１０Cr９Mo１VNbN鋼大直徑三通鍛件的硬度規(guī)定值取值分析

郭延軍,朱海寶,吳 燁

(華電電力科學(xué)研究院,杭州 ３１００３０)

摘 要:針對(duì)１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件的布氏硬度規(guī)定值取值問(wèn)題,對(duì)部分同種材料鍛件的布氏硬度與抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,并給出了布氏硬度與抗拉強(qiáng)度換算的關(guān)系公式;對(duì)６００MW超臨界機(jī)組安裝現(xiàn)場(chǎng) F９１(即１０Cr９Mo１VNbN)鋼大直徑鍛制三通成品進(jìn)行了表面硬度測(cè)試以驗(yàn)證其硬度均勻性.在參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同類(lèi)材料硬度規(guī)定的基礎(chǔ)上,研究分析確定:１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件的布氏硬度應(yīng)控制在１９０~２４８HBW,同一鍛件的硬度均勻性偏差應(yīng)不大于４０HBW.

關(guān)鍵詞:１０Cr９Mo１VNbN 鋼;大直徑三通鍛件;硬度;規(guī)定值;均勻性偏差

中圖分類(lèi)號(hào):TG１１３．２５;TG１１５．５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１７)０６Ｇ０３９６Ｇ０４

AnalysisontheSpecifiedHardnessValuesof１０Cr９Mo１VNbNSteel

LargeDiameterTeeForgings

GUOYanjun,ZHUHaibao,WUYe

(HuadianElectricPowerResearchInstitute,Hangzhou３１００３０,China)

Abstract:TodeterminethestandardBrinellhardnessvaluesof１０Cr９Mo１VNbNsteellargediametertee

forgings,thestatisticanalysisontheBrinellhardnessandtensilestrengthofanumberofthesamematerialforgings

wasperformedandtheformulaoftherelationshipbetweenthesetwocharacteristicparameterswasgiven．The

surfacehardnesstestwasdonefortheF９１ (namely１０Cr９Mo１VNbN)steellargediameterforgedteesusedin

６００MWsuperＧcriticalunitsaterectionsitetoverifythehardnessevenness．Onthebasisofthestatisticanalysis,

testingresultsandrequirementsofthedomesticandforeignstandardsforsimilarorsame materials,it was

determinedthatthestandardBrinellhardnessvaluesof１０Cr９Mo１VNbNsteellargediameterteeforgingsshouldbe

controlledin１９０－２４８HBWandthehardnessdifferenceofonepieceshouldbelimitedtonomorethan４０HBW．

Keywords:１０Cr９Mo１VNbN steel;large diameterteeforging;hardness;specified value;uniformity

deviation

    我國(guó)材料牌號(hào)１０Cr９Mo１VNbN 在美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) ASTM A１８２－２０１６[１]中的對(duì)應(yīng)牌號(hào)為 F９１,在 ASTM A３３５－２０１５[２]中的牌號(hào)為 P９１,在歐 洲 標(biāo) 準(zhǔn) EN １０２１６Ｇ２:２０１３[３]和 EN １０２２２Ｇ２:

２０００[４]中的對(duì)應(yīng)牌號(hào)為 X１０CrMoVNb９Ｇ１,該材料是亞臨界和超臨界機(jī)組高溫蒸汽管道及其組成件、聯(lián)箱部件等廣泛應(yīng)用的馬氏體耐熱鋼.新修訂的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T４７３(現(xiàn) 行 標(biāo) 準(zhǔn) 是 DL/T４７３－１９９２«大直徑三通鍛件技術(shù)條件»)列入了該鍛件材料牌號(hào).正 如ISO１８２６５:２０１３

[５]中 所 指 出 的,硬度試驗(yàn)是在 相 對(duì) 較 短 的 時(shí) 間 內(nèi)、以 有 限 的 損 傷 提供材料力學(xué) 性 能 信 息 的 一 種 檢 驗(yàn) 方 式,故 在 對(duì) 成品部件無(wú)法 取 樣 進(jìn) 行 拉 伸 試 驗(yàn) 的 條 件 下,硬 度 試驗(yàn)成為反映材料力學(xué)性能的一種方便快捷的檢驗(yàn)方法.對(duì)于國(guó)產(chǎn)鉻 含 量 在 ９％ ~１２％(質(zhì) 量 分 數(shù),以下表示為９％~１２％Cr)的鋼管和管件,硬度過(guò)低可能無(wú)法 滿(mǎn) 足 材 料 的 拉 伸 強(qiáng) 度 要 求,而 硬 度 過(guò)高則可能 無(wú) 法 滿(mǎn) 足 材 料 的 沖 擊 吸 收 能 量 要 求[６]. 因此,標(biāo)準(zhǔn)中如何規(guī)定該鍛件材料的硬度,對(duì)鍛件 質(zhì)量驗(yàn)收以及通過(guò)硬度試驗(yàn)結(jié)果表征鍛件材料的 力 學(xué) 性 能 而 言 至 關(guān) 重 要. 為 此,筆 者 基 于 對(duì) １０Cr９Mo１VNbN 鋼同種材料鍛件的硬度與抗拉強(qiáng) 度的統(tǒng)計(jì)、國(guó) 內(nèi) 外 相 關(guān) 標(biāo) 準(zhǔn) 對(duì) 同 類(lèi) 材 料 硬 度 的 規(guī) 定以及現(xiàn)場(chǎng) 測(cè) 試 結(jié) 果 的 分 析,給 出 了 布 氏 硬 度 與 抗拉強(qiáng)度的 關(guān) 系 公 式,科 學(xué) 規(guī) 定 了 大 直 徑 三 通 鍛 件材料１０Cr９Mo１VNbN 鋼的硬度數(shù)值,這對(duì)于通過(guò)非破壞性的快捷硬度試驗(yàn)方法[７]來(lái)確認(rèn)大直徑三通鍛件的 強(qiáng) 度 性 能、保 證 成 品 鍛 制 三 通 服 役 后的運(yùn)行安全性具有重要意義.

１ 試驗(yàn)材料

    大直徑三通鍛件材料１０Cr９Mo１VNbN 鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能是在參照 ASTM A１８２－２０１６和EN１０２２２Ｇ２:２０００的基礎(chǔ)上確定的,分別見(jiàn)表１和表２.

２ 硬度標(biāo)準(zhǔn)取值及硬度均勻性問(wèn)題分析

２．１ 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硬度的規(guī)定

    現(xiàn) 行 電 力 行 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn) DL/T ４３８－２０１６[８] 對(duì)９％~１２％Cr系列鋼制造的鍛造管件(成品鍛制三通 )硬 度 要 求 為 １８０ ~ ２５０ HBW,考 慮 到１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件在形成成品管件過(guò)程中的二次機(jī)械加工后的硬度差異及配管后整體焊后熱處理的影響,其標(biāo)準(zhǔn)硬度下限值應(yīng)高于成品鍛制三通的.

    ASTM A３３５－２００９及其之前的版本對(duì) P９１鋼的硬度要求為不超過(guò)２５０ HBW,未規(guī)定硬度下限值;ASTM A３３５－２００９a及 其 以 后 的 版 本 規(guī) 定 了P９１鋼的硬度下限值,要求硬度為１９０~２５０HBW,其對(duì)抗拉強(qiáng)度(Rm ≥５８５ MPa)、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率的要求未發(fā)生變化.在 ASTM A１８２－２０１０a及其以前的版本中,對(duì)F９１鋼的抗拉強(qiáng)度要求為Rm ≥５８５ MPa,硬度上限值為２４８HBW,未規(guī)定硬度下限值;在２０１１年修訂后的 ASTM A１８２－２０１１版本中,對(duì) F９１鋼的抗拉強(qiáng)度要求修訂為Rm ≥６２０MPa,除硬度上限值外還規(guī)定了硬度下限值,即１９０~２４８HBW,其拉伸性能的其他指標(biāo)如屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率保持不變,且一直沿用至今.

在現(xiàn) 行 歐 洲 標(biāo) 準(zhǔn) EN １０２１６Ｇ２:２０１３ 和 EN１０２２２Ｇ２:２０００中,未對(duì) X１０CrMoVNb９Ｇ１鋼的硬度進(jìn)行要求.

２．２ 硬度與抗拉強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系探討

２．２．１ 硬度與抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

    由于金屬材料的布氏硬度與抗拉強(qiáng)度之間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[９],因此通過(guò)對(duì)部分硬度在２００~２３７HBW 的 F９１鋼鍛件的硬度與抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可得出其硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系,如圖１所示.用最小二乘法將其擬合于一條直線(圖１中的虛線),可得出表示該鋼布氏硬度 HBW與抗拉強(qiáng)度Rm 關(guān)系的直線方程如下Rm ＝２．８６HBW ＋１０１．９ (１)按 照 式 (１)推 算,當(dāng) F９１ 鋼 鍛 件 硬 度 分 別 為１７５,１９０,２４８HBW３個(gè)典型數(shù)值時(shí),對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度分別為６０２,６４５,８１１MPa.

２．２．２ 標(biāo)準(zhǔn)與文獻(xiàn)資料提供的數(shù)據(jù)

    國(guó) 際 標(biāo) 準(zhǔn) ISO １８２６５:２０１３ 未 提 供 ９％ ~１２％Cr耐熱鋼硬度與強(qiáng)度轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù),但其提供的非合金與低合金鋼硬度與強(qiáng)度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)(部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表３)具有很好的參考價(jià)值.采用插入法計(jì)算,布氏硬度為１７５,１９０,２４８HBW 時(shí)所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度分別為５９１,６４０,８３８MPa.

    文 獻(xiàn) [６]給 出 的 數(shù) 據(jù) 表 明:P９１ 鋼 的 硬 度 為１６８HBW 時(shí),其抗拉強(qiáng)度Rm ≈５７０ MPa;P９１鋼的硬度為１９１ HBW 時(shí),其抗拉強(qiáng)度 Rm ≈６６０MPa.文獻(xiàn)[６]還得出如下結(jié)論:P９１鋼管件的硬度應(yīng)控制在１７５~２５０HBW.若按線性關(guān)系推算,在硬度為１７５HBW 時(shí),其抗拉強(qiáng)度Rm ≈５９７MPa.

２．３ 硬度規(guī)定值的確定

    對(duì)比式(１)推算值和ISO１８２６５:２０１３提供的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),由式(１)推算的抗拉強(qiáng)度數(shù)值與ISO１８２６５:２０１３ 提 供 的 數(shù) 值 相 差 較 小,１７５,１９０,２４８HBW３個(gè)典型硬度所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度偏差分別僅為１．９％,０．８％,３．３％.由以上分析可以看出,無(wú)論是ISO１８２６５:２０１３和文獻(xiàn)[６]給出的數(shù)據(jù),還是筆者對(duì) F９１鋼鍛件的硬度與對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),都充分說(shuō)明該鋼在布氏硬度為１７５HBW 時(shí),其抗拉強(qiáng)度可滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不小于５８５MPa的要求.考慮到鍛件的后續(xù)機(jī)加工及配管焊后熱處理對(duì)硬度的影響及大直徑鍛制三通服役后的安全性,１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件的規(guī)定硬度應(yīng)高于１７５HB,參照 ASTM A１８２－２０１６規(guī)定,最終將１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件的規(guī)定硬度確定為１９０~２４８HBW.

２．４ 表面硬度均勻性問(wèn)題探討

２．４．１ 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

    大直徑三通鍛件整體的硬度均勻性反映了熱處理過(guò)程中溫度場(chǎng)的均勻性以及鍛件各部位熱處理狀態(tài)的一致性.GB/T１６９２３－２００８[１０]對(duì)鋼件表面硬度的偏差范圍(硬度均勻性)有明確規(guī)定,按照４級(jí)工件品質(zhì)等級(jí)(最低級(jí))要求,同一工件的硬度偏差應(yīng)不超過(guò)４０HBW.DL/T４３８－２０１６雖然規(guī)定了鍛造管件的硬度應(yīng)均勻,但取消了之前版本中的硬

度均勻性規(guī)定,即取消了同一管件的硬度偏差應(yīng)不大于５０HBW 的要求.

２．４．２ 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

    為驗(yàn)證大直徑三通鍛件的硬度均勻性問(wèn)題,用里氏硬度計(jì)分別對(duì)６００ MW 超臨界機(jī)組基建安裝現(xiàn)場(chǎng)主蒸汽管道和再熱蒸汽熱段管道具備測(cè)試條件的５件F９１鋼成品鍛制三通(主蒸汽管道２件,再熱蒸汽熱段管道３件,見(jiàn)圖２和圖３)進(jìn)行了表面硬度測(cè)試,５件鍛制三通的規(guī)格參數(shù)如表４所示.由于成品鍛制三通配管后經(jīng)過(guò)整體回火熱處理,其表面硬度比原鍛件本身硬度有所下降,故現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的主蒸汽管道和再熱蒸汽熱段管道鍛制三通的表面硬度不一定滿(mǎn)足新修訂 DL/T４７３的要求.主蒸汽管道２件鍛制三通實(shí)測(cè)表面硬度分布情況見(jiàn)圖４,再熱蒸汽熱段管道３件鍛制三通實(shí)測(cè)表面硬度分布情況見(jiàn)

圖５,每件鍛制三通的測(cè)點(diǎn)數(shù)量及硬度最大值與最小值見(jiàn)表５,每個(gè)測(cè)點(diǎn)取其５次測(cè)試值的平均值作為該測(cè)點(diǎn)的硬度.實(shí)測(cè)結(jié)果表明,同一鍛制三通的硬度均勻性偏差為１２~２９ HBW.由此可以看出,在按規(guī)范要求進(jìn)行正常熱處理的條件下,工件的硬度均勻性是比較好 的,完全可滿(mǎn)足GB/T１６９２３－２００８規(guī)定的４級(jí)工件品質(zhì)等級(jí)要求.因此,新修訂的 DL/T４７３規(guī)定１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件的硬度均勻性偏差應(yīng)不大于４０HBW.

３ 結(jié)論

(１)對(duì) 于 １０Cr９Mo１VNbN 鋼 大 直 徑 三 通 鍛件,在確保硬度不低于１７５HBW 的情況下,可滿(mǎn)足

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度Rm ≥５８５MPa的要求.

(２)考慮到大直徑三通鍛件的后續(xù)機(jī)加工及配管焊后熱處理對(duì)硬度的影響,應(yīng)對(duì)鍛件的硬度下限值考慮一定裕量.基于對(duì) F９１鋼鍛件的硬度與抗拉強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分析及成品鍛制三通的現(xiàn)場(chǎng)表面硬度測(cè)試,參考 ASTM A１８２－２０１６等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,確定了１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件的硬度及均勻性偏差要求,即硬度應(yīng)控制在１９０~２４８HBW,同一鍛件的硬度均勻性偏差應(yīng)不大于４０HBW.

(３)按照該文給出的布氏硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系公式 Rm ＝２．８６HBW ＋１０１．９,可通過(guò)簡(jiǎn)便的硬度測(cè)試方法來(lái)推算１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件材料的抗拉強(qiáng)度,這有利于在無(wú)法取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的情況下了解掌握該材料的抗拉強(qiáng)度.而虛擬化的里氏硬度計(jì)則是在手機(jī)或電腦上添加信號(hào)采集硬件模塊(智能沖擊裝置)及基于圖形用戶(hù)界面(GUI)的應(yīng)用軟件,然后借助手機(jī)或電腦設(shè)備,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的運(yùn)算功能及通信功能.

３．４ 依托大行業(yè)的定制里氏硬度計(jì)

里氏硬度計(jì)必將打破一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢測(cè)天下硬度的“萬(wàn)金油”形象,將來(lái)會(huì)依托大行業(yè),針對(duì)具體大行業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)流程,制定適合行業(yè)的檢測(cè)方法,生成更準(zhǔn)確的硬度轉(zhuǎn)換關(guān)系.時(shí)代 TIME５３０３型軋輥專(zhuān)用硬度計(jì)即是對(duì)軋輥生產(chǎn)行業(yè)的一種定制機(jī)型.通過(guò)對(duì)大量的軋輥試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)[８],用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)某通用轉(zhuǎn)換表進(jìn)行修正,提高了軋輥工件的肖氏硬度轉(zhuǎn)換精度(里氏硬度轉(zhuǎn)換為肖氏硬度),已經(jīng)在軋輥生產(chǎn)行業(yè)獲得了更加廣泛的應(yīng)用.另外,里氏硬度計(jì)在功能上如何適應(yīng)大行業(yè)也需要給予充分考慮.

３．５ 用于自動(dòng)化生產(chǎn)線的里氏硬度測(cè)試單元

自動(dòng)化生產(chǎn)線具備提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件等優(yōu)勢(shì),在機(jī)械制造業(yè)中就有鑄造、鍛造、沖壓、熱處理、焊接、切削加工、機(jī)械裝配等諸多生產(chǎn)線,自動(dòng)化生產(chǎn)線是現(xiàn)代化生產(chǎn)的必然趨勢(shì).對(duì)于自動(dòng)化生產(chǎn)線上工件的質(zhì)量控制也必然要求自動(dòng)化,因此無(wú)人值守、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試的里氏硬度測(cè)試

裝備會(huì)大有作為,將來(lái)可作為標(biāo)準(zhǔn)“里氏硬度測(cè)試單元”,集成到自動(dòng)化生產(chǎn)線上,成為生產(chǎn)大系統(tǒng)的眾多感知器官之一,大大提高檢測(cè)效率和生產(chǎn)效率.

４ 結(jié)束語(yǔ)

里氏硬度計(jì)問(wèn)世近４０a(年)來(lái),因其不可替代的優(yōu)勢(shì),在金屬材料的硬度檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.隨著整個(gè)社會(huì)科技的不斷進(jìn)步,里氏硬度計(jì)也必須要跟隨時(shí)代的發(fā)展,各種新思維和新技術(shù)在里氏硬度計(jì)上的應(yīng)用,必將使里氏硬度計(jì)能夠更加適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程,并發(fā)揮出更大的作用。

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 2017年 > 6期 > pp.396）