提高厚壁容器15CrMo(H)鍛鋼力學(xué)性能的研究

杜軍毅 段紅玲

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013)

提高厚壁容器15CrMo(H)鍛鋼力學(xué)性能的研究

杜軍毅 段紅玲

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013)

對15CrMo(H)鋼臨界點、CCT轉(zhuǎn)變曲線、熱處理制度、截面與力學(xué)性能進行了系統(tǒng)性研究。試驗表明，15CrMo(H)鋼合適的淬火溫度為910～940℃，強度、韌性、顯微組織與冷卻速度有很強的對應(yīng)關(guān)系。

15CrMo(H)鋼；熱處理工藝；力學(xué)性能

近年來，隨著石化行業(yè)的發(fā)展，所用的進口原油比例越來越大，致使高硫原油數(shù)量越來越多。同時，為了提高原油的利用率和成品油的品質(zhì)，加工工藝和操作條件日趨復(fù)雜?；趯毫θ萜鳉渲铝鸭y認識的提高和防止H2S破壞，國內(nèi)臨氫壓力容器已開始采用高溫性能和高溫持久強度良好的15CrMo(H)取代15CrMoR鋼[1～3]。同時，對材料提出了更高的滿足臨氫設(shè)備條件的技術(shù)要求，并且使用厚度越來越厚。

目前國內(nèi)15CrMo(H)臨氫壓力容器主要由厚度≤100 mm的鋼板制造。當15CrMo(H)鋼壁厚進一步增大后，材料的淬透性將大大受到影響。資料顯示，當鐵素體含量大于30%，就會影響材料的力學(xué)性能[4]，尤其是影響最重要的性能指標——強度和低溫沖擊韌性。對于NB/T47008—2010中常規(guī)要求的15CrMo鍛鋼，通過調(diào)整淬火溫度和回火溫度，可以有效地提高低溫沖擊韌性。然而，對于高等級加氫反應(yīng)器，為確保15CrMo(H)使用期間的高溫性能、抗回火脆化和高溫持久強度，不僅要在化學(xué)成分(P、S、Cu)、冶煉方式等方面做出限制，而且取樣部位、焊后熱處理制度也要按加氫反應(yīng)器要求，即T×T/2橫向取樣，試樣經(jīng)675±14℃×18 h熱處理后的-10℃沖擊韌性平均值要求大于34 J，這就大大高于NB/T47008—2010的要求和現(xiàn)有鍛件制造指標，使得15CrMo(H)鋼鍛件的制造難度增大。

為適應(yīng)國內(nèi)用戶的需求，中國二重2011年開始了200 mm以上殼體的15CrMo(H)鍛鋼研發(fā)，研制的鍛件厚度達到230 mm。15CrMo(H)鋼用于制造加氫精制反應(yīng)器，其中最有代表性的容器尺寸達?1 800 mm(內(nèi)徑)×δ180 mm，單重165 t。本文針對15CrMo(H)鋼新的技術(shù)要求，僅從臨界點、CCT轉(zhuǎn)變曲線、熱處理制度、截面與力學(xué)性能等方面對15CrMo(H)鋼的特性進行了初步的研究和探討，并得到了提高230 mm厚壁加氫反應(yīng)器鍛件用15CrMo(H)鋼鍛件力學(xué)性能的研究結(jié)果。

1 技術(shù)要求

1.1 化學(xué)成分

鍛件的化學(xué)成分見表1。

1.2 回火脆性敏感系數(shù)

主體材料的回火脆性敏感系數(shù)應(yīng)符合式(1)、(2)的規(guī)定：

J系數(shù)的公式為：

J=(Si+Mn)×(P+Sn)×104≤180

(1)

X系數(shù)的公式為：

表1 主體材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositon of main body′s material (mass fraction, %)

注：(1)分析結(jié)果只作記錄，不作驗收條件；(2)熔煉分析和成品分析中[H]都≤2×10-6，該結(jié)果只作記錄，不作驗收條件。

表2 主體材料的力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of main body′s material

注：一組試樣包括1個常溫拉伸試樣、3個-10℃夏比沖擊試樣。

表3 15CrMoR(H)化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 3 Chemical compositon of 15CrMoR(H) steel (mass fraction, %)

圖1 15CrMo (H)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線Figure1 Continuous transforming curve of 15CrMoR(H) steel

X=(10P+5Sb+4Sn+As)/100≤15

(2)

其中，J系數(shù)的公式中元素的單位為%，X系數(shù)的公式中元素的單位為10-6。

1.3 力學(xué)性能

經(jīng)675±14℃最大和最小模擬熱處理后，主體材料兩端相對180°的力學(xué)性能應(yīng)符合表2的規(guī)定。

1.4 晶粒度和夾雜

鍛件晶粒度不粗于 5 級。鍛件應(yīng)按照GB10561中規(guī)定的B法進行非金屬夾雜物評定，硫化物類(A類)、氧化鋁類(B類)、硅酸鹽類(C類)及球狀氧化物類(D類)、單顆粒球狀類(Ds類)均不得大于 1.5 級，且應(yīng)滿足 A+C≤2.0，B+D≤2.0，A+B+C+D+Ds≤4.5級。

2 試驗研究

2.1 連續(xù)冷卻曲線測量報告

相變點、連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線測試分別依據(jù)YB/T5127—1993，YB/T5128—1993，設(shè)備采用LINSEIS L78熱膨脹相變儀。試驗用試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果見表3。鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線測量結(jié)果如圖1所示。不同冷卻速度下鋼的金相組織如圖2所示。

從圖1及圖2可以看出，15CrMo (H)鋼加熱時，奧氏體轉(zhuǎn)變起始溫度Ac1為770℃，奧氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Ac3為890℃。

15CrMo(H)鋼合金元素含量較低，屬0.5Mo型鐵素體鋼，與ASME SA336CL21的1.25Cr0.5MoSi鋼種近似，但主加元素Cr、Mo、Mn等含量較低，其淬透性較差。

從金相顯微組織觀察，鋼經(jīng)930℃完全奧氏體化以后，隨著冷卻速度的提高，鋼的顯微組織發(fā)生較明顯的相變。當冷卻速度在0.05℃/s(3℃/min)以下時，鋼是以F為基的F+P兩相共存組織形式。冷卻速度提高至0.1℃/s(6℃/min)時，鋼出現(xiàn)少量貝氏體組織，但仍是以F為基的F+P+B組織形式。冷卻速度從0.1℃/s(6℃/min)提高至0.5℃/s(30℃/min)時，原產(chǎn)生P相變的部位形成B相變，同時鋼中的B組織數(shù)量增加，F(xiàn)數(shù)量減少。當冷卻速度達到1℃/s(60℃/min)時，形成以B為主的B+F+P組織形式，硬度達到230 HV。當冷卻速度達到5℃/s(60℃/min)時，鐵素體和珠光體幾乎消失，鋼種達到臨界冷卻速率。當冷卻速度在10℃/s及以上時，僅產(chǎn)生均勻的貝氏體轉(zhuǎn)變。

這表明：15CrMo(H)鋼強度、韌性、顯微組織與冷卻速度有很強的對應(yīng)關(guān)系。隨著冷卻速度提高，材料的顯微組織產(chǎn)生明顯變化，鐵素體含量減少，貝氏體數(shù)量增加，材料的強度、韌性會明顯增高。應(yīng)當指出：冷卻速度從0.5℃/s提高至1℃/s時，B的數(shù)量將產(chǎn)生一個階段性變化，材料的力學(xué)性能將會有較大提高。有效的控制材料的冷卻速度，獲得更多份數(shù)的貝氏體組織，對穩(wěn)定材料的力學(xué)性能、減少低溫韌性的波動起著至關(guān)重要的作用。只有冷卻速度大于60℃/min時，才能形成均勻的貝氏體組織。

圖2 不同冷速冷卻后鋼的金相組織照片F(xiàn)igure 2 Metallographic structue photos of the steel at varied cooling rate

2.2 熱處理工藝參數(shù)試驗

試料是取自筒體毛坯水口端的30 mm×30 mm的整環(huán)，加工成?22 mm×130 mm和13 mm×13 mm×60 mm的試樣，在MRII-20型模擬熱處理爐中進行模擬試驗。不同奧氏體化溫度下的保溫時間為3 h，之后在800～300℃以25℃/min速度冷卻。不同回火溫度下的保溫時間為8 h，之后空冷，然后將試樣進行拉伸、-10℃沖擊試驗。不同奧氏體化溫度、不同回火溫度試驗結(jié)果如圖3～圖6所示。組織形貌見圖7、圖8及表4。

由于15CrMo (H)鋼奧氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Ac3為890℃，從顯微組織看，880℃奧氏體淬火時存在部分原鐵素體組織，而910～970℃淬火時未有該組織形態(tài)。從晶粒度看，880～970℃奧氏體淬火時，晶粒度變化不大，證明該區(qū)域晶粒度長大趨勢不明顯。

從圖1～圖8與表4可以看出，15CrMo(H)鋼在880～970℃奧氏體淬火溫度范圍內(nèi)，880～940℃階段隨著淬火溫度的提高，強度有明顯提高。當奧氏體化溫度達到910℃，材料的抗拉強度上升達到一個平衡狀態(tài)，而屈服強度則由370 MPa上升至450 MPa。當奧氏體化溫度達到940℃以后，屈服強度與抗拉強度基本保持不變。因此，從金相、強度值分析，15CrMo(H)鋼淬火溫度應(yīng)當在910～940℃。

圖3 淬火溫度為880℃時強度、韌性與回火溫度的關(guān)系Figure 3 Relation between the strength, toughness and tempering temperature with the quenching temperature of 880℃

圖4 淬火溫度為910℃時強度、韌性與回火溫度的關(guān)系Figure 4 Relation between the strength, toughness and tempering temperature with the quenching temperature of 910℃

圖5 淬火溫度為940℃時強度、韌性與回火溫度的關(guān)系Figure 5 Relation between the strength, toughness and tempering temperature with the quenching temperature of 940℃

圖6 淬火溫度為970℃時強度、韌性與回火溫度的關(guān)系Figure 6 Relation between the strength, toughness and tempering temperature with the quenching temperature of 970℃

圖7 淬火溫度為910℃時不同回火溫度下的顯微組織照片F(xiàn)igure 7 Microstructure photos at varied tempering temperature with the quenching temperature of 910℃

表4 不同淬火溫度、回火溫度下的金相組織Table 4 Metallographic structure at varied quenching &tempering temperatures

同時，15CrMo(H)鋼的強度隨著回火溫度的提高而降低。鋼的淬火溫度越高，相同的回火溫度下，強度也越高。當采用940℃奧氏體化溫度，回火溫度為740℃時，鋼的強度也可以滿足采購規(guī)范要求。

(2)游客對于民宿特色體驗的需求增加。隨著互聯(lián)網(wǎng)與旅游結(jié)合的不斷深化，青年游客占出行人數(shù)的比例越來越大，而他們對于多樣化、個性化的旅游需求也在不斷提高，非標民宿的出現(xiàn)在一定程度上適應(yīng)了游客需求。比起傳統(tǒng)酒店而言，民宿有更加突出的性價比，家庭式的入住體驗使游客更能感受到當?shù)貍鹘y(tǒng)居民文化，這些也使得游客對家庭民宿的興趣越來越濃厚，而非標民宿能夠與當?shù)匚幕蝗?，形成它自己不同的風(fēng)格特色。

從韌性試驗結(jié)果看，15CrMo(H)鋼在880～970℃奧氏體淬火溫度范圍內(nèi)，隨著淬火溫度的提高，鋼的沖擊韌性呈拋物線變化，且隨著回火溫度的提高，鋼的沖擊韌性下降很快。在910～970℃奧氏體淬火和690℃回火后，-10℃Akv平均值仍然保持在120 J以上。當回火溫度達到710℃以后，Akv值下降至20 J～40 J左右。說明隨著回火溫度的提高，由淬火獲得的貝氏體組織形貌發(fā)生分解，碳化物析出并長大，碳化物呈粒狀彌散分布。也說明15CrMo(H)鋼在700℃以后回火穩(wěn)定性下降較多，過高的回火溫度或焊后熱處理指標將使材料的韌性惡化。因此，15CrMo(H)鋼最佳的回火溫度為660～690℃，該回火參數(shù)如果按Larson-Miller 參數(shù)式P=T(20+lgt)×10-3進行估算，其P值為19.5～20.13。調(diào)質(zhì)回火參數(shù)的選擇必須將調(diào)質(zhì)回火參數(shù)與焊后熱處理指標二者結(jié)合后綜合考慮。

綜上所述，回火參數(shù)也會對15CrMo(H)鋼綜合性能產(chǎn)生很大的影響。實際產(chǎn)品再經(jīng)675±14℃×18 h 的PWHT后，強度與韌性將會產(chǎn)生明顯變化。

3 討論

分析不同奧氏體化溫度、不同回火保溫溫度下的金相、強韌性試驗結(jié)果可知，15CrMo(H)鋼淬火溫度應(yīng)當在910～940℃。回火參數(shù)會對15CrMo(H)鋼綜合性能產(chǎn)生很大的影響，合理的回火參數(shù)P值應(yīng)為19.5～20.13。

15CrMo(H)鋼強度、韌性、顯微組織與冷卻速度有很強的對應(yīng)關(guān)系。當材料的淬、回火參數(shù)一定時，為進一步提高厚壁容器15CrMo(H)鍛鋼力學(xué)性能，嚴格控制熱處理的淬火冷卻速率、鍛件的化學(xué)成分和提高鋼的淬透性是必要的。隨著冷卻速度的提高，材料的顯微組織產(chǎn)生明顯變化，鐵素體含量減少，貝氏體數(shù)量增加，材料的強度、韌性會產(chǎn)生明顯提高。冷卻速度從0.5℃/s提高至1℃/s時，B的數(shù)量將產(chǎn)生一個階段性變化，材料的力學(xué)性能將會有較大提高。有效的控制材料的冷卻速度，獲得更多份數(shù)的貝氏體組織，將對穩(wěn)定材料的力學(xué)性能、減少低溫韌性的波動起著至關(guān)重要的作用。

要滿足如此高低溫韌性要求，必須提高熱處理淬火冷卻速度，但壁厚240 mm、T×T/2取樣、熱處理方式在一定程度上制約了冷卻速度。資料表明，當鍛件壁厚達到180 mm～300 mm時，鍛件淬透性受到限制。同時厚壁鍛件的高蓄熱量將影響鍛件與冷卻介質(zhì)間的熱交換，降低冷卻速率[5]，這勢必使鋼產(chǎn)生不良的組織結(jié)構(gòu)，造成鍛件的強度、韌性下降。因此必須加大工件的淬火冷卻循環(huán)。

為了彌補淬火冷卻速度受到的限制，一方面，需要根據(jù)15CrMo(H)鋼原始組織狀態(tài)，優(yōu)化熱處理工藝，改善和細化鋼的組織；另一方面，需要對化學(xué)成分進行控制。為此，提出以下冶煉與化學(xué)成分控制原則：

(1)C含量取標準的中限進行控制，主要目的是在確保常溫性能的同時兼顧其中溫性能。降低C含量，對15CrMo鋼的韌性、塑性及焊接性能均有好處，可以降低鋼在高溫長期使用條件下的石墨化傾向。試驗證明，對于0.5Mo鋼種，C含量從0.15%增加到0.30%時，韌性會下降。另一方面，當鋼中C、N、O含量增加時，鋼在高溫下抗氧化能力將減弱。C在高溫下形成貧Cr的碳化物，造成鐵素體晶間氧化[6]。

(2)降低C含量后，其強度損失可通過提高鋼中Cr、Mo、Mn含量進行補償，這些元素含量取標準的中上限。15CrMo(H)鋼是利用Cr-Mo復(fù)合熱強化的。由于Cr對不同類型的碳化物組成及分布的復(fù)雜影響，使Cr-Mo含量維持在彼此相互作用的最佳值時，才能收到最佳的強化效果。通過試驗發(fā)現(xiàn)，1Cr-0.5Mo配比時，強化效果最佳[6]。

(3)為保證低溫韌性指標要求，鋼水必須采用鋼包精煉及雙真空冶煉、鋁脫氧技術(shù)、氬氣保護澆注，同時選用優(yōu)質(zhì)廢鋼，要求P、S、As、Sn、Sb含量達到加氫標準要求。

(4)采用純凈鋼冶煉技術(shù)。

4 研制成果及推廣應(yīng)用

通過一系列的科研試驗與實際的生產(chǎn)應(yīng)用，找到了15CrMo(H)鍛件較為合理的熱處理工藝，即900～940℃奧氏體化水淬+630～690℃回火。為了確保工藝的可行性，先分兩個熱處理爐進行試制，2011年～2012年在工藝成熟后推廣應(yīng)用到40多件筒節(jié)鍛件的制造上。

5 結(jié)論

(1)試驗表明，15CrMo(H)鋼合適的淬火溫度為910～940℃?；鼗饏?shù)會對15CrMoR(H)鋼綜合性能產(chǎn)生很大的影響，合理的回火參數(shù)P值應(yīng)為19.5～20.13。

(2)15CrMo(H)鋼強度、韌性、顯微組織與冷卻速度有很強的對應(yīng)關(guān)系。隨著冷卻速度提高，材料的顯微組織產(chǎn)生明顯變化，鐵素體含量減少，貝氏體數(shù)量增加，材料的強度、韌性會產(chǎn)生明顯增高。冷卻速度從0.5℃/s提高至1℃/s時，貝氏體的數(shù)量將產(chǎn)生一個階段性變化，材料的力學(xué)性能將會有較大提高。有效的控制材料的冷卻速度，獲得更多份數(shù)的貝氏體組織，將對穩(wěn)定材料的力學(xué)性能、減少低溫韌性的波動起著至關(guān)重要的作用。

(3)為保證臨氫設(shè)備低溫韌性指標要求，必須提高熱處理淬火冷卻速度。同時，需要對化學(xué)成分進行控制，C含量取標準的中限進行控制，Cr、Mo、Mn含量取標準的中上限。

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編輯 杜青泉

115CrMo(H) Forged Steel for Heavy Wall Vessel

DuJunyi,DuanHongling

Systematicality research has been conducted on the critical point, CCT transforming curve, heat treatment system, cross section and mechanical property of the 15CrMo (H) steel. The test shows that the appropriate quenching temperature is 910～940℃, and there is a very strong corresponding relation between the strength, toughness, microstructure and cooling speed.

15CrMo(H) steel； heat treatment；mechanical property

2013—09—18

杜軍毅(1965—)，男，教授級高工，主要從事大型核電、重型壓力容器大鍛件的研發(fā)和制造工作。

TG1113.25

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