導讀：研究了奧氏體不銹鋼在低溫條件下的金屬組織變化及尺寸變化機理，提高了低溫閥門的密封性能。

　　關鍵詞 低溫閥門、深冷處理、低溫形變、深冷處理箱

　　作者：郎咸東，金瑛(大連高壓閥門廠，遼寧大連116022)

　　中圖分類號:TG156.91 文獻標識碼:A

　　1 概述

　　隨著乙烯石化工業(yè)的發(fā)展，低溫和超低溫閥門的應用越來越廣泛這些閥門的質量與材料的選用和處理關系極為密切，因此掌握材料在不同的低溫狀態(tài)下的變化規(guī)律，確定材料在不同低溫條件下的穩(wěn)定性，才能保證閥門在低溫狀態(tài)下的良好性能。

　　2 材料的選用

　　在對低溫材料進行選擇時，必須首先考慮到以下兩個方面的要求。

　　a.材料在使用的低溫條件下要有足夠的韌性，以防止在低應力下突發(fā)脆性斷裂。

　　b.低溫下材料的組織穩(wěn)定性，以保證在使用中不會因變形而影響閥門的密封性。

　　具有面立方晶格的A體不銹鋼沒有冷脆轉變臨界溫度，在低溫條件下，仍然保持較高的韌性，如OCr18Ni9和OOCr17Ni12Mo2(304、316L)等奧氏體不銹鋼，但這類鋼材大部分在室溫狀態(tài)下都處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在低溫下往往由于M體相變、體積膨脹和應力的作用而引起零件變形，深冷處理就是針對解決這一問題提出的。

　　3 低溫變形及其原因

　　用Cr-Ni奧氏體不銹鋼制作的低溫閥零件，在低溫下會發(fā)生變形，有時甚至是嚴重變形。例如，將密封件(0Cr18Ni9表面堆焊Co-Cr-W合金)精研，使用德捷力深冷處理箱處理后，用測微計測量，呈現不同類型的變形(表1、圖1)。

表1閥門零件在低溫下的變形

圖1 DN40mm 閥瓣深冷處理后沿梯形槽變形示意圖

　　零件在低溫下的變形原因有以下2點。

　　(1)由于馬氏體轉變和組織應力引起的變形奧氏體不銹鋼零件，當冷卻至Ms點以下在某一溫度范圍內長時間保溫，即會產生不同逆性的馬氏體轉變，具有體心正方點陣的馬氏體是碳在a-Fe中的過飽和固溶體。體心立方配位小。致密度低，而部分碳原子規(guī)則化排列占據體心立方點陣(1/21/2.0)(0，0，1/2)位置。使晶格沿C軸方向增長，因而馬氏體比奧氏體有更大的比容。圖2是在室溫下，奧氏體和馬氏體的比容隨含碳量的變化，可見即使含碳量為0.08%的鋼，其馬氏體的比容比奧氏體的比容約增大4%。在低溫下，馬氏體中碳原子排列規(guī)則度增高，其尺寸效應可能比室溫更大，這種局部的體積膨脹，并由膨脹引起的應力都會導致零件變形。

圖2在室溫下，不同含碳量對奧氏體和馬氏體比容的影響

　　(2)由溫度應力引起彈性和塑性畸變在深冷過程中，由于零件各部分的溫度差或由于不同組織間某些物理性能的差異，引起收縮不均，就產生了溫度應力，當應力低于材料的彈性極限時，就僅使零件產生可逆性的彈性扭曲。當某一部分的溫度應力超過了材料的屈服相限時，零件將發(fā)生不可逆轉的扭曲變形。

　　實踐證明，無論那種原因引起的變形，其對零部件結構形式是非常敏感的，因此對低溫閥門要十分注意結構形式的選擇和設計。

　　4 深冷處理

　　由上述原因引起的變形，都會在使用中影響閥門的密封性。對于可逆的變形，一般是通過改進結構設計來解決，而為了消除永久性的變形，一種辦法是選擇那些穩(wěn)定性較高的材料，以便在應用中不發(fā)生馬氏體轉變，從而減少變形，如用316L材料代替304材料。但由于受成本等因素的制約，通常選用304(OCr18Ni9)不銹鋼，并通過深冷處理使馬氏體轉變和變形得以充分發(fā)生。然后，通過精加工，使零件中保持組織和尺寸的相對穩(wěn)定性。

　　處于室溫的奧氏體不銹鋼大部分是處在亞穩(wěn)定狀態(tài)的，當繼續(xù)冷卻至Ms點溫度以下?；蛟谀骋粶囟确秶鷥乳L期保持都會發(fā)生馬氏體轉變。而在Ms點以上，由于加工變形的作用，也會有馬氏體轉變。奧氏體不銹鋼的馬氏體轉變過程及其最終產物，主要取決于化學成分。

　　5 深冷處理

　　通過實踐，確定其工藝參數。進行深冷處理的溫度界限為-100℃，凡用于-100℃以下，各種類型閥門的閥體、閥蓋和密封件需做深冷處理，低溫處理的溫度應不大于閥門的實際使用溫度。深冷時間由30min延長到70h試樣的變形量和馬氏體轉變，均無明顯規(guī)律性變化，基本表明了短時間內成核并立即長大的特點。為了保證深冷處理充分、均衡，選用2h。當保留時間為2h，深冷處理的次數從1次增加到8次，試樣的變形量和馬氏體轉變量均無明顯規(guī)律性增多。經反復深冷處理，馬氏體的總量在不斷增加。

　　密封零件經一次深冷處理并重新研平，經再次深冷處理后，其變形量非常微小，為了同時兼顧到等溫馬氏體轉變的影響，保冷時間選2~3h.對于靠介質壓力密封的低溫止回閥除經深冷處理外，還要根據試壓的具體情況增加深冷次數及延長深冷時間，直至密封性合格。

　　對奧氏體不銹鋼制造的閥門零件進行深冷處理時，雖然主要是為了解決變溫馬氏體轉變引起的變形問題，但與此同時，也必然伴隨著等溫馬氏體轉變。對于那些精度要求很高的止回閥密封件，只要通過增加保冷時間和增加深冷次數及深冷后進行適當的時效處理，也是有效果的。

　　6 結論

　　用奧氏體不銹鋼制作低溫閥門的零件，并進行深冷處理后，會有效地解決低溫下變形的問題。但是，如果材料選用不當，或者材料的熱處理不充分及不適當，將會給低溫閥門帶來致命的缺陷，其零件無論進行怎樣的深冷處理，都不會改變其低溫變形的特點，從而難以保證低溫閥門產品的密封等性能。因此，制作低溫閥門的零件時，須使用在低溫條件下有良好韌性的材料，并進行適當的深冷處理，才能保證其性能。

　　參考文獻

　　[1] 崔忠圻。金屬學與熱處理[M]北京:機械工業(yè)出版社，1993.

　　[2] 肖紀美。不銹鋼金屬學M]北京:機械工業(yè)出版社，1993.

　　[3]上海交大，金相分析(M]國防工業(yè)出版社，1997.

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