龔德平，魏曉艷

（江聯(lián)重工集團(tuán)股份有限公司，江西 南昌 33001）

隨著我國城市規(guī)模擴(kuò)大和城市化進(jìn)程的加速，城鎮(zhèn)垃圾的產(chǎn)生量和堆積量逐年增加，各種難以及時處理的工業(yè)垃圾和城市生活垃圾已對人們的生存環(huán)境構(gòu)成巨大的威脅。利用城市生活垃圾供熱是解決城市生活垃圾問題的理想方法之一。垃圾焚燒目的是盡可能焚毀廢物，使被焚燒的物質(zhì)變?yōu)闊o害和充分減容，減少新污染物質(zhì)產(chǎn)生，避免造成二次污染。焚燒處理最大優(yōu)點是減量效果好，使焚燒廢物體積和重量減少90%以上。將垃圾焚燒產(chǎn)生的熱能用于供熱，使城市垃圾成為新能源，既有利于環(huán)境保護(hù)，又可獲得較明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。由于垃圾成分復(fù)雜、燃燒后的煙氣具有較強的腐蝕性以鍋爐過熱器部分煙氣溫度較高，故常采用TP347作為高溫過熱器的材料。由于空間布置原因鋼管采用了小R彎管半徑，鋼管φ51×5，彎管半徑R34，此彎管制作難度大，結(jié)合公司進(jìn)行試制及后期制作的經(jīng)驗，就TP347材質(zhì)鋼管φ51×5，彎管半徑R34制作工藝進(jìn)行介紹。

1 奧氏體不銹鋼背景

TP347H材料國內(nèi)牌號1Cr19Ni11Nb，該材料冷加工性能和焊接性能良好，焊后不需進(jìn)行熱處理，表1為TP347H材料的化學(xué)成分，表2為TP347H材料的力學(xué)性能

表1 TP347H鋼的化學(xué)成分%

表2 TP347H鋼的常溫機械性能

1.1 不銹鋼中各種元素的作用

Cr：不銹鋼獲得耐腐蝕性能的主要合金元素，由于鉻形成的致密、穩(wěn)定的Cr2O3薄膜的保護(hù)，阻止了介質(zhì)對金屬基體的繼續(xù)滲入腐蝕。

Ni：形成和穩(wěn)定奧氏體的元素。當(dāng)把鎳含量繼續(xù)提高到8%左右時，一般情況下，可獲得單相奧氏體組織，即被廣泛應(yīng)用的18-8奧氏體不銹鋼，其比相同含鉻量的鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼，有更優(yōu)良的耐腐蝕性能，而且，加工性能焊接性能、低溫下的塑性和沖擊韌性更好。

C：碳在不銹鋼中發(fā)揮著有益和有害兩個方面的作用。碳可以提高奧氏體鋼的熱強性，但是，C和Cr的親和力很大，容易和不銹鋼中的Cr結(jié)合（FeCr）23C6。這類碳化物沿晶界析出，會引起該處產(chǎn)生貧Cr區(qū)，引起晶間腐蝕。

Nb、Ti：鈦和鈮都比鉻更容易形成碳化物，鈦和鈮存在于不銹鋼中，會使鋼中的碳盡可能地與鈦或鈮結(jié)合，這樣，就會使鋼中的鉻能盡量穩(wěn)定地存在于固溶體中，使固溶體中有足以保證耐腐蝕性能的鉻的含量，保證鉻不沿晶界析出，也就保證了在晶界處不存在貧鉻區(qū)，即可有效地防止不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕。

1.2 晶間腐蝕

沿著金屬晶粒間的分界面向內(nèi)部擴(kuò)展的腐蝕。室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02%～0.03%，但是一般奧氏體不銹鋼中的含碳量均超過這個數(shù)值，所以多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)散，并和附近的Cr元素結(jié)合，在晶間形成碳化鉻的碳化物，如（FeCr）23C6。當(dāng)晶界的Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于12%時，就會形成“貧鉻區(qū)”，在腐蝕介質(zhì)作用下，該區(qū)域很容易被腐蝕，故名“晶間腐蝕”，如圖1所示。

圖1 晶間腐蝕

1.3 奧氏體敏化區(qū)間

奧氏體不銹鋼在420～850℃范圍內(nèi)停留時間過長，奧氏體中的C元素就會充分析出到奧氏體晶界處，C元素和Cr元素充分地結(jié)合形成碳化鉻，從而加快了晶間腐蝕。

1.4 固溶處理

奧氏體不銹鋼固溶化熱處理的目的是把在以前各加工工序中產(chǎn)生或析出的合金碳化物，如（FeCr）23C6等重新溶解到奧氏體中，獲取單一的奧氏體組織，以保證材料有良好的機械性能和耐腐蝕性能，充分地消除應(yīng)力和冷作硬化現(xiàn)象，固溶處理工藝見圖2。

2 工藝試驗

根據(jù)管子彎管的不同工序位置，制定相應(yīng)的四組工藝試驗，如圖3，對比其相關(guān)力學(xué)性能和金相組織，選擇最適合的一組作為生產(chǎn)制造工藝。

圖2 固溶處理工藝

圖3 四組工藝試驗

第一組：冷彎R75；

第二組：冷彎R75+熱擠R34；

第三組：冷彎R75+熱擠R34+固溶處理；

第四組：冷彎R75+固溶處理+熱擠R34；

每組彎頭按照表3中的試驗名稱和試驗數(shù)量分別進(jìn)行試驗。

表3 每組彎管試驗名稱及數(shù)量

試樣的取樣位置：

微觀金相：a.彎頭最外側(cè)，拉伸變形最大處； b.直段溫度梯度段；硬度試驗：a.彎頭微觀金相試件上打點； b.直段處隨機取5點；拉伸試驗：直段處；彎曲試驗：直段處；晶間腐蝕：直段溫度梯度段；

圖4

2.1 力學(xué)試驗

（1）各組試驗試件在直段上的力學(xué)性能見表4。

表4 直段力學(xué)性能結(jié)果

（2）各組試驗試件在彎頭上的力學(xué)性能見表5。

表5 彎頭力學(xué)性能結(jié)果

2.2 硬度檢測

各組試驗試件直段和彎頭上的硬度檢測結(jié)果見表6。

表6 直段和彎頭的硬度檢測結(jié)果（維氏HV ）

硬度結(jié)果分析：冷彎加工后，彎頭處產(chǎn)生加工硬化，硬度值升高。熱擠對加工硬化沒有任何改善。固溶處理對冷作硬化有明顯改善，但溫度梯度段的硬度值上升。

2.3 微觀金相

（1）4組試件彎頭處金相組織見圖5。

從彎頭處金相組織分析，可得出冷彎導(dǎo)致彎頭最外側(cè)晶格錯位、變形、扭曲，有很多黑點產(chǎn)生。初步猜測黑點為碳化物。

（2）4組試件直段處金相組織見圖6。

圖5 4組試件彎頭處金相組織

圖6 組試件直段處金相組織

從直段處金相組織分析：

第一組為原材料微觀金相。第二組較第一組金相組織差異不明顯，晶粒度大小差異不明顯。第三、第四組比第一、第二組晶粒細(xì)，第三組和第四組晶粒度大小差不多。

彎頭最外側(cè)：

晶粒度大?。旱谝唤M＞第二組＞第三組＞第四組

第一組和第二組有大量黑色組織，第三組和第四組黑色組織比第一組和第二組少，但還是比原材料多。

2.4 電鏡掃描

對固溶前后的材料進(jìn)行電鏡掃描（見圖7）及對產(chǎn)生在晶界上的顆粒物進(jìn)行能譜分析（見圖8）。

圖7 固溶前后電鏡掃描對比

圖8 晶界上的顆粒物能譜分析

能譜分析判定顆粒狀組織的確為碳化物，但主要以碳化鈮為主，Nb元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為79.38%，而Cr元素為1.90%，只有極少部分Cr元素和C結(jié)合。Nb元素優(yōu)先和C元素結(jié)合，使不銹鋼鋼中Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到保證，阻止“貧鉻”現(xiàn)象產(chǎn)生，保證不銹鋼的耐腐蝕性。

2.5 試驗小結(jié)

TP347H管子冷彎至R75后，彎頭變形產(chǎn)生加工硬化，硬度值由240變大到307，材料變硬變脆，基本沒有延展性，晶粒位錯、變形。對R75的彎頭進(jìn)行熱擠壓至R34，組織沒有明顯變化，硬度值仍然達(dá)到301，熱擠壓由于時間較短，組織還未來得及改變。所以熱擠對材料組織影響不明顯。但材料在很脆的情況下擠壓，容易導(dǎo)致開裂。第三組和第四組是對彎頭加了一道固溶程序，第三組是在熱擠R34后進(jìn)行固溶，第四組是冷彎R75后固溶處理再進(jìn)行熱擠。第三組和第四組彎頭外側(cè)晶粒較第一組和第二組都有所變細(xì)，第四組最細(xì)。但第三組和第四組的溫度梯度段硬度值上升，微觀金相中黑色顆粒較多，分析硬度上升和產(chǎn)生黑色顆粒有關(guān)。黑色組織應(yīng)該以碳化鈮為主，其中也有少量碳化鉻、碳化鐵、碳化硅等，Nb元素在其中發(fā)揮著非常重要的穩(wěn)定作用，TP347H彎頭后進(jìn)行擠壓時彎管硬化造成管子開裂，通過在擠壓前固溶化處理減少加工硬化，恢復(fù)材料性能。在擠壓后不再出現(xiàn)管子開裂的情況，對擠壓后的彎管進(jìn)行金相和力學(xué)性能檢測達(dá)到材料強度要求。

3 制定P347材質(zhì)鋼管φ51×5，彎管半徑R34的制作工藝

根據(jù)工藝試驗，最后我們選擇了先進(jìn)行彎管R75然后進(jìn)行固溶化處理，最后進(jìn)行擠壓至R34，經(jīng)過幾臺產(chǎn)品的試制我們對所有管頭進(jìn)行PT檢測沒有任何質(zhì)量問題，很好地保證了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度，完成了制作工藝的固化。

4 結(jié)語

TP347H材料的鋼管小R彎制造工藝有一定的難度，易造成材料開裂、管頭報廢，經(jīng)過試驗的工序?qū)Ρ?，很好的解決了相關(guān)問題，取得了良好的生產(chǎn)效益，保證了制造出的產(chǎn)品符合相關(guān)技術(shù)要求和規(guī)范。