13MnNi MoR鋼熱沖壓封頭沖擊韌度顯著降低原因分析

王 碩,程 義,申 雷

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司材料研究所,哈爾濱150046; 2.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室,哈爾濱150046)

13MnNi MoR鋼熱沖壓封頭沖擊韌度顯著降低原因分析

王 碩1,2,程 義1,2,申 雷1,2

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司材料研究所,哈爾濱150046; 2.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室,哈爾濱150046)

13Mn Ni MoR鋼板熱沖壓成型封頭的沖擊性能存在不合格現象。采用化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗及模擬熱處理等方法,對13MnNiMoR鋼封頭沖擊韌度顯著降低的原因進行了分析。結果表明:對于較厚的封頭,正火處理后的冷卻速率嚴重不足,致使碳化物沿鐵素體晶界析出,且在高溫回火過程中碳化物再次長大;在沖擊過程中,封頭在外力作用下容易在碳化物析出位置發生斷裂,導致封頭的沖擊韌度顯著降低至不合格。

13MnNiMoR鋼;熱沖壓封頭;沖擊韌度;碳化物;模擬熱處理

13Mn Ni MoR是GB 713—2014[1]中的一種錳鎳鉬系低合金高強度鋼,類似于德國的BHW35鋼,具有較高的中溫屈服強度,良好的塑性和韌性,且焊接工藝性能良好[2-3]。13MnNiMoR鋼板作為中低溫壓力容器用鋼板,主要應用于石油、化工、電站鍋爐等行業[4],其中鍋爐制造廠主要將其用于300～600 MW亞臨界鍋爐汽包用筒體和封頭的制造[5-6]。

某鍋爐廠采用13Mn NiMoR鋼板制造封頭,鋼板厚度為68 mm和110 mm。鋼板經過熱沖壓成型為封頭,成型后的封頭采用正火(930℃±15℃,空冷)+回火(630℃±15℃,空冷)熱處理。對封頭進行力學性能試驗,其中很多試樣存在沖擊韌度不合格的現象,沖擊吸收能量最低只有5 J,遠低于41 J的最低要求。為分析該批封頭沖擊韌度不合格的原因,筆者對其進行了理化檢驗和分析,以期提高13Mn Ni MoR鋼封頭的質量。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

對13Mn Ni MoR鋼封頭取樣進行化學成分分析,結果如表1所示。可見試樣的各元素含量均符合GB 713—2014對13Mn Ni MoR鋼化學成分的技術要求。

1.2 力學性能試驗

按照該鍋爐廠的檢驗要求,分別對厚度為68 mm和110 mm的13Mn Ni Mo R鋼封頭取樣,進行室溫拉伸試驗、0℃沖擊試驗和彎曲試驗(D＝3a,D為彎曲壓頭直徑,a為試樣厚度)。力學性能試驗的結果見圖1,彎曲試驗結果均完好。由圖1 (a)可以看出,封頭的力學性能滿足GB 713—2014中屈服強度不低于390 MPa、抗拉強度為570～720 MPa、斷后伸長率不低于18%的要求。而由圖1(b)可以看出,0℃沖擊吸收能量均未滿足不低于41 J的要求。

表1 13MnNiMoR鋼的化學成分分析結果(質量分數)Tab.1 Analysis results of chemical compositions of 13MnNiMoR steel（mass） %

圖1 13MnNiMoR鋼封頭的力學性能試驗結果Fig.1 Testing results of mechanical properties of 13MnNi MoR steel vessel heads：（a）tensile test；（b）impact test

為了準確地分析沖擊韌度不合格的原因,對封頭進行了模擬試驗。按照車間的熱處理制度對試樣進行模擬熱處理,然后對比進行0℃沖擊性能試驗,試驗結果見表2。由表2的沖擊吸收能量可以看出:試驗用原材料13MnNiMoR鋼板的沖擊吸收能量均滿足標準的要求;模擬熱處理試驗后,一部分厚度為68 mm試樣的沖擊吸收能量不滿足標準要求,而厚度為110 mm試樣的沖擊吸收能量則全部沒有達標。

表2 13MnNiMoR鋼的沖擊性能對比試驗結果Tab.2 Comparison test results of impact performance of 13MnNi MoR steel

1.3 金相檢驗

分別對厚度為68 mm和110 mm的封頭以及封頭成型用原材料取樣進行金相檢驗,結果見圖2～3。可以明顯看出,原材料試樣的顯微組織全部為貝氏體,顯微組織均勻,晶粒度為8級左右,見圖2(a)和圖3(a);經過模擬熱處理后試樣的顯微組織中,除了貝氏體外還出現了一定量的珠光體,見圖2(b)和圖3(b);而成型封頭的顯微組織中,除了貝氏體外還出現了少量的鐵素體和碳化物,見圖2(c)和圖3(c)。

2 分析與討論

通過對封頭用原材料進行化學成分分析和力學性能試驗等可知,13MnNi MoR鋼板的各項性能均滿足GB 713—2014的要求。金相檢驗結果表明, 13MnNiMoR鋼板的顯微組織全部為貝氏體,顯微組織均勻,不存在帶狀組織和過熱組織[7-8],因此排除原材料本身的問題造成封頭沖擊韌度顯著下降的可能。

結合模擬熱處理后試樣的相關試驗結果可以發現,部分厚度為68 mm的模擬熱處理試樣的沖擊韌度滿足GB 713—2014的要求,因此也排除組織淬硬后回火溫度和時間不足導致封頭沖擊韌度下降的可能。但厚度為110 mm的模擬熱處理試樣的沖擊韌度全都不合格,說明其不合格原因可能與厚度有關。同時,結合顯微組織形貌可以明顯發現:原材料試樣的顯微組織為貝氏體,顯微組織均勻;而采用相同熱處理工藝得到的模擬熱處理試樣的顯微組織為貝氏體+珠光體,封頭產品試樣的顯微組織為貝氏體+鐵素體+碳化物。分析其原因,這主要由于鋼板較厚,正火后冷卻速率不足,致使碳化物從基體中沿晶界析出,并在高溫回火過程中長大;在沖擊過程中,封頭在外力的作用下容易在碳化物析出位置發生斷裂,從而導致其沖擊韌度顯著降低。

圖2 厚度為68 mm的13MnNi MoR鋼封頭的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of 13MnNi MoR steel vessel heads（thickness being 68 mm）：

圖3 厚度為110 mm的13MnNiMoR鋼封頭的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of 13MnNi MoR steel vessel heads（thickness being 110 mm）：

3 結論及建議

該批13Mn Ni MoR鋼熱沖壓封頭的沖擊韌度顯著降低的原因是:正火后冷卻速率嚴重不足,導致碳化物沿鐵素體晶界析出,在高溫回火過程中碳化物再次長大。建議熱沖壓成型封頭后,根據實際生產情況,考慮鋼板的厚度因素,合理控制熱處理的冷卻速率,避免由于冷卻速率不足導致產品不合格。

[1] GB 713—2014 鍋爐和壓力容器用鋼板[S].

[2] 劉洪,曾會強,劉志勇,等.國產13 Mn Ni Mo5-4厚板焊接工藝試驗研究[C]//中西南十省區(市)焊接學會聯合會第九屆年會論文集.貴陽:貴州省機械工程學會,2006:110-112.

[3] 楊浩,曲錦波.熱循環對13Mn Ni MoR鋼焊接熱影響區顯微組織和韌性的影響[J].機械工程材料,2015, 39(9):37-40.

[4] 黃榮杰,楊朝瑞,陳小鳳.13 Mn NiMo R鋼熱成型封頭沖擊值不合格原因分析及處理方法[J].工業鍋爐, 2012(2):26-29.

[5] 王儲,胡昕明,韓旭,等.鍋爐汽包用13MnNiMo5-4特厚鋼板的研制[J].上海金屬,2015,37(4):21-25.

[6] 于雄.汽包用大厚度13 Mn Ni MoR鋼板的研發[J].特鋼技術,2016,22(1):19-22.

[7] 高煥麗,馮玉慶.2.25Cr-1 Mo鋼熱成型封頭帶狀組織的消除[J].壓力容器,2007,24(10):48-51.

[8] 袁永旗,唐鄭磊,許少普,等.特厚低溫壓力容器用09MnNiDR鋼板的研制[J].軋鋼,2016,33(3):16-19.

Cause Analysis on Significant Decrease of Impact Toughness of Hot-pressed 13MnNi MoR Steel Vessel Heads

WANG Shuo1,2,CHENG Yi1,2,SHEN Lei1,2
(1.Material Research Institute,Harbin Boiler Company Limited,Harbin 150046,China; 2.State Key Laboratory of Clean and Efficient Coal-fired Power Plant Boiler,Harbin 150046,China)

The impact toughness of hot-pressed 13MnNiMoR steel vessel heads was unqualified.By means of chemical composition analysis,mechanical property testing,metallographic examination,simulated heat treatment and so on,the significant decrease reasons of impact toughness of the hot-pressed 13Mn Ni MoR steel vessel heads were analyzed.The results show that:the cooling speed of thick vessel heads after normalization treatment was seriously insufficient,which led to the carbide precipitation along the ferrite grain boundaries,and then carbide grew up in the process of high-temperature tempering process;in the impact process,the vessel heads were easy to fracture at the position of carbide precipitation under the exogenic action,leading to the significant decrease and disqualification of impact toughness of the vessel heads.

13 MnNi MoR steel;hot-pressed vessel head;impact toughness;carbide;simulated heat treatment

TG115.2

:B

:1001-4012(2017)01-0067-03

10.11973/lhjy-wl201701015

2016-03-09

王碩(1986—),男,碩士,主要從事鍋爐材料研究工作,57626＠163.com。