熱成形和熱處理對3.5Ni鋼力學性能的影響

叢 軼 曲 萍 楊潤梅 張利偉 梁玉國 苑 怡 葛樹濤

（大連中集重化裝備有限公司 大連 116600）

熱成形和熱處理對3.5Ni鋼力學性能的影響

叢 軼 曲 萍 楊潤梅 張利偉 梁玉國 苑 怡 葛樹濤

（大連中集重化裝備有限公司 大連 116600）

本文研究了不同厚度3.5Ni低溫鋼板以不同熱成形加熱溫度和冷卻條件成形后的力學性能變化。通過對經歷熱成形同樣加熱和冷卻條件的母材試板重新進行不同規范的正火和回火，對材料被損壞的性能進行了恢復和提高，為低溫鋼設備的制造提供了可靠的工藝依據。

3.5Ni鋼 熱成形溫度 熱處理制度 組織結構 力學性能

石油化工和煤化工的發展及LNG使用量的大增，對低溫設備的需求越來越多，研究低溫鎳鋼的特性及低溫裝備的制造工藝，特別是大型厚壁低溫裝備部件的成形和熱處理尤其重要。文獻[1-2]在國內較早研究了3.5Ni鋼的成形和焊接工藝，對低溫裝備的制造具有借鑒意義。可能由于材料來源的限制，研究僅限于薄板的冷熱成形和熱處理，對于具有拼接焊縫的厚板的成形和熱處理，尚未見報道。由于某工程的需要，某公司進口一批24mm、50mm、80mm不同級別和不同規格的SA-203D/E低溫鋼板(即3.5Ni鋼,下同)，為系統研究低溫裝備的不同制造工藝創造了條件。本研究在于為大型厚壁低溫裝備的制造提供工藝依據。本文僅涉及不同制造工藝對材料本身的影響，對焊縫及熱影響區的影響的研究將另作論述。

1 試驗材料和方法

1.1 試板規格和編號

試驗材料為國外進口，按ASME規范驗收合格[3]。選擇不同規格不同級別的SA203鋼板制成300×250（mm）各4塊，分別編號。D級24mm厚鋼板編號為M241-M244，E級50mm厚鋼板編號為M501-M504，E級80mm厚鋼板編號為M801-M804。

1.2 熱成形試驗方案

選擇熱成形是為了減小鋼的變形抗力。隨變形溫度的升高，鋼的塑性提高，變形抗力減小，易于成形[4],但溫度過高會使鋼晶粒變粗，為確定合適的成形加熱溫度，分別選擇930℃和980℃加熱進行比較。根據文獻[5]對3.5Ni鋼Ac3的計算和實測，該鋼的正火溫度在830℃～860℃，為使成形的終止溫度不低于正火溫度，又有較寬裕的成形操作溫度范圍,成形的終止溫度應在830℃以上，熱成形實際上是一次較高溫度加熱的形變正火處理。為了比較成形加熱溫度、成形終止后冷卻速度對材料組織和性能的影響，對50mm以上厚度的鋼板，在不同溫度加熱成形后分別進行空冷和水冷。不同級別和規格的SA203鋼試板的成形加熱溫度、終止成形溫度和冷卻方法列于表1。

表1 SA-203鋼試板熱成形試驗方案

1.3 模擬熱成形后不同熱處理規范試驗方案

很多研究證明，熱成形后再進行正火+回火，可以提高3.5Ni鋼的沖擊韌性，文獻[6～8]分別選擇的正火溫度在830℃～890℃范圍內，回火溫度在590℃～630℃范圍內。文獻[9]指出，880℃和645℃分別是鎳-磷和鎳-硫共晶溫度，在880℃上下停留會析出鎳磷共晶化合物，在645℃上下停留會析出鎳硫共晶化合物。ASME-Ⅷ-1也規定此類剛焊后熱處理溫度不得超出635℃。本試驗在熱成形后分別選擇900℃和850℃兩個正火溫度，每個正火溫度的試板又分別進行610℃回火，回火后分別進行空冷和水冷，用以比較不同熱處理規范對材料性能的影響。

2 試驗結果

2.1 不同加熱溫度成形和不同速度冷卻后板材的組織結構變化

圖1、圖2是分別在980℃和930℃加熱保溫1h成形后空冷的厚度為24mm的SA203D試板的金相組織，仍為沿軋制方向呈帶狀分布的鐵素體-珠光體組織，980℃加熱的晶粒略有長大，但并不明顯。

圖1 M241試板（980±15℃×1h成形后空冷）200 ×

圖2 M243試板（930±15℃×1h成形后空冷）200 ×

圖3～圖6是50mm的SA203E試板分別在980℃和930℃加熱保溫1.5h成形后以不同速度冷卻后的金相組織，比較圖3和圖5可以看出，在980℃加熱比930℃加熱空冷的組織略粗，仍為呈帶狀分布的鐵素體-珠光體組織。圖4和圖6為不同溫度加熱成形后水冷的組織，二者幾乎沒有差別，均為細粒狀均勻分布的貝氏體-鐵素體。由于奧氏體晶粒的遺傳性，仍隱約可見帶狀。

圖3 M501試板（ 980±15℃×1.5h成形后空冷）200 ×

圖4 M503試板（ 980±15℃×1.5h成形后水冷）200 ×

圖5 M502試板（ 930±15℃×1.5h成形后空冷）200 ×

圖6 M504試板（ 930±15℃×1.5h成形后水冷）200 ×

圖7和圖8為不同溫度加熱成形后水冷的組織。80mm的SA203E試板分別在980℃和930℃加熱保溫2h成形后水冷，雖然加熱溫度不同，組織并無明顯差別，均為細粒狀貝氏體-鐵素體組織，由于加熱時間較長，奧氏體化充分，帶狀已完全消失。

圖7 M801試板（ 980±15℃×2h成形后水冷）500 ×

圖8 M803試板（ 930±15℃×2h成形后水冷）500 ×

2.2 不同規范熱成形加熱冷卻后試板的力學性能

表2列出了在不同溫度加熱成形后以不同方法冷卻的SA203不同級別和規格試板力學性能試驗結果。

2.3 熱成形后經不同熱處理制度的試板力學性能

以不同溫度加熱成形，并以不同方法冷卻的各種規格的試板在分別進行900℃、850℃正火和610℃回火，其力學性能試驗結果列于表3。

3 分析和討論

3.1 熱成形規范對試板組織結構和力學性能的影響

熱成形試驗表明，成形加熱溫度對拉伸試驗和硬度檢測結果無明顯影響。對沖擊韌性，由于930℃加熱比980℃加熱成形的晶粒較細，因此沖擊功也略高。對沖擊韌性影響最明顯的是冷卻方法，空冷基本不改

表2 SA-203D/E鋼試板熱成形后的力學性能

表3 SA-203D/E鋼熱成形試板經不同溫度正火回火后的力學性能

變母材原有的組織結構，而水冷使母材組織發生明顯改變，由原來沿軋制方向呈帶狀分布的鐵素體+珠光體組織，變為以均勻分布的粒狀貝氏體和細小鐵素體組織（見圖1～圖8），從而大大提高了沖擊韌性（見表4）。但是，韌性提高的同時也使強度和硬度明顯提高。由于原材料存在組織偏析（帶狀組織）和奧氏體的組織遺傳性，沖擊功也不均勻。因此，熱成形后應重新進行較低溫度的正火和回火，進一步細化晶粒，降低過高的強度和硬度，以獲得更高且比較均勻的低溫韌性。至于加熱溫度的選擇，可跟據實際成形操作的需要，薄板加熱時間短，晶粒不會長大，出爐又快，可選較高溫度加熱，厚板加熱時間長，晶粒容易長大，出爐降溫較慢，可選較低溫度加熱后成形。

3.2 不同熱處理規范對試板力學性能的影響

由表3可知，無論熱成形還是正火、回火，冷卻速度都是影響低溫韌性的主要因素，尤其是厚板，成形和熱處理后的空冷，很難獲得所需的低溫韌性。快速水冷，不僅可以改變組織結構、細化晶粒，而且可以快速通過鎳-磷共晶溫度、鎳-硫共晶溫度和回火脆性溫度區，對提高低溫韌性非常有效。

此外，其他文獻的研究結果和本試驗的結果都表明，正火溫度不宜選在接近880℃的鎳-磷共晶溫度和645℃的鎳-硫共晶溫度。850℃正火和610℃回火（控溫精度均為±15℃），然后水冷可以獲得最佳的綜合力學性能。

文獻[3]允許A、B、D、E級鋼為改善性能可以正火快冷、文獻[10]規定焊后熱處理溫度不得超出635℃，也是基于以上原因。

4 研究成果的實際應用

表4 SA-203E鋼封頭熱成形試板經正火回火后的力學性能

5 結論

綜觀試驗和所引文獻的研究結果可以得出結論：

1） 熱成形、正火和回火的快冷不僅可改變SA203D/E鋼的組織結構，也是獲得最佳綜合性能，特別是厚板的最佳低溫沖擊韌性的必要條件；

2）一定范圍的熱成形加熱溫度，對材料的最終性能影響并不明顯，可根據成形操作的實際需要做出選擇；

3）正火和回火加熱應分別避開880℃鎳-磷共晶溫度區和645℃鎳-硫共晶溫度區，850℃正火和610℃回火對上述SA203不同級別不同厚度鋼板都是最優工藝選擇。

1 徐道榮，李平瑾，曾湖平，等.3.5Ni鋼的熱成形工藝試驗研究[J].壓力容器，1999,16（3）:11～15.

2 李平瑾，徐道榮.3.5Ni鋼低溫設備的制造和焊接[J].壓力容器，2000,17（1）:61～67.

3 ASME Boiler and Pressure Vessel Code-2010 SectionⅡ，SA203[S].4 錢劍晨.工藝金屬學[M].北京：國防工業出版社，1990.5.

5 魯修宇，王貞，蔣躍東，等.3.5Ni低溫鋼的正火工藝研究[J].熱加工工藝，2013,42（16）:192-194.

6石金柱 .熱處理工藝對3.5Ni機械性能的影響[J].山西機械，2003年增刊1,17:9，,11.

7 龐輝勇，謝良法，李經濤.提高3.5Ni鋼板低溫沖擊韌性的研究[J].壓力容器，2009,26（10）:5-11.

8 李建華，習天輝，陳曉.熱處理對3.5Ni鋼低溫韌性的作用[J].物理測試，2008,26（6）:9～12．

9 符中欣，石凱.9Ni鋼的焊接工藝研究[D].西安石油大學碩士學位論文，2007.

某甲醇洗滌器封頭為50mm厚的203E鋼板熱壓成形，860℃終壓后空冷低溫沖擊試驗不合格，經850℃正火（水冷），610℃回火（水冷），低溫沖擊性能大幅提高（見表4）。其他產品按以上試驗結果編制的工藝制造，均獲得優良的綜合力學性能。

Effect of Hot Forming and Heat Treatment on the Mechanical Properties of 3.5Ni Steel

Cong Yi Qu Ping Yang Runmei Zhang Liwei Liang Yuguo Yuan Yi Ge Shutao
(Dalian CIMC Heavy Chemical Equipment Co. Ltd Dalian 116600 )

The changes of mechanical properties for different thickness of 3.5Ni steel plant were studied under different heating temperature and cooling conditions of hot forming. As to recovering and improvinge the material properties from being damaged, the material test coupons which had been hot formed under the same heating and cooling conditions were re-carried out normalizing and tempering as per the different specifications. The test results provided reliable technology basis for low temperature steel products fabrication.

3.5Ni steel Hot forming temperature Heat treatment regime Microstructure Mechanical property

X 933.4

：B

167 3－257 X(201 4)1 2－1 7－04 D O I: 1 0.396 9/j.i s s n.167 3-257 X.201 4.1 2.005

叢軼（1983～),男,本科,工程師，從事過程裝備材料熱加工工藝及設備設計工作。

2014-07-23）