P91钢热处理工艺的对比试验浅析

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【摘要】通过试验设计测定不同参数热处理后材料的力学性能，以及组织结构分析，获得p91钢的热处理工艺参数，从而制定出P91钢的热处理工艺，总结出回火温度是影响P91钢管质量的重要参数，回火加热时间也对钢管力学性能有着重要的影响，为P91钢管生产提供了一种可供参考的热处理规范。

【关键词】P91钢；热处理；组织；正火；回火温度

随着我国电力工业的迅速发展，大功率火力发电设备的应用对钢材性能的要求越来越高。P91作为马氏体耐热钢，具有良好的成型性，焊接性，高温稳定性和优异的热强性，越来越受到各大电厂的欢迎。该钢的特点是在9Cr1Mo钢中加入少量的V、Nb，控制N和Al含量，降低C含量，该钢具有高的抗氧化性能和抗蒸汽腐蚀性能，良好的蠕变断裂强度等力学性能。在使用温度低于620℃时，其许用应力高于奥氏体不锈钢，与奥氏体不锈钢的异种钢焊缝，其热强性可达到本身同种钢管焊接接头的性能水平。本文对照进口和国产两种钢的力学性能，组织，从而制定出P91钢的热处理工艺。

1.试验材料及方法

1.1 试验用钢

试验用钢为钢管公司按ASME/ASTMSA335标准生产的φ800×130规格的P91钢管试制品，炉号为058-331，其化学成分见表1

系电炉冶炼+VOD的全脱氧的镇静钢，钢管采用冲孔―拔伸热锻无缝方法制造。

1.2 热处理工艺试验设计

依据化学成分可知，由动膨胀测定方法测定的转变温度，P91的Ac1的最小值为785℃，最大值在800℃―830℃之间，Ac3在890℃―940℃之间。且由于P91钢的淬透性很好，并且抗回火性也很好，因此热处理方法确定为正火+高温回火，以获得回火板条马氏体组织。

热处理方法已经确定，现在需要确定的为正火、回火温度，正火、回火的保温时间，P91钢在1040℃―1080℃之间正火，大多数碳化物开始溶解，但没有明显的晶粒变大，在750℃―780℃之间回火，允许碳化物均匀的凝结在马氏体组织中，这样有助于改善蠕变强度。拟采用单因素比较试验法和正交试验法二者互为佐证，选择一种最优的热处理工艺，见表2，表3。

1.3 试验设备与试样

热处理采用的为台车式热处理炉，控温精度均为±10℃。

力学性能试验在室温和566℃进行，取样在管壁的靠外壁和靠内壁处分别取纵向试样，拉伸试样为φ10的5倍样，冲击试样为V形缺口10mm×10mm×55mm夏氏试样，缺口朝向外壁。拉伸试验机为MTS―880，加载位移速率2mm/min，冲击试验机为CIEM―30D―CPC动态示波机，摆锤撞击速率5m/s。

2.试验结果与分析

2.1 力学性能测试结果与分析

热处理工艺及对比试验的结果列表于4、5，进口P91管供货状态性能值列于表6。

从表中可得到正火温度，回火温度，回火时间这三个热处理工艺参数对力学性能产生的影响，且以进口P91钢作为标准进行综合量化比较，（基本方法为以试验材料各项性能指标偏离进口P91的量进行比统计记分，而非性能指标的具体数值，故希望偏差值最小）见图1。

从图1中可以看出：回火温度775℃优于745℃，回火时间240min优于150min，正火温度1070℃则与1040℃基本相当。所以认为图1的曲线较好地表达了热处理工艺参数的优化选取趋势。

基于此，优化的热处理工艺参数为：

回火温度（770±10）℃；

回火加热时间200―280min（本试验条件）；

正火温度（1060±10）℃；

正火加热时间正火冷却速率均值：

1000―800℃，>40℃/min；

800―600℃，>10℃/min；

600―400℃，>6℃/min；或800―500℃，>9℃/min。

2.2 显微组织观察结果

采用对国产及进口材料在充学金相显微镜下观察，发现力学性能表现较差的试样组织也有较明显的差异。正常P91钢显微组织照片见图2（a）而出现性能相对异常的的试样组织照片见图2（b）。

由照片可见，正常P91钢组织为板条马氏体；图2（b）中白色区域的存在是较明显的不同点，经显微硬度测试初步推断其应为铁素体相，而试样性能异常的原因则可能是由组织存在铁素体异常和碳化物偏聚。

3.讨论

从力学性能测试结果以及显微组织观察的分析结果来看，国产P91钢组织中出现大块铁素体和碳化物偏聚的现象，是导致其与进口材料存在性能差异的直接原因。而造成这种现象的原因有两种可能，一是回火时马氏体板条经再结晶而形成，二是回火时温度失控达相变点A1或A1以上而形成。

4.结论

①在本试验条件下，以进口钢管性能为参考值，采用多指标综合量化评估方法研究得到的国产P91钢管热处理优化参数为：正火温度，回火温度，正火、回火时间。

②回火温度是影响钢管质量的重要热处理参数，需严格控制。

③回火加热时间也是影响成品钢管力学性能的重要因素之一，应进行优化计算。

参考文献

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[2]刘立民，朱洪.刘志国.法国T91、P91钢管性能评定

[3]张路，王正品，刘江南.回火对国产P91钢组织和性能的影响

[4]李泉华.热处理技术400问解析

[5]崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理（第2版）