核电用40NCD 7.03材质大螺栓热处理工艺

马晓兵 林春生 熊 彦 刘国平 王国栋

(武汉重工铸锻有限责任公司，湖北430084)

核电站用大螺栓不仅要求具有很高的屈服和抗拉强度，而且还要具有很高的低温冲击性能。核电大螺栓在热处理过程中的主要难点是淬透性差。大螺栓材质为40NCD7.03，相当于JB/ZQ 4288—1986中的40CrNiMo。

1 大螺栓的技术条件

大螺栓的粗加工图见图1。大螺栓的化学成分要求值见表1。大螺栓的力学性能要求见表2。力学性能试样取样要求是：同炉号同炉调质后取2件(其中1件为本体硬度最高，1件为本体硬度最低)做纵向试验(1/2半径处取样)。

图1 大螺栓粗加工图Figure 1 The rough machining sketch of the big bolts

表1 化学成分要求值(质量分数，%)Table 1 The desired value of chemical composition (mass fraction，%)

表2 力学性能要求值Table 2 The desired value of mechanical property

2 大螺栓常规热处理工艺及力学性能

2.1 成分调整

为了提供好的热处理基体，炼钢时应从以下三个方面进行控制：(1)C控制在中下限，既可提高材料的塑韧性又可减少淬裂倾向。(2)合金元素控制在上限，可增加材料的淬透性和提高塑韧性。(3)尽量减少有害残留元素P、S的含量，保证纯净度。炉号为104-1271钢锭的化学成分见表3。

2.2 大螺栓常规工艺热处理

表3 化学成分实测值(质量分数，%)Table 3 The measured value of chemical composition (mass fraction，%)

大螺栓常规工艺热处理见图2。其主要参数的确定原则是：

(1)850±10℃保温2 h。根据钢的淬火加热温度表查得，淬火温度为840～860℃。

(2)根据Ms点经验公式，可得到炉号为104-1271的Ms=328℃。查类似直径钢件水冷冷却曲线，要想得到马氏体需水冷8 min。

(3)250～300℃保温2 h。根据40NCD7.03钢的过冷奥氏体转变图，在该温度保温，可使残留奥氏体向马氏体转变，同时，也可以减少热应力。

(4)40NCD7.03钢具有回火脆性，因此，回火后油冷可以避免回火脆性。

2.3 大螺栓常规工艺热处理后力学性能

大螺栓常规工艺热处理后力学性能见表4。由表4可知，该批大螺栓经常规热处理后，其屈服和抗拉强度、延伸率都满足技术要求，但低温冲击性能不能满足技术要求。我们对其金相组织和晶粒度进行了分析，组织为回火索氏体+贝氏体，晶粒度为5级。该批大螺栓抗拉强度富裕量不多，通过补充回火很难使低温冲击性能满足技术要求。只能通过重新高温热处理，使其热处理后组织为索氏体，晶粒度大于5级，才能使低温冲击性能满足技术要求。

3 改进后热处理工艺及力学性能

改进后的热处理工艺见图3。该工艺主要参数的确定原则是：

(1)在调质工艺前加了一道正火工艺，目的是改善组织，细化晶粒，为降温淬火组织均匀性做好准备。

(2)780±10℃保温1 h。根据经验公式得出，Ac3=740℃，故降温淬火温度选择为780±10℃。采用降温淬火主要有以下两个方面的目的：提高Ms，增加淬透性；减少工件与淬火介质的温差，从而减小热应力，降低变形开裂的风险。

(3)延长水淬时间是为了尽可能提高淬火冷却速度，避免先析相的产生。在低温阶段采用油冷，可以降低马氏体转变区的冷速，减小组织应力。但是水淬的时间要严格控制，因为该合金正偏析区的碳含量(质量分数)C≥0.32%～0.36%，属于可水淬区域，但要特别小心。

图2 常规热处理工艺Figure 2 The conventional heat treatment process

图3 改进后的热处理工艺Figure 3 The improved heat treatment process

表4 大螺栓力学性能Table 4 The mechanical property of the Piston Rod

表5 改进热处理工艺后的力学性能Table 5 The mechanical property after the new heat treatment process

(4)530±10℃保温10 h。常规热处理后大螺栓的屈服和抗拉强度都有富裕量，故改进工艺后的回火温度选择要比常规热处理后的回火温度高，以提高冲击韧性。

改进热处理工艺后的力学性能结果见表5。由表5可以看出，大螺栓采用改进工艺热处理后，其冲击性能有大幅度的提高，各项指标都满足了技术要求。我们对其进行了金相组织和晶粒度分析，组织为回火索氏体，晶粒度为6级。

4 分析与讨论

40NCD7.03大螺栓采用改进工艺热处理后，其冲击性能得到了很大的提高，主要有以下两个方面的原因：

(1)大螺栓采用改进工艺热处理后，其组织为回火索氏体； 回火索氏体的综合力学性能优于索氏体+贝氏体。

(2)大螺栓采用改进工艺热处理后，其晶粒度为6级；不仅提高了抗拉强度，还可以提高冲击性能。

(3)改进的新工艺还可以避免淬火裂纹。

[1] 雷廷权等，金属热处理工艺方法500种.北京：机械工业出版社，1998.10.

[2] 苏东升等，钢的过冷奥氏体转变曲线.本溪钢铁公司第一炼钢厂，1979.10.

[3] 康大韬等，大型锻件材料及热处理.北京：龙门书局，1998.

[4] 大锻件热处理.北京:机械工业出版社，1974.10.