封頭熱成型及熱處理對(duì)SA537CL.1鋼板組織與性能影響

劉勝赫，董富軍

（新余鋼鐵集團(tuán)有限公司，江西 新余 338001）

1 前言

封頭是化工、石油、原子能以及食品等行業(yè)鋼制壓力容器設(shè)備中不可缺少的重要部件，其品質(zhì)直接關(guān)系到壓力容器能否長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。制作封頭的鋼板的原始組織和性能、成型工藝及成型后熱處理工藝都影響其性能［1-2］。按封頭成型的控制溫度，一般分為冷成型和熱成型［3］。由于封頭尺寸大、板厚，變形抗力很大，不易變形，同時(shí)為保證封頭環(huán)縫的對(duì)接尺寸，一般采用熱成型。封頭熱成型時(shí)，一般將封頭板料加熱至930～960 ℃，比正火溫度高，在保證便于封頭的壓制和成型的情況下，應(yīng)盡量降低加熱溫度，以避免晶粒粗大，惡化力學(xué)性能。為模擬材料經(jīng)歷變形、受熱等影響，導(dǎo)致材料的組織和性能的變化，特進(jìn)行50 mmSA537CL.1 正火板經(jīng)過(guò)模擬封頭成型、模擬正火、模擬焊后工藝下的組織與性能研究，為鍋爐和壓力容器制造廠更合理地選材和制定相關(guān)工藝制度提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料及方法

使用250 mm 厚板坯軋制50 mm 鋼板，鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。板坯經(jīng)過(guò)步進(jìn)爐式加熱爐加熱，均熱段溫度1 230～1 260 ℃，在爐時(shí)間300 min，粗軋開(kāi)軋溫度＞1 030 ℃，輥速＜2 m/s，壓下率＞10%；精軋開(kāi)軋溫度＜860 ℃，累計(jì)變形率50%，終軋溫度810～830 ℃；軋后空冷。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)鋼Ac3為844 ℃，Ae1為693 ℃。軋后鋼板經(jīng)過(guò)堆冷24 h，隨后在熱處理爐進(jìn)行正火處理，保溫910 ℃，在爐時(shí)間110 min。從正火板上取橫向試樣到實(shí)驗(yàn)室GY10-19非標(biāo)箱式爐中進(jìn)行模擬封頭成型+恢復(fù)熱處理+模擬焊后熱處理。（1）模擬封頭熱成型工藝：600 ℃以上加熱速度≤300 ℃/h，保溫溫度940 ℃，保溫時(shí)間75 min，出爐空冷。（2）恢復(fù)熱處理工藝：600 ℃以上加熱速度≤300 ℃/h，保溫溫度910 ℃，保溫時(shí)間75 min，出爐空冷。（3）最小模擬焊后熱處理工藝：（620±5）℃保溫120 min，300 ℃以上升溫速度≤90 ℃/h，300 ℃以上降溫速度≤100 ℃/h。（4）最大模擬焊后熱處理工藝：（620±5）℃保溫480 min，300 ℃以上升溫速度≤90 ℃/h，300 ℃以上降溫速度≤100 ℃/h。工藝過(guò)程如圖1所示。

圖1 封頭熱成型及熱處理工藝

按GB/T 228.1、GB/T 229 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行常溫拉伸和沖擊試驗(yàn)。從不同狀態(tài)下試板厚度1/4 處上取樣，制成金相試樣，金相試樣經(jīng)機(jī)械研磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液腐蝕，在NEOPHOT-32 金相顯微鏡和掃描電鏡下對(duì)試樣進(jìn)行顯微組織分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 鋼板力學(xué)性能

正火板經(jīng)過(guò)上述不同熱處理工藝，強(qiáng)韌性如表2 所示。正火鋼板經(jīng)過(guò)940 ℃模擬封頭成型熱處理，屈服強(qiáng)度下降21 MPa，抗拉強(qiáng)度下降22 MPa，沖擊韌性和伸長(zhǎng)率變化不大。再經(jīng)過(guò)910 ℃恢復(fù)性能熱處理，強(qiáng)韌性變化不大。模擬封頭成型工藝下的鋼板，經(jīng)過(guò)620 ℃模擬焊后熱處理，屈服強(qiáng)度下降11 MPa，抗拉強(qiáng)度下降17 MPa，伸長(zhǎng)率略微提高，沖擊韌性下降25%左右；隨著模擬焊后保溫時(shí)間由2 h延長(zhǎng)到8 h，抗拉強(qiáng)度下降6 MPa，-20 ℃橫向沖擊均值降低14 J，下降幅度9.7%。

表2 不同熱處理工藝下鋼板的力學(xué)性能

3.2 不同模擬成型工藝下鋼板組織

圖2 中的組織為鐵素體+珠光體，晶粒度9 級(jí)。圖2a 的組織鐵為素體，晶粒尺寸14.09 μm，含66.89%，圖2b 的組織鐵素體晶粒尺寸13.86 μm，含63.25%。圖2b 與a 相比，晶粒尺寸細(xì)，珠光體分布更均勻。從圖2c 與d 可以看出，模擬焊后熱處理，細(xì)化珠光體組織達(dá)到細(xì)化、均勻分布。

從圖3 可以看出，鋼板經(jīng)過(guò)模擬焊后，晶界明顯弱化，大部分片層狀珠光體組織消失，滲碳體由片層狀變?yōu)榍蛐巍?/p>

圖3 不同熱處理工藝下鋼板的掃描電鏡照片

4 分析與討論

在加工厚規(guī)格大型封頭時(shí)，由于變形抗力大，會(huì)選擇熱成型工藝。封頭成型溫度十分關(guān)鍵，如果溫度過(guò)高，奧氏體晶粒粗化，在較快冷卻速度下，轉(zhuǎn)變成魏氏組織；同時(shí)，碳化物沿鐵素體晶界析出，且在高溫回火過(guò)程中碳化物再次長(zhǎng)大，惡化產(chǎn)品力學(xué)性能［4-6］，如果溫度過(guò)低，封頭成型變形抗力增加，且成型后殘余應(yīng)力大，使母材及焊縫金屬的力學(xué)性能下降，直接影響壓力容器的長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。在生產(chǎn)封頭板SA537CL.1 時(shí)，需要適當(dāng)添加Nb、V。在封頭成型過(guò)程中，Nb、V（C，N）析出，釘扎奧氏體晶界，起到減緩?qiáng)W氏體晶粒長(zhǎng)大的作用［7］。同時(shí)在封頭成型產(chǎn)品隨后的模擬焊后熱處理過(guò)程中，大部分片層狀珠光體組織消失，滲碳體由片層狀變?yōu)榍蛐危羌?xì)小V（C，N）析出，致部分鐵素體晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度仍較高，使其強(qiáng)度、硬度和沖擊韌度都有一定的提高［8-10］。鋼板經(jīng)過(guò)成型及模擬焊后熱處理后，產(chǎn)品的強(qiáng)度滿(mǎn)足SA537CL.1 標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)具有-20 ℃良好的韌性。

5 結(jié)論

5.1 試驗(yàn)鋼經(jīng)過(guò)940 ℃模擬封頭成型熱處理，強(qiáng)度下降20 MPa左右，沖擊韌性和伸長(zhǎng)率變化不大；再經(jīng)過(guò)910 ℃恢復(fù)性能熱處理，強(qiáng)韌性變化不大。經(jīng)過(guò)620 ℃模擬焊后熱處理，強(qiáng)度下降10 MPa 左右，伸長(zhǎng)率略微提高，沖擊韌性下降25%左右。

5.2 試驗(yàn)鋼組織為鐵素體+珠光體，晶粒度9 級(jí)；鋼板經(jīng)過(guò)模擬焊后，部分片層狀珠光體組織消失，滲碳體由片層狀變?yōu)榍蛐巍?/p>

5.3 試驗(yàn)鋼按上述封頭熱成型及熱處理后，鋼板力學(xué)性能優(yōu)良，滿(mǎn)足SA537CL.1 標(biāo)準(zhǔn)要求，可以用于制造熱成型封頭產(chǎn)品。