熱處理工藝對(duì)壓力容器鋼板組織和性能的影響

高大偉

（舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司，河南 舞鋼 462500）

07系列壓力容器鋼近年來被廣泛應(yīng)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(diào)制高強(qiáng)度鋼，主要用于盛裝氧氣、氮?dú)?、丙烯以及乙烯物品。隨著我國工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國多數(shù)冶金企業(yè)都已先后在此類型鋼板的制造上成功有所突破，結(jié)束了我國長期需要向日本進(jìn)口此類型鋼材的局面[1]。由于調(diào)制高強(qiáng)度鋼在進(jìn)行交貨時(shí)往往都處于調(diào)質(zhì)狀態(tài)，并且這時(shí)的鋼板的諸多性能如強(qiáng)度、韌性以及塑性等都較為良好。實(shí)踐證明，調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼具備更加廣闊的應(yīng)用前景[2]。

本研究就是在此基礎(chǔ)上以07系列鋼為例，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室熱軋后鋼板以及工業(yè)化生產(chǎn)鋼板的調(diào)質(zhì)熱處理工藝進(jìn)行研究，最終分析得出最適宜的熱處理工藝參數(shù)，為我國熱處理鋼板的生產(chǎn)提供了初步理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所使用的材料主要為連鑄胚，其化學(xué)組成主要如下表1。

表1 07MnNiMoDR實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

1.2 軋制和熱處理實(shí)驗(yàn)

熱軋實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備主要為Ф550mm×750mm軋機(jī)，并主要對(duì)其中兩個(gè)階段的軋制工藝進(jìn)行控制，即奧氏體再結(jié)晶及未再結(jié)晶區(qū)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)詳見表2。

表2 模擬軋制工藝參數(shù)

表3 07MnNiMoDR熱處理工藝制度

實(shí)驗(yàn)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(jìn)行冷卻處理，而對(duì)于38mm鋼板，在熱軋后即進(jìn)入控制冷卻工序。熱軋后厚度為12mm的鋼板繼續(xù)進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理工藝研究，此次熱處理工藝試驗(yàn)在箱式電阻爐中進(jìn)行。經(jīng)試驗(yàn)測出實(shí)驗(yàn)使用的鋼的相變點(diǎn)Ae3為854℃。

熱處理工藝結(jié)束后，則繼續(xù)使用淬火工藝，使用參數(shù)主要如下：淬火溫度為880℃～940℃，淬火保溫持續(xù)10min～30min，回火溫度設(shè)置為610℃～670℃之間，回火在爐內(nèi)的時(shí)間則主要根據(jù)鋼的厚度來決定，隨著鋼板厚度的增加，在爐時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加[3]。

1.3 工業(yè)化試制

根據(jù)熱處理實(shí)驗(yàn)中得出的實(shí)驗(yàn)鋼的臨界相變溫度854℃，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)室調(diào)質(zhì)熱處理工藝的相關(guān)研究以及試實(shí)際現(xiàn)場生產(chǎn)所需，最終對(duì)鋼板的淬火溫度范圍進(jìn)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(jù)試驗(yàn)鋼板的厚度來確定，同時(shí)以此為依據(jù)的還有實(shí)驗(yàn)時(shí)的保溫時(shí)間[4]。實(shí)驗(yàn)中相關(guān)參數(shù)控制主要見表3。

1.4 取樣檢驗(yàn)

分別對(duì)熱軋狀態(tài)下、淬火狀態(tài)下以及回火狀態(tài)中的鋼板進(jìn)行取樣，按照相應(yīng)的拉伸試驗(yàn)法對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的相關(guān)力學(xué)性能進(jìn)行測試，同時(shí)輔助使用顯微鏡對(duì)試樣的組織進(jìn)行進(jìn)一步觀察與分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 軋制組織

通過顯微鏡可發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱軋后，厚度為12mm的鋼板組織主要為細(xì)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(shí)驗(yàn)鋼淬火工藝研究

首先將淬火溫度控制在較低的狀態(tài)，之后不斷提高此溫度，可發(fā)現(xiàn)隨著溫度的提升，實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度也得到了相應(yīng)的提升，但是當(dāng)?shù)竭_(dá)920℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度也達(dá)到了頂峰，之后再繼續(xù)增加溫度，實(shí)驗(yàn)剛強(qiáng)度卻呈現(xiàn)出了部分下降的態(tài)勢。

對(duì)此溫度進(jìn)行保溫后開始進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度持續(xù)至10min時(shí)可表現(xiàn)出最佳的拉伸效果[5]。

實(shí)驗(yàn)后可發(fā)現(xiàn)，在淬火過程中，實(shí)驗(yàn)鋼的近表面組織主要為馬氏體+貝氏體，在溫度衛(wèi)880℃時(shí)，淬火組織中可發(fā)現(xiàn)部分共析鐵素體，當(dāng)溫度升至940℃是，可發(fā)現(xiàn)淬火租住的晶體的尺寸變得更大了，也因此導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度有所下降。

綜上考慮，根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)度以及伸展性的要求，淬火溫度應(yīng)適宜控制在900℃～920℃之間，保溫時(shí)間則應(yīng)在10min～20min之間為宜。

圖1 回火溫度對(duì)拉伸性能的影響

表4 工業(yè)化試制熱處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 實(shí)驗(yàn)鋼回火工藝研究

對(duì)經(jīng)淬火實(shí)驗(yàn)后的實(shí)驗(yàn)鋼試樣繼續(xù)進(jìn)行回火工藝研究，淬火溫度及時(shí)間設(shè)置為900℃以及10min，回火工藝中不同溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)鋼的溫度在逐步下降。綜合分析后可發(fā)現(xiàn)，最適宜的回火溫度應(yīng)當(dāng)控制在610℃～650℃之間，回火工藝的時(shí)間則需要依據(jù)實(shí)驗(yàn)樣品的厚度來決定，通常厚度越大，實(shí)驗(yàn)時(shí)間也會(huì)有所增加。對(duì)回火工藝后的實(shí)驗(yàn)鋼組織進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，近表面組織主要為回火索氏體[6，7]。

2.4 工業(yè)化試制熱處理工藝研究

綜合前期調(diào)研以及實(shí)驗(yàn)室所進(jìn)行的研究，在得出相應(yīng)結(jié)果的基礎(chǔ)上繼續(xù)采取工業(yè)化試制。試制時(shí)使用的鋼板厚度分別為12mm、38mm以及50mm。對(duì)鋼板進(jìn)行熱處理后，實(shí)驗(yàn)鋼的相關(guān)性能詳見表4。

處理過后，分別對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼板的不同位置使用顯微鏡進(jìn)行觀察，對(duì)于較厚的鋼板如38mm以及50mm的實(shí)驗(yàn)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(fā)展，12mm的鋼板經(jīng)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(xì)小的貝氏體，且組織分布均勻，晶粒度在9級(jí)～11級(jí)之間。

3 結(jié)論

綜合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，熱軋?zhí)幚砗蟮膶?shí)驗(yàn)鋼，再進(jìn)行淬火實(shí)驗(yàn)時(shí)，溫度以及保溫時(shí)間可極大地影響07MnNiMoDR鋼的強(qiáng)度。

在本研究中所使用的溫度以及保溫時(shí)間都能確保實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度可滿足生產(chǎn)及使用的需求。

但是綜合來看，處于兩相位區(qū)間之間的溫度可使實(shí)驗(yàn)07MnNiMoDR鋼獲得較高的強(qiáng)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(yīng)控制在為900℃～920℃之間，保溫時(shí)間控制在10min～20min之內(nèi)。而對(duì)于此實(shí)驗(yàn)鋼，進(jìn)行回火試驗(yàn)時(shí)，需將溫度控制在610℃～650℃之間，且回火后，實(shí)驗(yàn)鋼的進(jìn)表組織主要為回火索氏體。

而經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)熱處理后的實(shí)驗(yàn)鋼，其淬火溫度同樣應(yīng)當(dāng)控制在900℃～920℃，回火溫度則需要依據(jù)實(shí)驗(yàn)鋼的實(shí)際厚度來決定，通常也需要控制在600℃～650℃之間。試驗(yàn)后經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)熱處理工藝后的實(shí)驗(yàn)鋼的相關(guān)性能均符合相關(guān)的生產(chǎn)要求以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可投入生產(chǎn)使用。

在本次研究中，測試時(shí)對(duì)試樣的強(qiáng)度、拉伸性以及延展性等性能的測試都是按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)。

而由于實(shí)驗(yàn)鋼表面的性能往往都優(yōu)于中心部位，因此本次研究或存在少許誤差。此外，在本次實(shí)驗(yàn)中只研究了淬火以及回火試驗(yàn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)鋼性能的影響，而并未考慮到實(shí)驗(yàn)鋼中的其他合金元素在實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的變化以及產(chǎn)生的影響，這也給今后的相關(guān)試驗(yàn)提供了較為明確的研究方向，并亟待學(xué)者們?nèi)ミM(jìn)行探討。