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高压锅炉用碳钢SA210A-1、SA-210C、20G比较分析
摘要： 调研发现，目前国内生产的SA210A-1在实际的供料中没有单独坯料，通常会以SA210C坯或20G坯代之。为了研究这种替代方式能否满足SA210A-1材料标准和产品设计要求，通过对SA210M 标准中SA210A-1、SA-210C及GB 5310标准中的20G成分和性能的比较分析，提出在SA210A-1小口径管采购要求中，应增加Mn下限规定的优化意见。
前 言
当前参数等级在亚临界及以上的锅炉机组受压件用碳钢材料主要有3种：20G、SA210A-1、SA-210C，基本用于低温过热器、低温再热器、水冷壁和省煤器等部件中的受热面管，管子金属设计温度通常在350℃~425℃ 。
由于碳钢的强化元素是C和Mn，而锅炉制造厂从焊接性能考虑通常会严格限制C含量。按ASME中的描述：在规定最大碳含量以下含碳量每降低0.01%，则允许在规定的最大锰含量之上各增加0.06%的含锰量，但最大不得超过1.35%。说明1个碳含量下降带来的强度损失一般需6个锰含量进行弥补，但从当前钢管厂的实际供料中却发现一个有意思的现象：即国内SA210A-1似乎没有成分鲜明的单独坯料，要么以SA-210C坯代之，要么以20G坯代之，这种现象可在表1随机抽取的部分批次SA210A-1、SA-210C、20G 的成分和性能数据比较中得到直观印象，差异更明显体现在Mn含量上。同样是SA210A-1，表1中的序号6、7、8成分及性能和20G相当，序号9成分及性能和SA-210C相当。那么这种替代方式能否保证SA210A-1满足材料标准和产品设计要求呢? 以下遵循标准的脉络并结合产品的使用条件进行分析。
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裂纹呈轴向，形状细而长。当模具完全淬透即无心淬火时，心部转变为比容最大的淬火马氏体，产生切向拉应力，模具钢的含碳量愈高，产生的切向拉应力愈大，当拉应力大于该钢强度极限时导致纵向裂纹形成。
以下因素又加剧了纵向裂纹的产生：
⑴钢中含有较多S、P、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质，钢锭轧制时沿轧制方向呈纵向严重偏析分布，易产生应力集中形成纵向淬火裂纹，或原材料轧制后快冷形成的纵向裂纹未加工掉保留在产品中导致最终淬火裂纹扩大形成纵向裂纹；
⑵模具尺寸在钢的淬裂敏感尺寸范围内(碳工具钢淬裂危险尺寸为8~15mm，中低合金钢危险尺寸为25~40mm)，或选择的淬火冷却介质大大超过该钢的临界淬火冷却速度时均易形成纵向裂纹。
预防措施：
⑴严格原材料入库检查，对有害杂质含量超标钢材不投产；
⑵尽量选用真空冶炼，炉外精炼或电渣重熔模具钢材；
⑶改进热处理工艺，采用真空加热、保护气氛加热和充分脱氧盐浴炉加热及分级淬火、等温淬火；
⑷变无心淬火为有心淬火即不完全淬透，获得强韧性高的下贝氏体组织等措施，大幅度降低拉应力，能有效避免模具纵向开裂和淬火畸变。
2、横向裂纹
裂纹特征是垂直于轴向。未淬透模具，在淬硬区与未淬硬区过渡部分存在大的拉应力峰值，大型模具快速冷却时易形成大的拉应力峰值，因形成的轴向应力大于切向应力，导致产生横向裂纹。锻造模块中S、P，Bi，Pb，Sn，As等低熔点有害杂质的横向偏析或模块存在横向显微裂纹，淬火后经扩展形成横向裂纹。
预防措施：
⑴模块应合理锻造，原材料长度与直径之比，即锻造比最好选在2~3之间，锻造采用双十字形变向锻造，经五镦五拔多火锻造，使钢中碳化物和杂质呈细、小，匀分布于钢基体，锻造纤维组织围绕型腔无定向分布，大幅度提高模块横向力学性能，减少和消除应力源；
⑵选择理想的冷却速度和冷却介质：在钢的Ms点以上快冷，大于该钢临界淬火冷却速度，钢中过冷奥氏体产生的应力为热应力，表层为压应力，内层为张应力，相互抵消，有效防止热应力裂纹形成；在钢的Ms~Mf之间缓冷，大幅度降低形成淬火马氏体时的组织应力。当钢中热应力与相应应力总和为正(张应力)时，则易淬裂，为负时，则不易淬裂。充分利用热应力，降低相变应力，控制应力总和为负，能有效避免横向淬火裂纹发生。CL-1有机淬火介质是较理想淬火剂，同时可减少和避免淬火模具畸变，还可控制硬化层合理分布。调正CL-1淬火剂不同浓度配比，可得到不同冷却速度，获得所需硬化层分布，满足不同模具钢需求
3、弧状裂纹
常发生在模具棱角角、缺口、孔穴、凹模接线飞边等形状突变处
这是因为，淬火时棱角处产生的应力是平滑表面平均应力的10倍。另外：
⑴钢中含碳(C)量和合金元素含量愈高，钢Ms点愈低，Ms点降低2℃，则淬裂倾向增加1.2倍，Ms点降低8℃，淬裂倾向则增加8倍；
⑵钢中不同组织转变和相同组织转变不同时性，由于不同组织比容差，造成巨大组织应力，导致组织交界处形成弧状裂纹；
⑶淬火后未及时回火，或回火不充分，钢中残余奥氏体未充分转变，保留在使用状态中，促进应力重新分布，或模具服役时残余奥氏体发生马氏体相变产生新的内应力，当综合应力大于该钢强度极限时便形成弧状裂纹；
⑷具有第二类回火脆性钢，淬火后高温回火缓冷，导致钢中P，S等有害杂质化合物沿晶界析出，大大降低晶界结合力和强韧性，增加脆性，服役时在外力作用下形成弧状裂纹。
预防措施：
⑴改进设计，尽量使形状对称，减少形状突变，增加工艺孔与加强筋，或采用组合装配；
⑵圆角代直角及尖角锐边，贯穿孔代盲孔，提高加工精度和表面光洁度，减少应力集中源，对于无法避免直角、尖角锐边、盲孔等处，一般硬度要求不高，可用铁丝、石棉绳、耐火泥等进行包扎或填塞，人为造成冷却屏障，使之缓慢冷却淬火，避免应力集中，防止淬火时弧状裂纹形成；
⑶淬火钢应及时回火，消除部分淬火内应力，防止淬火应力扩展；
⑷较长时间回火，提高模具抗断裂韧性值；
⑸充分回火，得到稳定组织性能；
⑹多次回火使残余奥氏体转变充分和消除新的应力；
⑺合理回火，提高钢件疲劳抗力和综合机械力学性能；对于有第二类回火脆性模具钢，高温回火后应快冷(水冷或油冷)，可消除二类回火脆性，防止和避免淬火时弧状裂纹形成。
4、剥离裂纹
模具服役时在应力作用下，淬火硬化层一块块从钢基体中剥离。因模具表层组织和心部组织比容不同，淬火时表层形成轴向、切向淬火应力，径向产生拉应力，并向内部突变，在应力急剧变化范围较窄处产生剥离裂纹，常发生于经表层化学热处理模具冷却过程中，因表层化学改性与钢基体相变不同时性引起内外层淬火马氏体膨胀不同时进行，产生大的相变应力，导致化学处理渗层从基体组织中剥离。如火焰表面淬硬层、高频表面淬硬层、渗碳层、碳氮共渗层、渗氮层、渗硼层、渗金属层等。化学渗层淬火后不宜快速回火，尤其是300~C以下低温回火快速加热，会促使表层形成拉应力，而钢基体心部及过渡层形成压缩应力，当拉应力大于压缩应力时，导致化学渗层被拉裂剥离。
预防措施：
⑴应使模具钢化学渗层浓度与硬度由表至内平缓降低，增强渗层与基体结合力，渗后进行扩散处理能使化学渗层与基体过渡均匀；
⑵模具钢化学处理之前进行扩散退火、球化退火、调质处理，充分细化原始组织，能有效防止和避免剥离裂纹产生，确保产品质量。
5、网状裂纹
裂纹深度较浅，一般深约0.01~1.5mm，呈辐射状，别名龟裂。
原因主要有：
⑴原材料有较深脱碳层，冷切削加工未去除，或成品模具在氧化气氛炉中加热造成氧化脱碳；
⑵模具脱碳表层金属组织与钢基体马氏体含碳量不同，比容不同，钢脱碳表层淬火时产生大的拉应力，因此，表层金属往往沿晶界被拉裂成网状；
⑶原材料是粗晶粒钢，原始组织粗大，存在大块状铁素体，常规淬火无法消除，保留在淬火组织中，或控温不准，仪表失灵，发生组织过热，甚至过烧，晶粒粗化，失去晶界结合力，模具淬火冷却时钢的碳化物沿奥氏体晶界析出，晶界强度大大降低，韧性差，脆性大，在拉应力作用下沿晶界呈网状裂开。
预防措施：
⑴严格原材料化学成分．金相组织和探伤检查，不合格原材料和粗晶粒钢不宜作模具材料；
⑵选用细晶粒钢、真空电炉钢，投产前复查原材料脱碳层深度，冷切削加工余量必须大于脱碳层深度；
⑶制订先进合理热处理工艺，选用微机控温仪表，控制精度达到±1.5℃，定时现场校验仪表；
⑷模具产品最终处理选用真空电炉、保护气氛炉和经充分脱氧盐浴炉加热模具产品等措施，有效防止和避免网状裂纹形成。
6、冷处理裂纹
模具钢多为中、高碳合金钢，淬火后还有部分过冷奥氏体未转变成马氏体，保留在使用状态中成为残余奥氏体，影响使用性能。若置于零度以下继续冷却，能促使残余奥氏体发生马氏体转变，因此，冷处理的实质是淬火继续。室温下淬火应力和零度下淬火应力叠加，当叠回应力超过该材料强度极限时便形成冷处理裂纹。
预防措施：
⑴淬火后冷处理之前将模具置于沸水中煮30~60min，可消除15％~25％淬火内应力并使残余奥氏体稳定化，再进行-60℃常规冷处理，或进行-120℃深冷处理，温度愈低，残余奥氏体转变成马氏体量愈多，但不可能全部转变完，实验表明，约有2％~5％残余奥氏体保留下来，按需要保留少量残余奥氏体可松驰应力，起缓冲作用，因残余奥氏体又软又韧，能部分吸收马氏体化急剧膨胀能量，缓和相变应力；
⑵冷处理完毕后取出模具投入热水中升温，可消除40％~60％冷处理应力，升温至室温后应及时回火，冷处理应力进一步消除，避免冷处理裂纹形成，获得稳定组织性能，确保模具产品存放和使用中不发生畸变。
7、磨削裂纹
常发生在模具成品淬火、回火后磨削冷加工过程中，多数形成的微细裂纹与磨削方向垂直，深约0.05~1.0mm。
产生原因：
⑴原材料预处理不当，未能充分消除原材料块状、网状、带状碳化物和发生严重脱碳；
⑵最终淬火加热温度过高，发生过热，晶粒粗大，生成较多残余奥氏体；
⑶在磨削时发生应力诱发相变，使残余奥氏体转变为马氏体，组织应力大，加上因回火不充分，留有较多残余拉应力，与磨削组织应力叠加，或因磨削速度、进刀量大及冷却不当，导致金属表层磨削热急剧升温至淬火加热温度，随之磨削液冷却，造成磨削表层二次淬火，多种应力综合，超过该材料强度极限，便引起表层金属磨削裂纹。
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高压锅炉用无缝钢管材质：HR3C（SA-213TP310HCbN）
HR3C（25Cr-20Ni-Nb-N钢）是20世纪80年代日本住友公司成功研制出的一种新型不锈钢。HR3C是日本住友金属定名的商标，在ASME标准中的材料商标为SA-213TP310HCbN，在日本JIS标准中的材料商标为SUS310JITB。其标准成分见下表。
因为传统的18-8型奥氏体耐热钢抗水蒸气氧化机能和抗烟气腐化机能较低，而锅炉过热器和再热器的末级部件请求有优胜的抗水蒸气和抗烟气氧化机能，是以在18-8型奥氏体耐热钢的基本上，开辟了25-20型奥氏体耐热钢TP310。将Cr质量分数进步到25%，在经久服役过程中，Cr元素会向外面扩散，与氧结合形成氧化层，起到优胜的抗氧化感化。然则，跟着Cr含量的进步，脆性相σ相的析出趋势加倍明显。是以，同时进步了Ni含量，稳定奥氏体组织的同时克制σ相的析出偏向。是以，25-20型奥氏体耐热钢TP310的抗氧化机能明显进步，并有稳定的奥氏体组织，有利于适应超超临界锅炉蒸汽和烟气的恶劣前提。
然则，仅仅进步材料的抗氧化机能是不敷的，因为在经久服役过程中还须要优胜的蠕变断裂强度。Cr和Ni含量的进步均不会获得更高的蠕变断裂强度，是以为了进步材料的蠕变断裂强度，日本住友金属公司开辟了HR3C奥氏体耐热钢。为了进步25Cr-20Ni型奥氏体耐热钢的高温强度，同样应用了多元合金强化道理，即在TP310的基本上，经由过程限制C含量，并复合添加质量分数为0.20%~0.60%的强碳氮化物形成元素Nb和质量分数为0.15%~0.35%的N，应用析出弥散分布、渺小的NbCrN相和富Nb的碳、氮化物以及M23C6来进行强化，成功地开辟了新型奥氏体耐热钢HR3C，其蠕变断裂强度明显进步到181MPa。
综合推敲，与其他耐热钢比拟，HR3C具有优良的蠕变断裂强度和更优良的抗蒸汽和烟气的氧化机能，是以更合实用于超超临界机组中情况极为恶劣的锅炉过热器和再热器部件的末级管道中。
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