核電站用SA738Gr.B鋼板熱處理工藝研究

韓啟彪，蔣善玉，孫衛(wèi)華

（山鋼股份濟(jì)南分公司，山東濟(jì)南 250101）

試驗(yàn)研究

核電站用SA738Gr.B鋼板熱處理工藝研究

韓啟彪，蔣善玉，孫衛(wèi)華

（山鋼股份濟(jì)南分公司，山東濟(jì)南 250101）

為滿足SA738Gr.B核電站用鋼較高的性能要求，在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了工業(yè)化生產(chǎn)熱處理工藝參數(shù)對(duì)鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，鋼板淬火時(shí)冷卻速度＞5℃/s時(shí)，能夠避免先共析鐵素體的析出；淬火溫度較高時(shí)，鋼板具有更細(xì)小和均勻的板條貝氏體；隨著淬火加熱的保溫時(shí)間延長，晶粒組織粗化且鐵素體含量減少；隨著回火溫度的升高，晶粒粗化，同時(shí)貝氏體含量減少，鐵素體含量增多；在工業(yè)化生產(chǎn)中，較大淬火水量下鋼板的拉伸性能更優(yōu)；隨著回火時(shí)間的延長，鋼板強(qiáng)度下降而沖擊韌性提高。以920℃×2.0 min/mm加熱、較高水量的Q2工藝淬火，并采用650℃×1.5 min/mm的工藝回火，可使鋼板的強(qiáng)韌性達(dá)到最佳匹配。

核電站用鋼；SA738Gr.B鋼；熱處理；顯微組織；力學(xué)性能

核電用鋼板的質(zhì)量穩(wěn)定性是核電用鋼的基本要求，也是ASME規(guī)范的重要內(nèi)容。SA738Gr.B作為ASME第Ⅱ卷的中低溫壓力容器用熱處理鋼板，廣泛用于核電站安全殼和結(jié)構(gòu)模塊，對(duì)其性能提出了嚴(yán)格的要求，尤其是低溫沖擊性能、高溫拉伸性能、晶粒度、基準(zhǔn)無塑形轉(zhuǎn)變溫度等都是重點(diǎn)考核指標(biāo)，熱處理工藝對(duì)達(dá)到各項(xiàng)性能指標(biāo)要求具有至關(guān)重要的作用。本研究對(duì)該鋼的熱處理工藝進(jìn)行探討，并提出合理的淬火和回火工藝制度，使鋼板各項(xiàng)力學(xué)性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 試驗(yàn)材料和方法

SA738Gr.B鋼的熔煉化學(xué)成分如表1所示。

表1 SA738Gr.B的合金成分范圍（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

該鋼種的生產(chǎn)工藝路線為：轉(zhuǎn)爐冶煉—LF精煉—VD真空脫氣—270 mm×2 100 mm斷面連鑄—加熱—雙機(jī)架軋制。以45 mm厚熱軋態(tài)鋼板為試驗(yàn)材料進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)。

利用MMS—200熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，研究鋼板在不同冷卻速率下的組織狀態(tài)，制定出該鋼的靜態(tài)CCT曲線。將Φ10 mm×20 mm的圓柱狀試樣在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上加熱到1 150℃保溫4 min，以10℃/s的冷速降溫至950℃，再分別以1、3、5℃/s的冷卻速度冷卻。利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣的金相組織，繪制CCT曲線見圖1。

圖1 測定靜態(tài)CCT曲線試驗(yàn)示意圖

保溫系數(shù)均為2.0 min/mm，以不同的淬火加熱溫度（860、880、920、950℃）進(jìn)行淬火試驗(yàn)，水為淬火介質(zhì)，分析各工藝下鋼板的顯微組織結(jié)構(gòu)，研究其完全奧氏體化溫度，以制定保證鋼板淬透的淬火溫度。然后在該溫度下（920℃）以不同保溫時(shí)間進(jìn)行加熱保溫，保溫系數(shù)分別為1.0、1.5、2.0、2.5 min/ mm；之后淬火，尋求最佳的淬火工藝參數(shù)。

根據(jù)淬火試驗(yàn)結(jié)果，按照最優(yōu)淬火工藝淬火后以不同的回火工藝參數(shù)進(jìn)行回火試驗(yàn)，研究不同回火工藝對(duì)鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響。

在該淬火工藝下對(duì)一組鋼試樣進(jìn)行淬火，然后分別在630、650、670、690℃的回火溫度和1.2、1.5、1.8、2.0 min/mm的回火系數(shù)下進(jìn)行共16組完全組合的回火試驗(yàn)。

根據(jù)淬火和回火試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備參數(shù)，制定工業(yè)生產(chǎn)的熱處理工藝，從而實(shí)現(xiàn)了鋼板各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的最優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼板靜態(tài)CCT曲線

利用熱膨脹法和金相組織觀察相結(jié)合的方法，繪制了SA738Gr.B鋼的靜態(tài)CCT曲線，如圖2所示。在冷速＜5℃/s時(shí)形成先共析鐵素體，最終組織以粒狀貝氏體為主；當(dāng)冷速為5～8℃/s時(shí)，冷卻后形成單一的粒狀貝氏體組織。當(dāng)冷速處于8～12℃/s的范圍內(nèi)時(shí)，形成的組織為粒狀貝氏體和板條狀貝氏體；當(dāng)冷速＞12℃/s時(shí)，鋼的冷卻后組織為單一的板條狀貝氏體。

圖2 SA738Gr.B靜態(tài)CCT曲線

2.2 淬火工藝對(duì)鋼金相組織的影響

以相同的淬火加熱系數(shù)、不同的加熱溫度將SA738Gr.B鋼加熱后以大于臨界冷卻速度的冷速冷卻后得到的組織如圖3所示。加熱溫度較高時(shí)，淬火后得到的組織以較為均勻的板條貝氏體為主（見圖3c、d）；當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，冷卻后的組織粗大且不均勻，有大塊的鐵素體存在（見圖3a、b）。可見在860℃和880℃下加熱時(shí)鋼的組織未完全奧氏體化。在920℃時(shí)加熱時(shí)鋼能夠完全奧氏體化，并在冷卻后能夠獲得均勻的組織，這樣將能夠保證在回火后具有良好的強(qiáng)韌性配合［1］。

圖3 不同淬火加熱溫度時(shí)的金相組織

在920℃的加熱溫度下，以不同的保溫系數(shù)對(duì)SA738Gr.B鋼進(jìn)行加熱，并以大于臨界冷卻速度的冷速進(jìn)行冷卻。如圖4所示，冷卻后鋼的組織以貝氏體為主，但在保溫時(shí)間較短時(shí)該鋼的淬火組織中鐵素體較多，這是由于保溫時(shí)間較短時(shí)鋼尚未完全奧氏體化，存在少量鐵素體組織在淬火后保留下來。而以2.5 min/mm進(jìn)行長時(shí)間保溫后，鋼的淬火組織將會(huì)變得粗大，因此，可以確定在2.0 min/mm的保溫時(shí)間下加熱較為合適。

圖4 920℃以不同的保溫時(shí)間加熱后的淬火組織

2.3 回火工藝對(duì)鋼組織性能的影響

圖5、圖6所示為SA738Gr.B鋼板以相同回火系數(shù)（1.5 min/mm）回火時(shí)鋼的力學(xué)性能隨回火溫度的變化，隨著溫度的升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈逐漸下降趨勢(shì)，而沖擊功呈上升趨勢(shì)。圖7比較了相同回火保溫系數(shù)不同回火溫度下典型顯微組織照片，可見隨著回火溫度的升高，晶粒有粗化的傾向，同時(shí)組織中貝氏體含量有所減少，鐵素體含量增多，這是造成強(qiáng)度下降而沖擊功提高的主要原因。

在650℃×1.5 min/mm的回火工藝下屈服強(qiáng)度達(dá)到489.7 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到575.7 MPa，-45℃橫向平均沖擊功達(dá)到281 J，實(shí)現(xiàn)了良好的強(qiáng)韌性匹配和較高的經(jīng)濟(jì)性。

圖5 強(qiáng)度隨回火溫度的變化

圖6 伸長率隨回火溫度的變化

圖7 不同回火工藝典型的金相組織

3 工業(yè)化生產(chǎn)熱處理工藝優(yōu)化

3.1 淬火工藝優(yōu)化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，確定了工業(yè)化生產(chǎn)熱處理工藝參數(shù)：淬火保溫溫度915～920℃，淬火加熱在爐系數(shù)2.0 min/mm，冷卻水量采用Q1和Q2兩種對(duì)比方案，其中Q2方案的冷卻水量較大。

采用不同冷卻水量時(shí)鋼板淬火后顯微金相組織如圖8所示。在Q1冷卻方案下鋼板中心和1/4處金相組織差異較大，中心處組織以貝氏體和鐵素體為主，可見鋼板未淬透。而冷卻水量為Q2時(shí)鋼板在不同位置處的金相組織差異較小，從表面到心部均為板條貝氏體組織，說明鋼板已淬透。表2列出了以兩種淬火方案淬火后鋼板的拉伸力學(xué)性能，Q2冷卻方案的抗拉強(qiáng)度比Q1時(shí)高70 MPa，屈服強(qiáng)度比Q1時(shí)高15 MPa。

圖8 不同淬火冷卻方案鋼板不同位置金相組織

表2 不同冷卻水量淬火態(tài)鋼板的拉伸性能

3.2 回火工藝優(yōu)化

鋼板按Q2方案淬火后按照不同的回火工藝進(jìn)行回火，回火后鋼板的力學(xué)性能如表3所示，可見隨著回火時(shí)間的延長（回火系數(shù)增大），強(qiáng)度下降而沖擊功升高。經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比，在650℃×1.5 min/mm的回火工藝下能獲得最佳的強(qiáng)韌性配合，且有較合適的強(qiáng)度富余量，－45℃橫向夏比沖擊功平均值達(dá)到275 J，與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

表3650 ℃淬火＋不同回火時(shí)間回火后鋼板的力學(xué)性能

該鋼種對(duì)于高溫拉伸性能要求較高，為此分析了不同淬火工藝下以相同回火工藝（650℃×1.5 min/mm）回火后的高溫拉伸性能，試驗(yàn)溫度為200℃，結(jié)果見表4。采用Q2淬火工藝時(shí)鋼板的高溫拉伸性能更優(yōu)良，平均屈服強(qiáng)度比Q1時(shí)高約100 MPa，抗拉強(qiáng)度比Q1時(shí)高76 MPa，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)性能要求；而在Q1工藝下部分試樣的高溫抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)值，最低時(shí)僅515 MPa。

表4 不同淬火冷卻水量＋回火后鋼板的高溫拉伸性能

按照ASTM E211標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，兩種方案試制的鋼板晶粒度都達(dá)到了8.5級(jí)。按ASTM E208-06《鐵素體鋼無塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行落錘試驗(yàn)，對(duì)45 mm厚鋼板取橫向試樣，試樣為P1型，兩種方案下，SA738Gr.B鋼板無塑性轉(zhuǎn)變溫度RTNDT均為－40℃左右，具有良好的低溫韌性。

以上各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了核電站鋼板采購技術(shù)要求，采用（915～920）℃×2.0 min/mm和Q2水量方案淬火，650℃×1.5 min/mm回火，SA738Gr.B鋼板具有更優(yōu)良的力學(xué)性能。

4 結(jié)論

4.1 鋼板淬火時(shí)冷卻速度＞5℃/s時(shí)能夠避免先共析鐵素體的析出。

4.2 在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上得到了核電站用鋼板的最佳熱處理工藝方案，并應(yīng)用到工業(yè)化試制中，即以（915～920）℃×2.0 min/mm加熱，隨后以較高水量的Q2工藝淬火，并采用650℃×1.5 min/mm的工藝回火，可使鋼板的強(qiáng)韌性達(dá)到最佳匹配，滿足核電站采購技術(shù)要求。

［1］畢志超，張繼明，劉曉東，等.核電用高強(qiáng)韌厚規(guī)格調(diào)質(zhì)鋼板的力學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2011，10（23）：59-62.

Study on Heat Treatment Processof SA738Gr.B Steel Plats for Nuclear Power Plant

HAN Qibiao,JIANG Shanyu,SUN Weihua
（Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

In order to meet the high performance requirements of SA738Gr.B steel plate for nuclear power plant,on the basis of lab tests,heat treatment process parameters in industrial production are studied.The results showed that Pro-eutectoid ferrite precipitation can be avoided when quenching cooling rate greater than 5℃/s;The steel plates have smaller and more uniform lath bainite when quenching temperature is higher;With the extension of heating holding time in quenching,the grains are coarser and ferrite content reduces;With the increase of the tempering temperature,grains coarsen,and the content of bainite reduces,ferrite content increases;In industrial production,tensile properties is superior when water quantity of quenching is higher;With the increase of the tempering time,the steel strength decreases and the impact toughness increases.When the steel plate was heated in 920℃×2.0 min/mm,and subsequently quenched in Q2 program with higher water flow,then tempered in 650℃×1.5 min/mm，the best match of the strength and toughness can be achieved.

steel for nuclear power plant;SA738Gr.B steel,heat treatment;microstructure;mechanical property

TF534

A

1004-4620（2014）03-0036-03

2014-11-01；

2014-05-15

韓啟彪，男，1977年生，2006年畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)鋼鐵冶金專業(yè)，碩士。現(xiàn)為濟(jì)鋼技術(shù)中心工程師，從事中厚板新產(chǎn)品開發(fā)工作。