SA-336 Gr.F22 Cl.3三通锻件的试制

曹 虹 赵林武 张承锋 黄丽秋

(武汉重工铸锻有限责任公司技术部，湖北430084)

三通锻件是电站用压力管道的重要部件，材料为SA-336 Gr.F22 Cl.3。该锻件超声波探伤要求严格，力学性能要求较高，特别是低温冲击值的要求为横向试样AKV(-29℃)≥20 J，并对取样位置做了详细的规定。该产品为异形件，主要有斜三通和Y形三通，因此锻造余量和热处理截面均很大。

1 三通锻件的技术要求

化学成分要求见表1。要求做横向力学性能试验(室温一拉，-29℃三冲)，具体取样位置见图1、图2。力学性能指标见表2。超声波探伤方法按ASME SA-388、ASME第Ⅴ卷，验收标准按ASME第Ⅷ卷第2节的AM203.2规定进行。

2 试制难点分析

冶炼：由于该材料要求J因子不大于150，因此P、Sn的含量应尽量低，且应严控Si、Mn的含量。但同时考虑到力学性能的要求，钢中还是应有一定的Si、Mn含量，而C、Cr等元素的含量应按上限控制。如何控制化学成分既能满足验收要求，又能满足力学性能要求是冶炼的关键。

锻造：由于该产品形状复杂，自由锻造时锻造余量较大。锻造时火次多，锻件晶粒易粗大，影响超声波探伤判定。

热处理：三通锻件的综合力学性能要求较高，其热处理有效截面较大，特别是Y型三通已达到∅1 000 mm，热处理时产品心部与表面温差较大。因此必须严控升温速度，并在升至一定温度后进行中间保温，以减少热应力。三通的取样部位在锻造变形最小的中间部位，方向为横向，是产品力学性能最差的位置。因此，如何确定热处理工艺参数，并确保产品各部位的温度均匀性是满足产品技术要求的重要途径。

表1 SA-336 Gr.F22 Cl.3钢的化学成分要求(质量分数，%)Table 1 The chemical composition requirements of SA-336 Gr.F22 Cl.3 steel (mass fraction, %)

注：回火脆化敏感系数J因子不大于150，J=(Si+Mn)×(P+Sn)×10 000。

表2 SA-336 Gr.F22 Cl.3三通锻件的力学性能Table 2 The SA-336 Gr.F22 Cl.3 tee forgings mechanics performance

图1 Y型三通锻件力学性能取样位置Figure 1 Y tee forgings mechanics performance sampling location

图2 斜三通锻件力学性能取样位置Figure 2 Inclined tee forgings mechanics performance sampling location

3 试制过程

3.1 工艺流程

产品经电炉冶炼(EF)后进行钢包精炼(LF)，真空脱气(VD)；锻造时应至少进行两镦、两拔以上的变形工序，以确保产品有足够的锻造比(实际锻造比达4.4)；锻后正火+回火热处理，以均匀组织、细化晶粒，为最终调质处理做组织准备；粗加工后进行超声波探伤，检查产品是否有裂纹等影响热处理的缺陷；超声波探伤合格后进行调质处理，力学性能试验合格后再进行全体积超声波探伤，以检查产品内部质量是否满足技术要求。

3.2 冶炼工艺

配优质废钢、料头、生铁，严禁配入土铁、混带泥沙等。配入适量生铁并放入最后一次料中，保证一定的配碳量，化清[P]≤0.020%，[S]≤0.025%，确保计划锭型钢水量。严控各元素化学成分，确保J因子和力学性能均达到技术要求。

3.3 锻造工艺

锻造采用多次镦粗、拔长的变形方案，确保产品锻透并达到锻造比要求。钢锭升温加热到1 200℃以上，保温一定时间后开始锻造。锻造采用的是镦粗、大压下量扁方拔长的步骤，锻后正火+回火处理。锻后进行超声波探伤摸底，除部分产品出现晶粒粗大外，其余未发现有害缺陷。

3.4 热处理工艺

为了确保热处理时三通各部位的温度均匀，热处理时应控制装炉温度；控制升温速度；控制中间保温温度及保温时间。为了确保炉膛温度与产品温度一致，在热处理时给产品最小和最大截面处分别固定热电偶。在淬火冷却时，为了确保工件各部位冷却均匀，淬火时开启油循环并窜动产品，以打破淬火初期的蒸汽膜，避免因大量蒸汽膜而导致产品局部软点，使其硬度不合格。淬火时应尽快达到对流阶段，使产品淬火冷却均匀。热处理工艺见图3。

4 试制结果及分析

4.1 化学成分见表3。

由表3可见，三通锻件的实际成分符合技术要求，也符合内控的成分要求。影响力学性能的C、Cr等主要元素，以及影响J因子的Si、Mn、P、Sn等元素均得到了有效的控制，为最终热处理获得良好的综合力学性能奠定了基础。

4.2 力学性能试验结果见表4。

图3 三通锻件热处理工艺Figure 3 Tee forgings heat treatment process

表3 三通锻件的化学成分(质量分数，%)Table 3 The chemical composition requirements of tee forgings (mass fraction, %)

表4 三通锻件调质后的力学性能Table 4 The tee forgings mechanics performance after quenching and tempering treatment

以上结果表明力学性能完全符合技术条件要求，但003号产品晶粒粗大影响探伤效果，需重新热处理消除粗晶。

4.3 重新热处理

重新热处理时不仅要适当调整工艺参数，也要对淬火介质有所调整，即采用水淬油冷的方式淬火，充分利用水冷时较强的冷却能力细化晶粒。调整工艺重新热处理后力学性能、超声波探伤均符合技术要求。

4.4 分析及改进

从以上试制结果可以看出，试制件的力学性能完全达到技术要求， 003号产品出现晶粒粗大的主要原因是：该产品是截面最大的Y型三通，虽然总锻造比符合要求，但其心部仍可能出现晶粒粗大现象；同时在淬火冷却时，其心部冷却较慢，也可能出现晶粒粗大现象。因此，锻造时在满足锻造比的前提条件下要尽量减少锻造火次，尤其要控制最后一火的变形量，采取少火次、大变形量改善心部组织结构；调质时采用冷却能力较强的淬火介质进行淬火，可以起到细化晶粒的作用。

5 结论

(1)合理的化学成分配比是获得较高综合力学性能的关键。

(2)严格控制锻造火次和变形量，合理选择锻后热处理工艺参数，可以均匀组织，避免锻件晶粒粗大，为后续热处理做好组织准备。

(3)大型锻件经调质处理后也会出现晶粒粗大现象，可通过水淬油冷的淬火方式或采用两次淬火的方式进行改善，并获得良好的综合力学性能。