熱處理工藝對壓力容器鋼板組織和性能的影響

高大偉

（舞陽鋼鐵有限責任公司，河南 舞鋼 462500）

07系列壓力容器鋼近年來被廣泛應用于低裂紋敏感性壓力容器如球罐等壓力容器等的制造，是一種調制高強度鋼，主要用于盛裝氧氣、氮氣、丙烯以及乙烯物品。隨著我國工業生產技術的不斷進步，我國多數冶金企業都已先后在此類型鋼板的制造上成功有所突破，結束了我國長期需要向日本進口此類型鋼材的局面[1]。由于調制高強度鋼在進行交貨時往往都處于調質狀態，并且這時的鋼板的諸多性能如強度、韌性以及塑性等都較為良好。實踐證明，調質高強度鋼具備更加廣闊的應用前景[2]。

本研究就是在此基礎上以07系列鋼為例，通過對實驗室熱軋后鋼板以及工業化生產鋼板的調質熱處理工藝進行研究，最終分析得出最適宜的熱處理工藝參數，為我國熱處理鋼板的生產提供了初步理論依據。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗所使用的材料主要為連鑄胚，其化學組成主要如下表1。

表1 07MnNiMoDR實驗鋼化學成分（質量分數）%

1.2 軋制和熱處理實驗

熱軋實驗使用的設備主要為Ф550mm×750mm軋機，并主要對其中兩個階段的軋制工藝進行控制，即奧氏體再結晶及未再結晶區，實驗參數詳見表2。

表2 模擬軋制工藝參數

表3 07MnNiMoDR熱處理工藝制度

實驗用鋼板的厚度分別為12mm以及38mm，其中12mm的鋼板在接受熱軋后不進行冷卻處理，而對于38mm鋼板，在熱軋后即進入控制冷卻工序。熱軋后厚度為12mm的鋼板繼續進行調質熱處理工藝研究，此次熱處理工藝試驗在箱式電阻爐中進行。經試驗測出實驗使用的鋼的相變點Ae3為854℃。

熱處理工藝結束后，則繼續使用淬火工藝，使用參數主要如下：淬火溫度為880℃～940℃，淬火保溫持續10min～30min，回火溫度設置為610℃～670℃之間，回火在爐內的時間則主要根據鋼的厚度來決定，隨著鋼板厚度的增加，在爐時間也會相應增加[3]。

1.3 工業化試制

根據熱處理實驗中得出的實驗鋼的臨界相變溫度854℃，再結合實驗室調質熱處理工藝的相關研究以及試實際現場生產所需，最終對鋼板的淬火溫度范圍進行了確定，即為900℃～920℃，而回火溫度則控制在600℃～650℃之間，主要還是依據試驗鋼板的厚度來確定，同時以此為依據的還有實驗時的保溫時間[4]。實驗中相關參數控制主要見表3。

1.4 取樣檢驗

分別對熱軋狀態下、淬火狀態下以及回火狀態中的鋼板進行取樣，按照相應的拉伸試驗法對實驗樣品的相關力學性能進行測試，同時輔助使用顯微鏡對試樣的組織進行進一步觀察與分析。

2 實驗結果分析

2.1 軋制組織

通過顯微鏡可發現經熱軋后，厚度為12mm的鋼板組織主要為細小的F+P，此鋼板不冷卻；而38mm的鋼板的近表面組織在冷卻后則顯示為貝氏體，可采取熱處理工藝。

2.2 實驗鋼淬火工藝研究

首先將淬火溫度控制在較低的狀態，之后不斷提高此溫度，可發現隨著溫度的提升，實驗鋼的強度也得到了相應的提升，但是當到達920℃時，實驗鋼的強度也達到了頂峰，之后再繼續增加溫度，實驗剛強度卻呈現出了部分下降的態勢。

對此溫度進行保溫后開始進行拉伸試驗，可發現，當溫度持續至10min時可表現出最佳的拉伸效果[5]。

實驗后可發現，在淬火過程中，實驗鋼的近表面組織主要為馬氏體+貝氏體，在溫度衛880℃時，淬火組織中可發現部分共析鐵素體，當溫度升至940℃是，可發現淬火租住的晶體的尺寸變得更大了，也因此導致實驗鋼的強度有所下降。

綜上考慮，根據對實驗鋼強度以及伸展性的要求，淬火溫度應適宜控制在900℃～920℃之間，保溫時間則應在10min～20min之間為宜。

圖1 回火溫度對拉伸性能的影響

表4 工業化試制熱處理實驗數據

2.3 實驗鋼回火工藝研究

對經淬火實驗后的實驗鋼試樣繼續進行回火工藝研究，淬火溫度及時間設置為900℃以及10min，回火工藝中不同溫度對實驗鋼性能的具體影響詳見圖1。

從上圖中可看出，隨著回火溫度的提升，實驗鋼的溫度在逐步下降。綜合分析后可發現，最適宜的回火溫度應當控制在610℃～650℃之間，回火工藝的時間則需要依據實驗樣品的厚度來決定，通常厚度越大，實驗時間也會有所增加。對回火工藝后的實驗鋼組織進行觀察后發現，近表面組織主要為回火索氏體[6，7]。

2.4 工業化試制熱處理工藝研究

綜合前期調研以及實驗室所進行的研究，在得出相應結果的基礎上繼續采取工業化試制。試制時使用的鋼板厚度分別為12mm、38mm以及50mm。對鋼板進行熱處理后，實驗鋼的相關性能詳見表4。

處理過后，分別對實驗鋼板的不同位置使用顯微鏡進行觀察，對于較厚的鋼板如38mm以及50mm的實驗鋼測試的部位則主要在鋼板厚度的中間處[8，9]。

通過觀察后可發展，12mm的鋼板經試制處理后，其組織主要為回火索氏體。而其余兩種較厚的鋼板的組織則都主要為細小的貝氏體，且組織分布均勻，晶粒度在9級～11級之間。

3 結論

綜合以上實驗數據可知，熱軋處理后的實驗鋼，再進行淬火實驗時，溫度以及保溫時間可極大地影響07MnNiMoDR鋼的強度。

在本研究中所使用的溫度以及保溫時間都能確保實驗鋼的強度可滿足生產及使用的需求。

但是綜合來看，處于兩相位區間之間的溫度可使實驗07MnNiMoDR鋼獲得較高的強度，且其綜合性能也較好。因此綜合分析后，可得出淬火溫度應控制在為900℃～920℃之間，保溫時間控制在10min～20min之內。而對于此實驗鋼，進行回火試驗時，需將溫度控制在610℃～650℃之間，且回火后，實驗鋼的進表組織主要為回火索氏體。

而經工業化生產熱處理后的實驗鋼，其淬火溫度同樣應當控制在900℃～920℃，回火溫度則需要依據實驗鋼的實際厚度來決定，通常也需要控制在600℃～650℃之間。試驗后經測試發現，經熱處理工藝后的實驗鋼的相關性能均符合相關的生產要求以及行業標準，可投入生產使用。

在本次研究中，測試時對試樣的強度、拉伸性以及延展性等性能的測試都是按照相關標準取樣自鋼板厚度的中心位置處，而并未將其中心部位與表面之間的性能差別考慮在內。

而由于實驗鋼表面的性能往往都優于中心部位，因此本次研究或存在少許誤差。此外，在本次實驗中只研究了淬火以及回火試驗對于實驗鋼性能的影響，而并未考慮到實驗鋼中的其他合金元素在實驗中發生的變化以及產生的影響，這也給今后的相關試驗提供了較為明確的研究方向，并亟待學者們去進行探討。