing)(jing)(jing)层(ceng)(ceng)会经历以下(xia)变化(hua)过程:位(wei)错密度降低一(yi)胞状(zhuang)结构形成一(yi)细小(xiao)品(pin)粒(li)形成一(yi)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)长大(da);内壁喷丸层(ceng)(ceng)的(de)多(duo)滑(hua)移层(ceng)(ceng)退化(hua)特征是滑(hua)移带和滑(hua)移系(xi)统数量的(de)减少,品(pin)粒(li)大(da)小(xiao)基本不变。在高(gao)温热(re)处理(li)过程中(zhong)内壁喷丸层(ceng)(ceng)的(de)碎(sui)(sui)化(hua)晶(jing)(jing)(jing)层(ceng)(ceng)退化(hua)速(su)度要(yao)高(gao)于多(duo)滑(hua)移层(ceng)(ceng)。(2)在(zai)保温2h条件下(xia),1号(hao)管样(yang)内壁喷丸层的碎化晶(jing)层再结晶(jing)温度范围约为750-800℃,2号管样内壁喷(pen)丸层的(de)碎化晶层再结晶温度(du)范围约(yue)为775800℃。(3)650℃热处(chu)理(li)后,1号、2号管样(yang)内(nei)壁喷(pen)丸层的碎化(hua)品层虽(sui)然未发(fa)生再(zai)结晶(jing),但其形变组织已发(fa)生回复,如位错密度和残余应力(li)降低。(4)1  150℃热处理后,1号、2号管样内壁喷丸(wan)形变(bian)层形态消失(shi),再结晶(jing)晶(jing)粒存在(zai)孪晶(jing),原(yuan)多滑移层和单滑移层的(de)品粒大小未发(fa)生明(ming)显变(bian)化。

4喷丸硬化(hua)层(ceng)的维氏硬度变化(hua)

    本试验所(suo)用硬(ying)度计型号为FM - 700,试验(yan)载荷为(wei)200 9,各种热(re)处理态检测(ce)试(shi)样(yang)均采用磨制好的镶(xiang)嵌金相样(yang)品,测(ce)量位置为距管内壁60 lim处,母材基体硬度(du)测(ce)(ce)点在(zai)管(guan)壁厚度(du)中部,测(ce)(ce)试结果见表3。从表3可知:(1)1号管样经650℃热(re)处理其喷丸硬化层(ceng)的(de)硬度即(ji)降至(zhi)企业标准(zhun)规定值以下,而2号管样经750℃热(re)处理其丸硬(ying)化(hua)层的硬(ying)度虽然也已下降但仍基本满足(zu)企业标准(zhun)的要(yao)求,这表明进口(kou)Super 304H喷丸(wan)管的短(duan)时间抗(kang)高温(wen)软化能力比国产(chan)S30432喷丸管(guan)高(gao)100℃以上,其(qi)主要原(yuan)因是2号管样形变组织硬(ying)度(du)更高且(qie)均(jun)匀。(2)随着热(re)处理温度升(sheng)高,管样(yang)喷丸层(ceng)硬(ying)度逐渐下降。热(re)处理温度为(wei)950℃时(shi)原喷丸(wan)层位(wei)置的硬度均低于200HV0.2,但仍高于母材硬度;热处理温(wen)度为(wei)1 150℃时原喷(pen)丸层位置的硬(ying)(ying)度仅稍高于(yu)母材(cai)硬(ying)(ying)度。

5  Cr元素(su)的分布(bu)规律

EDAX对(dui)1号、2号金相试样的内壁(bi)喷丸形变层和(he)母材基体进行能谱分(fen)析,其中(zhong)Cr元素含量(liang)分布规(gui)律如图3所(suo)示(shi)。从图3可(ke)以看出:(1)650℃和750℃热处理后,1号、2号管(guan)样内壁喷丸层(ceng)外侧的Cr含量均高(gao)于19.00%,而775800850℃热(re)处理后,1号(hao)、2号管样内壁喷九层外(wai)侧的cr含量部(bu)分低于(yu)19.00%

    如:775℃热处理后1号管(guan)样内壁喷丸层外(wai)侧的Cr含(han)量为18. 53%800℃热处(chu)理后(hou)2号管样内壁喷丸层外侧的Cr含量为18. 61%850℃热处理后Cr含(han)量(liang)为18. 92%(2)950℃热处理后,1号、2号(hao)管(guan)样内壁原喷丸层外侧的Cr含量均高于19. 00%(3)1 150℃热处理后(hou),管样内壁原喷(pen)丸层外侧的Cr含量(liang)均(jun)低(di)于19. 00%。这(zhei)表明:在650750℃温(wen)度范围,各管样内壁喷丸层仍(reng)保持(chi)良好的(de)向外表面输送Cr元(yuan)素(su)的(de)能(neng)力;在775850℃温度(du)范围,各管样内壁(bi)喷(pen)九层的形(xing)变组织不同程度(du)退化,向(xiang)外表面输送Cr元素(su)的能力(li)降低;在(zai)9501  150℃温度(du)(du)范围,管(guan)样材料的高(gao)温空(kong)气氧化(hua)机(ji)理发生变化(hua),随着氧化(hua)温度(du)(du)升高(gao),氧化(hua)速度(du)(du)明(ming)显加(jia)快,向外表面输送Cr元素的(de)能力不及氧化消耗(hao)的(de)Cr量,造成内壁(bi)原喷九(jiu)层外侧(ce)的Cr含量降低(di)。

6  结  论(lun)

    (1)在保温2h的试验(yan)条件下,当加热温度超过750℃时丸形变层的微观组织(zhi)即发生退化,且碎(sui)化品层组织(zhi)退化速(su)度比多滑移(yi)层组织(zhi)快(kuai),导致Cr元(yuan)素向(xiang)表面(mian)快速(su)扩(kuo)散迁移的能力降低。

    (2)喷丸(wan)处(chu)理质量会显著影响丸(wan)形变(bian)层的抗高温(wen)软化(hua)能(neng)力,进口Super 304H不锈钢管因形变组织均匀(yun)且硬度(du)更(geng)高而使(shi)其短时间抗高温软(ruan)化能力比国产S30432不锈钢管高出100℃以上。

    (3)为了充(chong)分发挥喷(pen)(pen)丸处理的(de)表(biao)面加(jia)工硬化作(zuo)用,首先要(yao)确保喷(pen)(pen)丸处理的(de)质量(liang),其(qi)次要(yao)注意(yi)弯管加(jia)工或者焊后进行热处理时(shi)的(de)温度不超过730℃。

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