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(zé)任公司材料研究所,哈爾濱150046; 2.高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zé)任公司材料研究所,哈爾濱150046; 2.高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)象。采用化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)及模擬熱處理等方法,對(duì)13MnNiMoR鋼封頭沖擊韌度顯著降低的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:對(duì)于較厚的封頭,正火處理后的冷卻速率嚴(yán)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(zhǎng)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(fā)生斷裂,導(dǎo)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(qiáng)度鋼,類似于德國(guó)的BHW35鋼,具有較高的中溫屈服強(qiáng)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(yīng)用于石油、化工、電站鍋爐等行業(yè)[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(jīng)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(duì)封頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),其中很多試樣存在沖擊韌度不合格的現(xiàn)象,沖擊吸收能量最低只有5 J,遠(yuǎn)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(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析,以期提高13Mn Ni MoR鋼封頭的質(zhì)量。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

對(duì)13Mn Ni MoR鋼封頭取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示?？梢娫嚇拥母髟睾烤螱B 713—2014對(duì)13Mn Ni MoR鋼化學(xué)成分的技術(shù)要求。

1.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

按照該鍋爐廠的檢驗(yàn)要求,分別對(duì)厚度為68 mm和110 mm的13Mn Ni Mo R鋼封頭取樣,進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)、0℃沖擊試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)(D＝3a,D為彎曲壓頭直徑,a為試樣厚度)。力學(xué)性能試驗(yàn)的結(jié)果見圖1,彎曲試驗(yàn)結(jié)果均完好。由圖1 (a)可以看出,封頭的力學(xué)性能滿足GB 713—2014中屈服強(qiáng)度不低于390 MPa、抗拉強(qiáng)度為570～720 MPa、斷后伸長(zhǎng)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(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositions of 13MnNiMoR steel（mass） %

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

為了準(zhǔn)確地分析沖擊韌度不合格的原因,對(duì)封頭進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。按照車間的熱處理制度對(duì)試樣進(jìn)行模擬熱處理,然后對(duì)比進(jìn)行0℃沖擊性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2的沖擊吸收能量可以看出:試驗(yàn)用原材料13MnNiMoR鋼板的沖擊吸收能量均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求;模擬熱處理試驗(yàn)后,一部分厚度為68 mm試樣的沖擊吸收能量不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,而厚度為110 mm試樣的沖擊吸收能量則全部沒有達(dá)標(biāo)。

表2 13MnNiMoR鋼的沖擊性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Comparison test results of impact performance of 13MnNi MoR steel

1.3 金相檢驗(yàn)

分別對(duì)厚度為68 mm和110 mm的封頭以及封頭成型用原材料取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果見圖2～3?？梢悦黠@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(jí)左右,見圖2(a)和圖3(a);經(jīng)過模擬熱處理后試樣的顯微組織中,除了貝氏體外還出現(xiàn)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(xiàn)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(duì)封頭用原材料進(jìn)行化學(xué)成分分析和力學(xué)性能試驗(yàn)等可知,13MnNi MoR鋼板的各項(xiàng)性能均滿足GB 713—2014的要求。金相檢驗(yàn)結(jié)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(jié)合模擬熱處理后試樣的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),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(shí)間不足導(dǎo)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(guān)。同時(shí),結(jié)合顯微組織形貌可以明顯發(fā)現(xiàn):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(chǎn)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(zhǎng)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(fā)生斷裂,從而導(dǎo)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(jié)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(yán)重不足,導(dǎo)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(zhǎng)大。建議熱沖壓成型封頭后,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)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(dǎo)致產(chǎn)品不合格。

[1] GB 713—2014 鍋爐和壓力容器用鋼板[S].

[2] 劉洪,曾會(huì)強(qiáng),劉志勇,等.國(guó)產(chǎn)13 Mn Ni Mo5-4厚板焊接工藝試驗(yàn)研究[C]//中西南十省區(qū)(市)焊接學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì)第九屆年會(huì)論文集.貴陽(yáng):貴州省機(jī)械工程學(xué)會(huì),2006:110-112.

[3] 楊浩,曲錦波.熱循環(huán)對(duì)13Mn Ni MoR鋼焊接熱影響區(qū)顯微組織和韌性的影響[J].機(jī)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(yè)鍋爐, 2012(2):26-29.

[5] 王儲(chǔ),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(fā)[J].特鋼技術(shù),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。