張啟禮, 金學(xué)峰, 翟孟杰, 諸美杏, 黃耀杰, 張鳳林

(1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院, 佛山 528251； 2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 廣州 510006)

P22鋼為2.25Cr-1Mo低合金鋼，具有較高的熱強(qiáng)性能，良好的抗氧化性、抗氫蝕能力和焊接性能，廣泛應(yīng)用于石油化工、核電及電站鍋爐等高溫設(shè)備中[1-2]。在電站鍋爐實際運行環(huán)境中，過高的蒸汽溫度和蒸汽壓力對耐熱鋼提出了更高的要求。因此，對P22鋼進(jìn)行安全性能評定具有重要意義。目前，國內(nèi)外對P22鋼的研究多集中在焊接性能、壽命評估及熱處理工藝對其性能的影響方面[3-5]。硬度檢測是電站鍋爐安全檢驗中的一種常用評定手段。耐熱鋼的組織形態(tài)、殘余應(yīng)力以及加工工藝等都與硬度密切相關(guān)。提高硬度檢測的準(zhǔn)確性和可靠性對電站鍋爐的安全評定有重要作用。

DL/T 438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》和DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定電站鍋爐用鋼硬度以布氏硬度值為標(biāo)準(zhǔn)，但在實際工況中，布氏硬度測試有一定的局限性，而里氏硬度計具有體積小、使用方法簡單、便于攜帶、檢測效率高等優(yōu)點，同時適用于測試大型、難以拆卸以及特殊部位的工件，在電站工程現(xiàn)場已被廣泛使用[6-8]。然而將里氏硬度作為電站現(xiàn)場硬度檢測的評判標(biāo)準(zhǔn)還不成熟，并且現(xiàn)有的GB/T 17394.4—2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第4部分：硬度值換算表》中換算關(guān)系并未對不同材料作詳細(xì)區(qū)分，P22鋼作為電站中常用的一種耐熱鋼，材料本身所固有的特性以及受環(huán)境影響改變會影響兩種硬度值之間的關(guān)系。因此，在實際應(yīng)用中應(yīng)進(jìn)行硬度對比分析后再將里氏硬度轉(zhuǎn)換為布氏硬度，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性[9-10]。

依據(jù)GB/T 17394.1—2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第一部分：試驗方法》，對于特定材料，將里氏硬度較準(zhǔn)確地?fù)Q算為其他硬度，必須進(jìn)行硬度對比試驗以得到相應(yīng)的換算關(guān)系。但目前對于里氏硬度與布氏硬度之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的研究并不多，田永紅[11]對球磨鑄鐵進(jìn)行了里氏硬度和布氏硬度對比分析，以回歸分析法得出了里氏與布氏硬度的換算關(guān)系為

HBW=34.751+0.381 125HLD

(1)

式中：HBW為布氏硬度；HLD為里氏硬度。

此試驗條件有一定局限性，硬度范圍不夠?qū)?221～249 HBW)，因此，只有硬度在該范圍內(nèi)時，用回歸方程換算出來的硬度才較為理想。

王濤等[12]采用不同熱處理方法對P92鋼進(jìn)行硬度對比試驗，得到里氏硬度與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

HBW=0.79HLD-145.85

(2)

楊小敏等[13]通過對42CrMo鑄鋼進(jìn)行淬火和回火熱處理測得其里氏硬度和布氏硬度，建立了兩種硬度的對應(yīng)關(guān)系為

(3)

以上研究建立了不同材料的里氏硬度與布氏硬度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，對實際工作中硬度準(zhǔn)確的測量具有一定的指導(dǎo)意義，但硬度的分布范圍有一定的局限性。硬度分布不均勻、范圍不夠廣，超過該范圍的里氏硬度與布氏硬度的關(guān)系會有所不同，若采用統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換關(guān)系又勢必會造成誤差，影響硬度檢測的準(zhǔn)確性。因此，筆者采用頂端淬火和整體熱處理工藝對P22鋼進(jìn)行試驗，以獲得分布范圍較寬的里氏與布氏硬度值，并建立P22鋼里氏硬度與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為P22鋼管，其主要化學(xué)成分如表1所示，可見該次試驗用P22鋼管的化學(xué)成分滿足ASTM A335/A335M-2018對P22鋼的成分要求。在P22鋼管上切取3根頂端淬火試樣圓棒和整體熱處理試樣，整體熱處理的試樣尺寸為65 mm×30 mm×20 mm，頂端淬火試樣的尺寸如圖1所示。

表1 P22鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the P22 steel (mass fraction) %

圖1 頂端淬火試樣的尺寸示意圖Fig.1 Dimension diagram of top quenched sample

1.2 熱處理工藝

對試樣進(jìn)行頂端淬火，頂端淬火的加熱溫度為965 ℃，保溫時間40 min，當(dāng)溫度達(dá)到965 ℃時將試樣放入XS3-4-1400型馬弗爐，為防止試樣表面發(fā)生脫碳及氧化，將試樣放入石墨顆粒中，待溫度重新升至965 ℃時開始保溫計時[14]。保溫結(jié)束后，將試樣取出放置在頂端淬火設(shè)備上進(jìn)行頂端淬火，淬火時間為15 min，噴水口的內(nèi)徑為12 mm，試樣與噴水口的距離為 12.5 mm，頂端淬火試驗流程如圖2所示。

圖2 頂端淬火工藝流程圖Fig.2 Flow chart of top quenching process

將整體熱處理試樣加熱至965 ℃，保溫40 min后分別進(jìn)行正火、淬火、回火以及退火等熱處理，試驗設(shè)計了10種工藝，每種工藝3個試樣，具體工藝設(shè)計如表2所示。

表2 整體熱處理工藝設(shè)計Tab.2 Integral heat treatment process design

將頂端淬火后的圓棒試樣切成尺寸為100 mm×17 mm×17 mm的長方體，和整體熱處理試樣同在MP-2B型研磨拋光機(jī)上打磨拋光至試樣表面光滑平坦，使試樣表面達(dá)到GB/T 17394.1—2014和GB/T 231.1—2018《金屬材料 里氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》所要求的里氏和布氏硬度測試標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 硬度測試

依據(jù)GB/T 231.1—2018，采用HBRVU-187.5型布洛維硬度計在試樣的表面測試硬度，使用φ2.5 mm的硬質(zhì)合金壓頭，加載載荷1 839 N，保持時間10 s。具體操作為，分別以測試點距離試樣邊緣3、4、5 mm間隔和兩測試點之間距離3 mm的間隔開始測試布氏硬度，待硬度值變化不超過10 HBW時增加測試間隔，同一水平位置取3個測試點，3個布氏硬度值的平均值作為最后的布氏硬度值。依據(jù)GB/T 17394.1—2014，試樣的質(zhì)量小于試驗允許的最小質(zhì)量時，需要根據(jù)試驗要求對試樣進(jìn)行剛性支承并耦合到載物臺上進(jìn)行試驗，具體操作為：借助凡士林作為耦合劑將試樣耦合到高8 cm、質(zhì)量為5 kg、表面粗糙度為50 nm的載物臺上，使用HLN-11A型里氏硬度計在布氏硬度測試面的相鄰面進(jìn)行對應(yīng)點的里氏硬度測試，頂端淬火試樣的硬度測試示意圖如圖3所示。

圖3 頂端淬火試樣硬度測試示意圖Fig.3 Schematic diagram of hardness test of top quenched sample

在整體熱處理試樣上選取5個區(qū)域的中心部位測試布氏硬度值，在布氏硬度壓痕周圍均勻分布的5個位置測試?yán)锸嫌捕?，如圖4所示。測試結(jié)束后將5個布氏硬度的平均值與25個里氏硬度的平均值作為一組對應(yīng)值。

圖4 整體熱處理試樣硬度測試示意圖Fig.4 Schematic diagram of hardness test of integral heat treatment sample

待完成硬度測試后，對試樣進(jìn)行切割、打磨、拋光，然后經(jīng)4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕，最后采用光學(xué)顯微鏡觀察不同硬度區(qū)域的顯微組織形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 P22鋼的里氏與布氏硬度轉(zhuǎn)換關(guān)系

P22鋼在不同熱處理工藝下的里氏硬度和布氏硬度如表3所示。采用origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將里氏硬度作為橫坐標(biāo)、布氏硬度作為縱坐標(biāo)，對數(shù)據(jù)值進(jìn)行曲線擬合并通過軟件計算回歸方程。對頂端淬火數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后得到的里氏與布氏硬度回歸曲線如圖5所示，里氏與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

圖5 P22鋼頂端淬火后里氏-布氏硬度回歸曲線Fig.5 Regression curve of Leeb-Brinell hardness of P22 steel after top quenching

表3 P22鋼不同熱處理工藝后的里氏硬度值與布氏硬度值Tab.3 Leeb hardness values and Brinell hardness values of P22 steel after different heat treatment processes

HBW=1.09HLD-307.8

(4)

由圖5可知，里氏硬度主要分布在425～675 HLD之間，在低于575 HLD時，硬度分布比較均勻且離散程度較低，而在高于575 HLD時，硬度分布相對離散，并且缺乏更高硬度區(qū)間的數(shù)值分布，導(dǎo)致該頂端淬火工藝下的里氏與布氏硬度關(guān)系不能全面地包括更高硬度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

圖6為整體熱處理工藝下里氏與布氏硬度的回歸曲線，可以得到里氏與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(5)

由圖6可知，與頂端淬火工藝相比，整體熱處理得到了高于675 HLD的硬度值，一定程度上擴(kuò)大了硬度值的區(qū)間范圍，但整體熱處理工藝下硬度分布較寬，導(dǎo)致575～650 HLD區(qū)間內(nèi)硬度值缺失，不能精準(zhǔn)地得到里氏與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

圖6 P22鋼整體熱處理后里氏-布氏硬度回歸曲線Fig.6 Regression curve of Leeb-Brinell hardness of P22 steel after integral heat treatment

對頂端淬火和不同整體熱處理工藝得到數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理存在著一定的局限性，因此將所有熱處理工藝測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到的里氏與布氏硬度回歸曲線如圖7所示。由圖7可知，整體熱處理工藝能得到更高的硬度值，從而擴(kuò)大了硬度值的范圍，同時通過頂端淬火工藝得到的硬度值補(bǔ)充了

圖7 P22鋼頂端淬火和整體熱處理后里氏-布氏硬度回歸曲線Fig.7 Regression curve of Leeb-Brinell hardness of P22 steel after top quenching + integral heat treatment

整體熱處理硬度的缺失，使硬度值的分布范圍更廣、更均勻以及更全面，最終獲得425～775 HLD區(qū)間內(nèi)的硬度，并得到里氏與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(6)

因此，基于頂端淬火以及整體熱處理獲得的數(shù)據(jù)，建立了從低硬度到高硬度更大范圍內(nèi)里氏硬度與布氏硬度的回歸關(guān)系，以期在一定程度上滿足不同區(qū)間硬度轉(zhuǎn)換的需求，從而減小在實際檢測中帶來的誤差。

2.2 顯微組織

圖8為不同工藝熱處理后P22鋼在不同硬度區(qū)域內(nèi)的顯微組織形貌。由圖8a)、b)可知，在頂端淬火試樣的低硬度區(qū)域，試樣的顯微組織主要以鐵素體+珠光體為主。圖8c)、d)為頂端淬火試樣高硬度區(qū)域的顯微組織形貌，由圖8c)可以看出其顯微組織為珠光體+貝氏體+少量鐵素體，而圖8d)顯微組織中開始形成少量板狀馬氏體，這說明在頂端淬火中隨著冷卻速度的增大，鐵素體明顯減少，貝氏體逐漸增多，并在淬火端有馬氏體的形成，這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)[15]中的研究基本一致。從正火端到淬火端，試樣組織由鐵素體+珠光體，逐漸向鐵素體+珠光體+貝氏體以及貝氏體+馬氏體轉(zhuǎn)變。圖8e)、f)為P22鋼在風(fēng)冷和水淬后的顯微組織形貌，主要是以馬氏體為主，由于P22鋼中含有大量鉻、銅等元素，使其具有良好的淬透性。由圖8e)可以看出，風(fēng)冷后的P22鋼的顯微組織為板條馬氏體且晶粒尺寸較大，而經(jīng)過水淬的P22鋼的顯微組織以針狀馬氏體為主，如圖8f)所示，這種針狀馬氏體具有比板條馬氏體更高的硬度，顯微組織的變化很好地對應(yīng)了硬度的變化趨勢。

圖8 P22鋼不同硬度區(qū)域的顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of P22 steel in different hardness regions: a) 168.2 HBW, top quenching; b) 207.4 HBW, top quenching; c) 297.2 HBW, top quenching; d) 426.8 HBW, top quenching; e) 522.4 HBW, process 2; f) 600.6 HBW, process 4

3 結(jié)論