封頭熱成型及熱處理對SA537CL.1鋼板組織與性能影響

劉勝赫，董富軍

（新余鋼鐵集團有限公司，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鋼制壓力容器設備中不可缺少的重要部件，其品質直接關系到壓力容器能否長期安全可靠運行。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，同時為保證封頭環縫的對接尺寸，一般采用熱成型。封頭熱成型時，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，應盡量降低加熱溫度，以避免晶粒粗大，惡化力學性能。為模擬材料經歷變形、受熱等影響，導致材料的組織和性能的變化，特進行50 mmSA537CL.1 正火板經過模擬封頭成型、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工藝制度提供依據。

2 試驗材料及方法

使用250 mm 厚板坯軋制50 mm 鋼板，鋼的化學成分見表1。板坯經過步進爐式加熱爐加熱，均熱段溫度1 230～1 260 ℃，在爐時間300 min，粗軋開軋溫度＞1 030 ℃，輥速＜2 m/s，壓下率＞10%；精軋開軋溫度＜860 ℃，累計變形率50%，終軋溫度810～830 ℃；軋后空冷。

表1 試驗鋼的化學成分（質量分數）%

經過經驗公式計算得到實驗鋼Ac3為844 ℃，Ae1為693 ℃。軋后鋼板經過堆冷24 h，隨后在熱處理爐進行正火處理，保溫910 ℃，在爐時間110 min。從正火板上取橫向試樣到實驗室GY10-19非標箱式爐中進行模擬封頭成型+恢復熱處理+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 ℃，保溫時間75 min，出爐空冷。（2）恢復熱處理工藝：600 ℃以上加熱速度≤300 ℃/h，保溫溫度910 ℃，保溫時間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 標準進行常溫拉伸和沖擊試驗。從不同狀態下試板厚度1/4 處上取樣，制成金相試樣，金相試樣經機械研磨、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試樣進行顯微組織分析。

3 試驗結果

3.1 鋼板力學性能

正火板經過上述不同熱處理工藝，強韌性如表2 所示。正火鋼板經過940 ℃模擬封頭成型熱處理，屈服強度下降21 MPa，抗拉強度下降22 MPa，沖擊韌性和伸長率變化不大。再經過910 ℃恢復性能熱處理，強韌性變化不大。模擬封頭成型工藝下的鋼板，經過620 ℃模擬焊后熱處理，屈服強度下降11 MPa，抗拉強度下降17 MPa，伸長率略微提高，沖擊韌性下降25%左右；隨著模擬焊后保溫時間由2 h延長到8 h，抗拉強度下降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。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，珠光體分布更均勻。從圖2c 與d 可以看出，模擬焊后熱處理，細化珠光體組織達到細化、均勻分布。

從圖3 可以看出，鋼板經過模擬焊后，晶界明顯弱化，大部分片層狀珠光體組織消失，滲碳體由片層狀變為球形。

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

在加工厚規格大型封頭時，由于變形抗力大，會選擇熱成型工藝。封頭成型溫度十分關鍵，如果溫度過高，奧氏體晶粒粗化，在較快冷卻速度下，轉變成魏氏組織；同時，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，惡化產品力學性能［4-6］，如果溫度過低，封頭成型變形抗力增加，且成型后殘余應力大，使母材及焊縫金屬的力學性能下降，直接影響壓力容器的長期安全可靠運行。在生產封頭板SA537CL.1 時，需要適當添加Nb、V。在封頭成型過程中，Nb、V（C，N）析出，釘扎奧氏體晶界，起到減緩奧氏體晶粒長大的作用［7］。同時在封頭成型產品隨后的模擬焊后熱處理過程中，大部分片層狀珠光體組織消失，滲碳體由片層狀變為球形，但是細小V（C，N）析出，致部分鐵素體晶粒內部位錯密度仍較高，使其強度、硬度和沖擊韌度都有一定的提高［8-10］。鋼板經過成型及模擬焊后熱處理后，產品的強度滿足SA537CL.1 標準要求，同時具有-20 ℃良好的韌性。

5 結論

5.1 試驗鋼經過940 ℃模擬封頭成型熱處理，強度下降20 MPa左右，沖擊韌性和伸長率變化不大；再經過910 ℃恢復性能熱處理，強韌性變化不大。經過620 ℃模擬焊后熱處理，強度下降10 MPa 左右，伸長率略微提高，沖擊韌性下降25%左右。

5.2 試驗鋼組織為鐵素體+珠光體，晶粒度9 級；鋼板經過模擬焊后，部分片層狀珠光體組織消失，滲碳體由片層狀變為球形。

5.3 試驗鋼按上述封頭熱成型及熱處理后，鋼板力學性能優良，滿足SA537CL.1 標準要求，可以用于制造熱成型封頭產品。