調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度壓力容器用07MnNiMoDR鋼板軋鋼工藝探索及低溫韌性研究

王 成，易 勛，梁寶珠，楊 波

（中國寶武鄂城鋼鐵，湖北 鄂州 436000）

隨著壓力容器的發(fā)展參數(shù)不斷增高，輕量化以及大型化已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢，大型壓力容器的安全性、可靠性開始受到人們的重視，對鋼板的強(qiáng)度和韌性需求越來越高。本文以50mm厚度規(guī)格07MnNiMoDR鋼板為試驗(yàn)材料，通過對不同軋鋼工藝對比，研究不同的開軋溫度對鋼板內(nèi)部組織及沖擊韌性的影響，結(jié)果表明采用較低的開軋溫度并輔以合適的除鱗制度，更有利于鋼板得到優(yōu)良的芯部組織及性能。同時采用該工藝生產(chǎn)的鋼板其對應(yīng)厚度t/4、厚度t/2的VTE及VTS溫度皆低于-65℃，NDTT溫度達(dá)到-55℃，綜合性能優(yōu)良，為后期可使用的溫度提升提供了依據(jù)。

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料采用鄂鋼連鑄生產(chǎn)的250mm×2000mm×3500mm板坯，軋制50mm×3000mm×L規(guī)格07MnNiMoDR鋼板。具體成分見表1。

表1 07MnNiMoDR化學(xué)成分（wt%）

1.2 工藝設(shè)計(jì)

軋制過程中采用兩種不同的開軋溫度設(shè)計(jì)，輔以不同的除鱗制度見表2。成品板分別編號為1#、2#，軋后均采用相同的離線淬火+回火熱處理工藝，淬火溫度及時間充分考慮了鋼板奧氏體化及保溫時間[2]。

表2 07MnNiMoDR軋鋼工藝對比

1.3 金相組織

對1#、2#鋼板進(jìn)行金相觀察，見圖1和圖2，可知07MnNiMoDR鋼板的組織主要為回火索氏體+貝氏體，1#、2#樣晶粒度均在8.5級以上，2#晶粒度較1#晶粒度明顯細(xì)化。

圖1 1#鋼板t/2處的金相組織500×

圖2 2# 鋼板t/2處的金相組織500×

1.4 力學(xué)性能

對1#、2#鋼板分別取樣進(jìn)行常規(guī)拉伸、冷彎及板厚t/2，t/4處沖擊性能檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。

根據(jù)上表檢驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，按照上述兩種軋鋼工藝生產(chǎn)的鋼板性能均符合“GB／T 19189-2011”標(biāo)準(zhǔn)要求，但2#鋼板厚度t/2處沖擊功明顯優(yōu)于1#鋼板。

2 試驗(yàn)材料低溫韌性研究

2.1 試驗(yàn)材料

為進(jìn)一步了解2#鋼板綜合性能，對其取樣進(jìn)行系列溫度沖擊、應(yīng)變時效沖擊及NDTT落錘試驗(yàn)。

2.2 系列溫度沖擊試驗(yàn)

對50mm厚鋼板進(jìn)行系列溫度沖擊試驗(yàn)，試樣分別為t/4和t/2部位橫向取樣。試驗(yàn)按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》在ZBC2452沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)低溫介質(zhì)為純酒精加液氮分析制冷，保溫設(shè)備為3102-1低溫儀器。試驗(yàn)時過冷溫度為1℃～2℃。按GB/ t12778-1991《金屬夏比沖擊斷口的測定方法》測定了試樣的晶狀斷口百分比和側(cè)膨量。

2.3 應(yīng)變時效沖擊試驗(yàn)

由于加工過程中使用的鋼板冷成形工藝，冷加工工藝對鋼板的力學(xué)性能有一定的影響，為此進(jìn)行了鋼板冷變形后沖擊性能試驗(yàn)，測試后按照標(biāo)準(zhǔn)GB 4160-2008《鋼應(yīng)變時效敏感性試驗(yàn)方法》，將50mm厚鋼板在厚度在1/4處加工成12mm厚側(cè)板拉伸樣本（樣本尺寸是12mm×30mm×300mm）后室溫拉伸變形、殘余伸長變量應(yīng)該2.5%和5.0%的冷變形，進(jìn)行250℃，1h的人工時效處理后，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》在ZBC2452沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測定常溫和低溫-50℃沖擊功。

2.4 NDTT落錘試驗(yàn)

落錘試驗(yàn)按照GB/T6803-2008《鐵素體鋼的無塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)過程中，樣品過冷度為1℃～2℃，保溫時間為40min。保溫儀表為3102-1低溫儀表。樣品為P2型，打擊能量為400J。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 07MnNiMoDR系列溫度沖擊性能

根據(jù)2#鋼板的系列沖擊試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，繪制出KV2—溫度T曲線見圖3、圖4。

由圖表可以卡出，鋼板厚度t/4及t/2在-50℃時的平均沖擊功均在270J以上，在-60℃時平均沖擊功在260J以上，當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到-80℃時，沖擊功均在90J以內(nèi)，說明沖擊韌性急劇下降。分別按照沖擊吸收功及沖擊試樣的纖維斷面率確定的不同鋼板厚度部位的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度列于表4。表4中VTE為50%上平臺能所對應(yīng)的溫度，VTS為50%晶狀斷面率所對應(yīng)的溫度，VTE不同取樣部位均低于-70℃，VTS不同取樣部位均低于-65℃，說明鋼板在-65℃以上溫度使用時，其安全性能良好。

圖4 t/2橫向取樣的KV2-T曲線

表4 韌脆轉(zhuǎn)變溫度

應(yīng)變時效是鋼材經(jīng)過冷加工塑性變形及焊接內(nèi)應(yīng)力變形使鋼材強(qiáng)度與硬度升高[1，2]而塑性與韌性下降[3，4]的一種物理現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果見表5，由表5可以看出，07MnNiMoDR鋼板在應(yīng)變量為2.5%和5%時，檢驗(yàn)-20℃沖擊功能達(dá)到300J以上，-50℃沖擊功能能達(dá)到260J以上。說明鋼板具有優(yōu)良的應(yīng)變時效性能。

表5 鋼板應(yīng)變時效敏感性試驗(yàn)結(jié)果

3.3 07MnNiMoDR落錘性能

按照試驗(yàn)方法，落錘試樣在鋼板表面堆焊裂紋源，07MnNiMoDR的NDTT落錘試驗(yàn)結(jié)果見表6，由表可以看出鋼板的無塑性轉(zhuǎn)變溫度為-55℃，說明鋼板具有優(yōu)良的低溫韌性。

表6 鋼板落錘試驗(yàn)結(jié)果

4 分析與討論

通常，生產(chǎn)厚板時板厚t/4處較t/2位置更易在軋制過程中受到軋輥的擠壓而變形，從而有更大的變形量，累積更多的變形帶，進(jìn)而得到軋態(tài)的細(xì)晶組織。而本研究通過較低的開軋溫度設(shè)計(jì)，增加粗除鱗次數(shù)形成快速溫降，使軋件在進(jìn)入軋機(jī)時形成外冷內(nèi)熱的“三明治”式溫度梯度分布，通過Ⅰ階段再結(jié)晶型大壓下量控制軋制，鋼板芯部組織充分發(fā)生擠壓及破碎變形，進(jìn)而得到更細(xì)小的晶粒組織[3]。在本文中得到的結(jié)果2#材料t/2處沖擊韌性明顯優(yōu)于1#材料，正是由于低溫開軋工藝設(shè)計(jì)帶來的積極迭代影響鋼板，增加了鋼板芯部變形程度，獲得了原始細(xì)小的晶粒組織，經(jīng)過熱處理后，對應(yīng)芯部的細(xì)晶組織在加熱過程中也遺傳下來，為鋼板厚度方向沖擊韌性的均勻性奠定了基礎(chǔ)，最終使得2#材料在板厚t/2處同樣具有優(yōu)異的沖擊韌性。

5 結(jié)論

（1）試驗(yàn)的07MnNiMoDR鋼金相組織類型為回火索氏體+貝氏體，適當(dāng)?shù)暮辖鹪靥砑?、?yán)格的殘余元素控制及合理的軋制、熱處理工藝，并獲得良好的金相組織類型，是試驗(yàn)鋼板具有良好低溫韌性的基礎(chǔ)。

（2）采用較低的開軋溫度并輔以合適的除鱗制度，更有利于鋼板得到優(yōu)良的芯部組織，獲得良好的芯部低溫沖擊韌性。

（3）采用上述工藝生產(chǎn)的07MnNiMoDR材料同時具有良好的低溫韌性、應(yīng)變時效性能及較低的無塑性轉(zhuǎn)變溫度NDTT，其VTE和VTS溫度均低于-65℃，且鋼板t/4和t/2厚度的韌脆轉(zhuǎn)變溫度相差不大。