高性能18MND5核電鋼板的強韌化探索

于明明,楊金炳,王 爽

(1.東方鍋爐股份有限公司,四川自貢 643001；2.鞍鋼股份有限公司，遼寧鞍山 114021)

0 引言

在壓水堆核電站中，Mn-Ni-Mo系低合金鋼材料憑借強度高、韌性好、價格低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于核島設(shè)備殼體的制造，國際上較為典型的核反應(yīng)堆壓力容器用鋼主要有美國的A508-3,A533，法國的16MND5,18MND5,20MND5和日本的SFVV3等[1-2]。

在某華龍一號堆型核電項目中，首次將18MND5鋼板用于制造中低溫設(shè)備殼體，其服役環(huán)境溫度為150 ℃。根據(jù)RCC-M規(guī)范設(shè)計原則，要求其服役溫度下的抗拉強度不低于室溫的抗拉強度(600 MPa)。但實際上，Mn-Ni-Mo系低合金鋼在高溫拉伸試驗過程中，抗拉強度呈現(xiàn)出“第3種動態(tài)應(yīng)變時效”的特點[3-10]，即在同一應(yīng)變率下，在室溫至200 ℃溫度區(qū)域，隨溫度升高，流動應(yīng)力先下降至一個低值，然后在350 ℃左右轉(zhuǎn)而上升到一峰值應(yīng)力，然后再下降。RCC-M規(guī)范給出該牌號350 ℃的抗拉強度下限值為540 MPa，因存在動態(tài)應(yīng)變時效作用，150 ℃的抗拉強度合理要求值應(yīng)低于540 MPa，無法達到600 MPa以上。

因此，按傳統(tǒng)成分設(shè)計、制造工藝生產(chǎn)的鋼板，已無法滿足華龍一號堆型中低溫設(shè)備對Mn-Ni-Mo系鋼板的性能要求，必須通過重新設(shè)計化學(xué)成分，優(yōu)化鋼板軋制及熱處理工藝等手段，試制出高性能18MND5核電鋼板。本文介紹其試制研發(fā)情況。

1 成分設(shè)計

為了提高150 ℃的鋼板強度值，只有整體提高鋼板的強度。考慮到焊后熱處理會使材料強度降低，因此理想的交貨態(tài)室溫抗拉強度值為660～720 MPa，同時要保證優(yōu)良的低溫沖擊韌性及較低的無塑性轉(zhuǎn)變溫度。

該系列材料最初成分設(shè)計時通過適當(dāng)提高C,Mn,Cr含量以提高鋼的淬透性，添加少量Ni,Mo等合金元素，獲取高屈服強度、高低溫韌性和減少回火脆性?？紤]到Mn-Ni-Mo系鋼缺乏強碳化物形成元素，淬火加熱時碳化物全部溶解，電鏡觀察表明這時第二相粒子主要是AlN。計算表明0.02%Al可保證有滿意的晶粒度，如含Al過低則AlN含量少,不足以提供足夠的釘扎力[2,11]。

本次成分設(shè)計時加入了適量的V元素提高鋼的強度，加入適量的Al元素保證得到細小的晶粒，防止加熱時產(chǎn)生混晶[4]。盡量降低鋼中的殘余元素，有利于減少夾雜物，保證最終鋼板的低溫韌性。

為增加樣本數(shù)量，試驗共冶煉2爐高性能鋼，鋼錠號分別為1#(23 t)和2#(42 t)；軋制的2張鋼板(標(biāo)記為1#鋼板和2#鋼板)厚度均為88 mm。熔煉成分結(jié)果見表1。

表1 熔煉化學(xué)成分 %

2 生產(chǎn)工藝流程

高性能18MND5鋼板的生產(chǎn)工藝流程為：電爐冶煉→爐外精煉→模鑄→鋼錠加熱→軋制→緩冷→熱處理→探傷→性能檢驗→剪切→檢查入庫。

3 熱處理后鋼板的組織

3.1 淬火態(tài)

淬火工藝為：保溫溫度(900±15) ℃，保溫時間2.5 min/mm，整個處理過程均采用全程無氧化氣體保護，淬火處理在輥壓式淬火機組上進行。

(a)頭部

(b)尾部

淬火后分別從1#鋼板的頭、尾部1/4厚度處取樣進行組織檢驗，其結(jié)果見圖1。

由于合金元素含量不高，Mn-Ni-Mo系鋼對淬火時的冷卻速度十分敏感，快冷時組織是馬氏體，中速冷卻時是粒狀貝氏體(基體為板條狀貝氏體鐵素體，其間分布有島狀組織),慢冷時除粒狀貝氏體外還有鐵素體析出[4]。由于在線淬火時采用上下表面高速噴水方式冷卻，有效破壞了鋼板表面的水冷氣膜，足夠的冷速保證了鋼板的組織為典型的馬氏體，呈現(xiàn)出明顯的位向關(guān)系和表面浮凸。

3.2 回火態(tài)及模擬焊后熱處理態(tài)

18MND5鋼板最終交貨狀態(tài)為淬火+回火(QT)，試板回火保溫溫度(650±15) ℃，保溫時間120 min+4 min/mm。經(jīng)處理后，鋼中碳化物的析出尺寸、數(shù)量及分布情況將直接影響鋼板綜合性能。因設(shè)備制造過程中需進行焊后消應(yīng)力處理，為考核試板的組織穩(wěn)定性，進行了模擬焊后熱處理(SPWHT)，保溫溫度(610±15) ℃,保溫時間16 h。

在交貨態(tài)和模擬焊后熱處理狀態(tài)下1/4厚度處切取金相試樣，并經(jīng)磨光、拋光、硝酸酒精腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下進行觀察，結(jié)果如圖2,3所示。QT和SPWHT兩種狀態(tài)金相組織均為典型的回火馬氏體，組織中原奧氏體晶界清晰可見，馬氏體板條位向關(guān)系較為明顯，說明試板回火穩(wěn)定性高，這對強韌性是有利的。不同的是，經(jīng)SPWHT后，晶界和晶內(nèi)的碳化物析出明顯多于QT狀態(tài)。

(a)1#鋼板 (b)2#鋼板

(a)1#鋼板

(b)2#鋼板

按照ASTM E112《平均晶粒度測定的標(biāo)準(zhǔn)方法》進行晶粒度檢查，鋼板頭、尾部晶粒尺寸細小且均勻，晶粒度基本在7.5級左右。細小、均勻的晶粒尺寸有益于鋼板綜合性能。

利用萃取碳復(fù)型的方法，在Tecnai G2 20型透射電鏡下進行觀察，鋼中碳化物析出形態(tài)與成分特征見圖4?？梢钥闯?，高溫回火后鋼中的析出物主要為Mn,Cr,Mo合金滲碳體，形狀為棒條狀和球狀，尺寸以0.2 μm大小為主，彌散分布在晶粒內(nèi)和晶界處。細小彌散分布的碳化物粒子能夠起到很好的強化、韌化作用，對保證18MND5鋼板在QT狀態(tài)具有較好的強度及韌性有利。

(a)碳化物形貌 (b)碳化物EDX能譜圖

4 鋼板性能

4.1 力學(xué)性能檢測

分別對QT和SPWHT兩種不同狀態(tài)下1/4厚度處切取試樣，進行室溫拉伸、150 ℃高溫拉伸、沖擊試驗，檢驗標(biāo)準(zhǔn)分別為EN 10002,EN 10045，拉伸試樣直徑均為10 mm，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。檢驗結(jié)果如表2、圖5所示?？梢钥闯觯瑑蓧K試驗鋼板交貨態(tài)室溫強度在660～680 MPa之間，焊后熱處理后強度略微降低，150 ℃強度均高于615 MPa，且沖擊吸收能量的裕量很大。鋼板頭部強度較尾部低，2#鋼板更為明顯，這應(yīng)該與熱處理時鋼板頭部先出爐、淬火溫度和水壓不穩(wěn)定導(dǎo)致沒有形成足夠細小的淬火馬氏體有關(guān)。

表2 性能試驗結(jié)果

4.2 系列高溫拉伸試驗

分別從1#鋼板上取11#,12#(QT頭部和尾部)和13#，14#(SPWHT頭部和尾部)試樣，依照EN 10002標(biāo)準(zhǔn)在ZWICK Z120拉伸試驗機上進行高溫拉伸試驗，其結(jié)果見表3。不同溫度與屈服強度、抗拉強度關(guān)系曲線見圖6,7(圖中T代表頭部試樣，B代表尾部試樣)?？梢钥闯觯瑑煞N狀態(tài)的試驗材料系列高溫拉伸曲線依然呈現(xiàn)出明顯的“第3種動態(tài)應(yīng)變時效”特點，但在150 ℃時的強度均高于610 MPa。

(a)1/4厚度處室溫抗拉強度 (b)1/4厚度處150 ℃抗拉強度

表3 高溫拉伸試驗結(jié)果

圖6 QT系列高溫拉伸曲線

圖7 SPWHT系列高溫拉伸曲線

4.3 基準(zhǔn)無塑性轉(zhuǎn)變溫度

在SPWHT狀態(tài)下，分別從試驗板頭、尾部1/4 厚度處截取落錘試樣，尺寸為16 mm×55 mm×130 mm，并按照ASTM E208標(biāo)準(zhǔn)進行落錘試驗，試驗結(jié)果見表4。根據(jù)落錘試驗結(jié)果，測得2塊試板SPWHT狀態(tài)下的無塑性轉(zhuǎn)變溫度(NDT)均為-67 ℃，表明試板有較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和較好的低溫韌性。

表4 落錘試驗結(jié)果

5 結(jié)語

(1)在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)優(yōu)化合金元素成分，使得高性能18MND5鋼板獲取到細小穩(wěn)定的回火馬氏體組織。

(2)合理的熱處理工藝，保證了成品鋼板150 ℃抗拉強度高于600 MPa，同時有較好的低溫韌性及較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

(3)試制出的高性能18MND5鋼板可以用于制造華龍一號核電堆型中的低溫設(shè)備。