P355GH钢热成型大厚度封头的后续热处理试验与研究

李 飞

(太原锅炉集团有限公司,山西 太原 030008)

0 引言

某型锅炉封头选用材料为P355GH正火钢，封头尺寸为Φ1 600 mm×80 mm，该封头成型加工具有相当的技术难度。由于冷压成型大厚度封头存在很高的变形抗力，成型后外侧金属延伸量大，工艺风险性高，因此实际生产中一般采用大型压力机借助预制模具进行热压成型。依据相关制造标准，封头热压成型期间被均匀加热到正火温度，成型后可以免去恢复性能的热处理[1]，而太原锅炉集团有限公司对正火温度区间冲压成型的P355GH封头取样进行力学性能检测时，发现试样屈服强度均低于标准要求的下限值，不符合材料标准及设计要求。为此，我们进行了恢复材料性能的后续热处理对比试验，并通过试验研究优化了封头制造工艺，保证了封头使用性能。

1 P355GH材料

热成型大厚度封头采用P355GH钢板作为加工坯料，执行DIN EN 10028技术标准。本项目使用钢坯系国内制造的80 mm钢板轧材，供货状态为正火处理，P355GH正火钢的化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。

表1 P355GH正火钢的化学成分(质量分数) %

表2 P355GH正火钢的力学性能

2 P355GH封头热成型工艺

P355GH封头根据实际生产条件使用大型压力机借助模具进行热压成型。将P355GH钢板在加热炉中整体加热，升温至940 ℃～960 ℃，并保温2 h，出炉温度不低于940 ℃，然后一次性完成封头热压成型，待封头脱模后，保持成型封头自然空冷。

3 P355G封头热成型后力学性能及晶相检测试验

分别从5件热成型后的封头弧顶开孔余料的1/4厚度处，距边缘不小于50 mm的部位制取金相、拉伸及V形缺口冲击力试样各一组，进行金相及力学性能检测。 采用Axio Vert A光学显微镜观察的100×金相组织见图1，5件金相试样显微组织均为铁素体+珠光体，珠光体中渗碳体呈片状，组织晶粒度为7级(热成型前原材料晶粒度均大于9级)，金相组织及晶粒度符合材料标准。

图1 P355GH封头热成型后的金相组织

力学性能试验结果见表3，5件试样抗拉强度和冲击吸收功满足表2所示的标准要求，屈服强度最高为304 MPa、最低为280 MPa，低于标准要求的下限11 MPa～35 MPa。

表3 P355GH钢封头热成型后力学性能试验结果

厚度80 mm的P355GH封头已经属于厚度较大的情况，其金属热容大，加热和冷却时间较长，热成型时加热至相变温度以上，热成型过程中工件的冷却速度低于原材料正火热处理冷却速度是导致成型后材料性能不能恢复、晶粒变粗、屈服强度低于标准下限的主要原因。

4 恢复材料性能的后续热处理对比试验

为保证P355GH封头材料力学性能，热成型后必须进行加热至相变温度以上恢复材料性能的后续热处理[2]，而热处理冷却速度是材料性能保证的关键因素，为此，制定了正火+回火和水冷淬火+回火两组热处理试验方案[3]。

4.1 采用正火+回火的后续热处理工艺

正火+回火的热处理工艺参数为：正火保温温度930 ℃、保温时间0.5 h；回火保温温度640 ℃、保温时间2 h。分别从4件热成型后的封头弧顶开孔余料部位制取标准试块进行恢复性能后续热处理，分A、B两组进行，每组各对应两件封头。A组正火采用自然空冷，B组正火采用强制风冷，A、B两组同炉回火热处理。热处理后于1/4厚度处取样进行拉伸和金相检测。

拉伸试验结果见表4。A组屈服强度值略有提高，但仍然没有达到表2不小于315 MPa的标准要求；B组屈服强度较热成型后试验值(见表3)提升约18 MPa～19 MPa，虽然达到了表2规定的315 MPa要求，但仅超出7 MPa～8 MPa，安全裕度不大，如果某些工艺因素发生极端变化，极易出现屈服强度值的波动，存在一定的技术风险。

表4 封头正火+回火后续热处理两组试样拉伸试验结果

两组试样100×金相组织见图2。A组显微组织为铁素体+珠光体，晶粒度7级，珠光体中渗碳体呈片状，金相组织没有明显改善；B组显微组织为铁素体+珠光体，晶粒度7.5级，局部区域晶粒度8.5级，珠光体中渗碳体开始分散，金相组织有所改善。

图2 封头正火+回火后续热处理两组试样金相组织

从以上试验结果可知：无论正火处理采用自然空冷方式，还是强制风冷方式，气体的对流散热和高温金属辐射散热的冷却效果都不理想，钢材力学性能的恢复效果不佳。B组冷却速度高于A组，其综合力学性能和金相组织均优于A组，说明随着冷却速度的提高，材料性能恢复的效果在逐步提高。

4.2 采用水冷淬火+回火的后续热处理工艺

封头热成型后进行水冷淬火+回火热处理，热处理规范见表5。

表5 水冷淬火+回火的后续热处理工艺参数

热处理完成后，分别从4件封头弧顶开孔余料部位制取力学性能和金相检测试样各一组，进行力学性能及金相检测。力学性能试验结果见表6，力学性能恢复效果比较理想，各项指标均符合表2材料标准要求，较正火+回火热处理工艺拉伸性能和冲击性能明显提升，其中屈服强度提升至357 MPa～434 MPa，高于标准下限值42 MPa～129 MPa，提升13.33%～40.95%，较热成型后屈服值提升约31%。

表6 封头水冷淬火+回火后续热处理试样力学性能试验结果

100×金相组织见图3，显微组织为铁素体+珠光体，晶粒度9级～9.5级，珠光体中渗碳体分散，金相组织明显改善。

图3 封头水冷淬火+回火后续热处理试样金相组织

实际生产条件下，P355GH钢封头热成型后采用水冷淬火+回火热处理工艺恢复材料性能，借助于介质热传导和液态介质快速流动等散热形式，相对于正火+回火热处理工艺可以大幅度提高大厚度封头零件的冷却速度，从而进一步提升材料力学性能，再经回火处理改善材料组织性能，能够有效保证封头材料满足技术标准和使用要求。可以认为，P355GH大厚度封头热成型后进行水冷淬火+回火热处理，恢复材料性能的方案是可行的。

5 结论

(1) P355GH正火钢大厚度封头热成型加工后，进行恢复材料性能的后续热处理作业是必要的，应将该作业工序纳入此类产品生产工艺流程。

(2) P355GH大厚度封头热成型后恢复材料性能的后续热处理，相对于正火+回火工艺，采用水冷淬火+回火更为合理。通过水冷淬火+回火后续热处理工艺措施，能够有效恢复封头成型后的材料组织性能，满足设计及使用要求。