宏盛特钢临氢管用TP347H不锈钢组织和性能的研究

  浙江宏盛特钢有限公司研究了临氢管用TP347H不锈钢经不同工艺热处理后的组织和力学性能。研究表明，经固溶处理和稳定化处理后钢的高温力学性能降低，但常温力学性能不降低;两次固溶处理会使晶粒长大，导致钢的常温和高温力学性能降低。TP347H不锈钢是ASMESA-312/SA-312M中的钢号，为铬镍铌奥氏体不锈钢，具有较好的抗晶间腐蚀性能、较高的持久强度、良好的组织稳定性和抗氧化性能，广泛用于锅炉、电力、石油、化工、煤制油等工业领域。为满足国家高技术产业对TP347H不锈钢的需求，推动热轧无缝不锈钢管国产化，至德钢业研究了热处理对TP347H不锈钢组织和性能的影响。

一、技术难点

   在炼油生产中，为了提高汽柴比，石化公司经常采用加氢精制或临氢降凝等技术提高柴油的产量。石油工业用临氢管长期服役于500℃左右的高温环境并承受一定的高压，势必对钢管材料提出较高的技术要求，不仅要求材料具有较高的纯洁度，也要求钢中的非金属夹杂物不大于1.5级，晶粒度不粗于5级，并要求材料在高温下也具有较高的抗拉强度。这将对TP347H不锈钢的冶炼和轧制带来较大的难度。

二、试样制备与试验方法

1. 试验材料

   TP347H不锈钢坯料采用电炉+炉外精炼方法冶炼，再经电渣重熔精炼，以保证材料达到高的纯净度要求。采用锻制管坯且坯料主加工方向锻造比不小于5，晶粒度不粗于4级。非金属夹杂物A类、B类、C类、D类分别不大于1级，且A+B+C+D之和不大于4级，其化学成分见表。

2. 试样制备

   坯料经台车炉加热→穿孔→精轧→定径→在线水冷后成型为钢管。钢管锯切平头以后，取50mm厚度的圆环，用带锯切割成弦长为200mm的块状试样，按表2工艺进行固溶处理和固溶处理+稳定化处理。

3. 试验方法

  从热处理后的TP347H不锈钢样块上取常温拉伸试样，按ASMESA370要求进行常温拉伸试验。然后在拉断的试样上取金相试样，磨制、抛光、化学浸蚀后在光学显微镜下观察显微组织，并按ASTME112评定平均晶粒度。此外按ASTME21金属材料高温拉伸试验方法进行高温拉伸试验。

三、试验结果与讨论

 1. 热处理工艺对TP347H不锈钢力学性能的影响

试样经不同工艺固溶处理、固溶处理加稳定化处理后的常温和高温拉伸性能见表。从表可知，1～7号试样的常温拉伸性能波动不大，这与奥氏体不锈钢只能通过冷加工进行强化是相吻合的，即不能通过热处理提高其力学性能。同时，由高温抗拉强度的变化规律可知，经固溶并稳定化处理的TP347H不锈钢的高温抗拉强度呈下降趋势，也即稳定化处理降低了TP347H不锈钢的高温强度，但对常温抗拉强度影响不明显。

 2. 热处理工艺对TP347H不锈钢晶粒度的影响

  粗晶粒的TP347H不锈钢用于锅炉过热器和再热器的部件时，在高温运行的情况下，管子内壁蒸汽氧化形成的氧化皮容易剥离。氧化皮堆积在管子弯头处，会引起管子局部过热甚至爆管。预防的有效措施是减小晶粒尺寸，细晶粒奥氏体能加快铬在晶界的扩散迁移，并与蒸汽中的氧形成一层致密的氧化铬阻止高温蒸汽对管子内壁的氧化。如上所述，临氢管的工作温度高，因此研究热处理工艺对晶粒度的影响具有实际意义。图1为采用不同工艺热处理后钢的显微组织，可以看出TP347H不锈钢的奥氏体晶粒度随热处理工艺而变化。由图可知，经（1050～1070）℃×（75～100）分钟一次固溶处理后，钢的晶粒度变化不大。但图表明，两次相同工艺的固溶处理使钢的晶粒度发生明显的长大，由6级长大至图所示的4级。由图可知，原材料的晶粒度为4.5级，经过加热→穿孔→精轧→定径→在线水冷流程后晶粒细化为图所示的6级。图表明，固溶处理+稳定化处理对晶粒度的影响不明显。因为TP347H不锈钢为奥氏体不锈钢，常温和高温下的组织均是奥氏体，没有相变发生进行传统的相变强化和晶粒细化强化。TP347H不锈钢的晶粒只能通过冷变形加工等机械手段细化。

3. 晶粒度对TP347H不锈钢性能的影响

  通过对比1～4号试样的力学性能和图的显微组织可知，TP347H不锈钢的晶粒度同为6级时，其力学性能没有明显的变化；但晶粒较为明显的长大后，材料的常温性能和高温性能都随之降低。

四、结论

  1. TP347H不锈钢经固溶处理+稳定化处理后高温性能较固溶处理后的有所下降，但常温性能与固溶处理后的相比变化不明显。

  2. TP347H不锈钢两次固溶处理会造成晶粒粗大，粗大的晶粒影响其常温性能和高温力学性能，且晶粒的变细只能通过机械手段实现。