邵光辉 王立跃 刘智勇

(1.合肥通用机械研究院；2.安徽机电职业技术学院机械工程系；3.中石化洛阳工程有限公司)

14Cr1MoR钢不仅具有很高的抗拉强度、屈服强度，较好的韧性和弯曲性能，还具有较高的抗氢性能，综合性能优异，因而在石油化工、核电、汽轮机缸体及火电等高温高压、与氢或氢混合介质接触的设备中广泛使用。但这种材料对热处理工艺的要求比较高，材料本身成型时或者由其焊制的设备往往都需要做热处理，合适的热处理工艺能显著地增强其性能，反之则起不到什么作用，甚至会恶化其性能。因此根据实际生产情况，探索合适的热处理工艺就显得尤为重要。某厂生产的压力容器14Cr1MoR封头因采用的热处理工艺不当，导致力学性能不合格，后经分析，对热处理工艺进行了改进，获得了性能合格的热处理试板。笔者希望通过对上述问题的分析、研究解决工业生产中的类似问题。

1 研究材料与方法

封头材料14Cr1MoR，厚20mm，执行标准GB/T 713-2008《锅炉和压力容器用钢板》，其化学成分见表1，试板的抗拉强度Rm为520～680MPa，V型冲击功Akv≥54J(-18℃，标准试样：10mm×10mm×55mm)。

表1 试板化学成分 %

制造厂采用的首次热处理为空冷正火，具体方案为正火温度930℃×1.5h后出炉冷却，该方法是14Cr1MoR钢板制作、加工中常用的热处理工艺，但令人意外的是采用上述工艺得到的封头热处理试板抗拉强度(480～500MPa)和冲击功均不能达到设计要求，特别是冲击功数值很低(10～25J)，韧性较差。

分析认为，此时正值夏季，车间内温度在30℃以上，加之板材的厚度达20mm，属于中厚板，空冷的冷却速度会比较慢，可能对组织的转变和形成产生不良影响，从而影响了试板的力学性能。基于此，笔者对热处理工艺进行了重新设计，制定了两种热处理工艺：

a. 正火温度930℃，保温1.5h后风冷；

b. 正火温度930℃，保温1.5h后喷淋冷却(介质为水)。

2 试验结果与分析

2.1力学性能分析

首次热处理、热处理a和热处理b这3种工艺下所得试板的抗拉强度Rm和冲击功Akv(-18℃)数值见表2、3。

表2 不同热处理工艺下试板Rm MPa

表3 不同热处理工艺下试板Akv J

由表2可以看出，热处理工艺a、b下的试板Rm均高于首次热处理工艺下的，说明这两种工艺均使试板抗拉强度得到了提高。工艺a、b下的Rm数值均在设计要求(520～680 MPa)范围内。热处理工艺b下的Rm值最高，无论单个数值还是均值都在工艺a之上。

由表3可以看出，热处理工艺a、b下的Akv均高于首次热处理工艺下的，说明该两种工艺均使试板冲击韧性得到了提高，但工艺a下的Akv值为24、27、31J，与设计要求的54J仍有较大差距，不合格。工艺b下的Akv值为137、146、163J，高于设计要求的54J，合格。

综上所述，相对于首次热处理，热处理工艺a、b均使试板的抗拉强度和冲击功得到了提高，这说明热处理工艺得到了改进；工艺a下，试板Rm值已能达到设计要求，但其Akv数值仍较小，远低于设计值，冲击韧性仍不好；工艺b下，试板Rm、Akv数值较高，无论单个数值还是均值都是最高的，且能满足设计要求，特别是冲击功值已远在设计之上，冲击韧性得到了质的提升，工艺b最优，采用此工艺可以获得力学性能合格的封头热处理试板。

2.2硬度分析

首次热处理和热处理工艺b下的布氏硬度如图1所示。可以看出，首次热处理下试板各检测点的硬度值差别很大，且不连续，其范围在110～200HB，硬度分布极其不均；工艺b下的试板硬度值在170～185HB之间，各检测点硬度值相差不大，硬度分布比较均匀。分析认为，首次热处理下试板各检测点的硬度值之所以相差很大，应是其显微组织各异，分布极为不均所致；热处理工艺b下的试板硬度分布比较均匀、连续，说明其显微组织分布较为均匀。

图1 不同热处理工艺下试板硬度

2.3显微组织分析

首次热处理和热处理工艺b下的试板金相照片如图2所示(腐蚀剂：4%硝酸酒精)。

从图2的金相照片中可看出，首次热处理和热处理工艺b下，试板的组织均分为白色和灰黑色两种，显微硬度分析表明白色组织的硬度在85～114HV之间，应为铁素体(F)，灰黑色组织的硬度在185～205HV，应是珠光体(P)，故首次热处理和热处理工艺b下试板的金相组织为F+P。

从图2还可看出，在相同的放大倍数下，首次热处理试板的组织相对粗大，且分布不均匀、不连续，铁素体和珠光体各自成团析出，F与F之间相互隔离，其晶界上布满P，这种组织特点导致硬度分布不均，抗拉强度和冲击韧性较差。工艺b下，试板组织非常细密，F和P分布均匀、连续，故其硬度分布均匀，综合力学性能更好，具有很高的抗拉强度和抗冲击能力。

图2 不同热处理工艺下的试板金相照片

3 结论

3.1在夏季高温天气下，采用通常的空冷正火工艺已不能保证14Cr1MoR中厚板封头的力学性能，在这种工艺下，热处理试板各处硬度值差别很大，组织分布不均且较粗大，铁素体和珠光体各自成团析出，铁素体组织被分割，其晶界上布满P，这种组织结构造成试板力学性能特别是冲击韧性较差。

3.2采用风冷和喷水的冷却方式可以提高板材的冷却速度，增强热处理试板的抗拉强度和冲击功，实现热处理工艺的改进。风冷所获得的试板抗拉强度合格，但冲击韧性提高有限，冲击韧性仍较差。

3.3采用喷水冷却所得到的热处理试板各处硬度均一，铁素体、珠光体组织较细且分布均匀，其抗拉强度和冲击功均能满足设计要求，特别是冲击功已远高于设计值，试板综合力学性能得到了质的提升。该工艺可以保证高温天气下中厚板封头的制造质量，对于实际生产工作具有重要意义。