核电站用SA738Gr.B钢板热处理工艺研究

韩启彪，蒋善玉，孙卫华

（山钢股份济南分公司，山东济南 250101）

试验研究

核电站用SA738Gr.B钢板热处理工艺研究

韩启彪，蒋善玉，孙卫华

（山钢股份济南分公司，山东济南 250101）

为满足SA738Gr.B核电站用钢较高的性能要求，在实验室试验的基础上，研究了工业化生产热处理工艺参数对钢显微组织和力学性能的影响。结果表明，钢板淬火时冷却速度＞5℃/s时，能够避免先共析铁素体的析出；淬火温度较高时，钢板具有更细小和均匀的板条贝氏体；随着淬火加热的保温时间延长，晶粒组织粗化且铁素体含量减少；随着回火温度的升高，晶粒粗化，同时贝氏体含量减少，铁素体含量增多；在工业化生产中，较大淬火水量下钢板的拉伸性能更优；随着回火时间的延长，钢板强度下降而冲击韧性提高。以920℃×2.0 min/mm加热、较高水量的Q2工艺淬火，并采用650℃×1.5 min/mm的工艺回火，可使钢板的强韧性达到最佳匹配。

核电站用钢；SA738Gr.B钢；热处理；显微组织；力学性能

核电用钢板的质量稳定性是核电用钢的基本要求，也是ASME规范的重要内容。SA738Gr.B作为ASME第Ⅱ卷的中低温压力容器用热处理钢板，广泛用于核电站安全壳和结构模块，对其性能提出了严格的要求，尤其是低温冲击性能、高温拉伸性能、晶粒度、基准无塑形转变温度等都是重点考核指标，热处理工艺对达到各项性能指标要求具有至关重要的作用。本研究对该钢的热处理工艺进行探讨，并提出合理的淬火和回火工艺制度，使钢板各项力学性能达到标准要求。

1 试验材料和方法

SA738Gr.B钢的熔炼化学成分如表1所示。

表1 SA738Gr.B的合金成分范围（质量分数）%

该钢种的生产工艺路线为：转炉冶炼—LF精炼—VD真空脱气—270 mm×2 100 mm断面连铸—加热—双机架轧制。以45 mm厚热轧态钢板为试验材料进行各项试验。

利用MMS—200热模拟试验机对试样进行热模拟试验，研究钢板在不同冷却速率下的组织状态，制定出该钢的静态CCT曲线。将Φ10 mm×20 mm的圆柱状试样在热模拟试验机上加热到1 150℃保温4 min，以10℃/s的冷速降温至950℃，再分别以1、3、5℃/s的冷却速度冷却。利用光学显微镜观察试样的金相组织，绘制CCT曲线见图1。

图1 测定静态CCT曲线试验示意图

保温系数均为2.0 min/mm，以不同的淬火加热温度（860、880、920、950℃）进行淬火试验，水为淬火介质，分析各工艺下钢板的显微组织结构，研究其完全奥氏体化温度，以制定保证钢板淬透的淬火温度。然后在该温度下（920℃）以不同保温时间进行加热保温，保温系数分别为1.0、1.5、2.0、2.5 min/ mm；之后淬火，寻求最佳的淬火工艺参数。

根据淬火试验结果，按照最优淬火工艺淬火后以不同的回火工艺参数进行回火试验，研究不同回火工艺对钢显微组织和力学性能的影响。

在该淬火工艺下对一组钢试样进行淬火，然后分别在630、650、670、690℃的回火温度和1.2、1.5、1.8、2.0 min/mm的回火系数下进行共16组完全组合的回火试验。

根据淬火和回火试验结果，结合生产设备参数，制定工业生产的热处理工艺，从而实现了钢板各项力学性能指标的最优化。

2 实验室试验结果与分析

2.1 钢板静态CCT曲线

利用热膨胀法和金相组织观察相结合的方法，绘制了SA738Gr.B钢的静态CCT曲线，如图2所示。在冷速＜5℃/s时形成先共析铁素体，最终组织以粒状贝氏体为主；当冷速为5～8℃/s时，冷却后形成单一的粒状贝氏体组织。当冷速处于8～12℃/s的范围内时，形成的组织为粒状贝氏体和板条状贝氏体；当冷速＞12℃/s时，钢的冷却后组织为单一的板条状贝氏体。

图2 SA738Gr.B静态CCT曲线

2.2 淬火工艺对钢金相组织的影响

以相同的淬火加热系数、不同的加热温度将SA738Gr.B钢加热后以大于临界冷却速度的冷速冷却后得到的组织如图3所示。加热温度较高时，淬火后得到的组织以较为均匀的板条贝氏体为主（见图3c、d）；当加热温度较低时，冷却后的组织粗大且不均匀，有大块的铁素体存在（见图3a、b）。可见在860℃和880℃下加热时钢的组织未完全奥氏体化。在920℃时加热时钢能够完全奥氏体化，并在冷却后能够获得均匀的组织，这样将能够保证在回火后具有良好的强韧性配合［1］。

图3 不同淬火加热温度时的金相组织

在920℃的加热温度下，以不同的保温系数对SA738Gr.B钢进行加热，并以大于临界冷却速度的冷速进行冷却。如图4所示，冷却后钢的组织以贝氏体为主，但在保温时间较短时该钢的淬火组织中铁素体较多，这是由于保温时间较短时钢尚未完全奥氏体化，存在少量铁素体组织在淬火后保留下来。而以2.5 min/mm进行长时间保温后，钢的淬火组织将会变得粗大，因此，可以确定在2.0 min/mm的保温时间下加热较为合适。

图4 920℃以不同的保温时间加热后的淬火组织

2.3 回火工艺对钢组织性能的影响

图5、图6所示为SA738Gr.B钢板以相同回火系数（1.5 min/mm）回火时钢的力学性能随回火温度的变化，随着温度的升高，抗拉强度和屈服强度呈逐渐下降趋势，而冲击功呈上升趋势。图7比较了相同回火保温系数不同回火温度下典型显微组织照片，可见随着回火温度的升高，晶粒有粗化的倾向，同时组织中贝氏体含量有所减少，铁素体含量增多，这是造成强度下降而冲击功提高的主要原因。

在650℃×1.5 min/mm的回火工艺下屈服强度达到489.7 MPa，抗拉强度达到575.7 MPa，-45℃横向平均冲击功达到281 J，实现了良好的强韧性匹配和较高的经济性。

图5 强度随回火温度的变化

图6 伸长率随回火温度的变化

图7 不同回火工艺典型的金相组织

3 工业化生产热处理工艺优化

3.1 淬火工艺优化

根据实验室试验结果，确定了工业化生产热处理工艺参数：淬火保温温度915～920℃，淬火加热在炉系数2.0 min/mm，冷却水量采用Q1和Q2两种对比方案，其中Q2方案的冷却水量较大。

采用不同冷却水量时钢板淬火后显微金相组织如图8所示。在Q1冷却方案下钢板中心和1/4处金相组织差异较大，中心处组织以贝氏体和铁素体为主，可见钢板未淬透。而冷却水量为Q2时钢板在不同位置处的金相组织差异较小，从表面到心部均为板条贝氏体组织，说明钢板已淬透。表2列出了以两种淬火方案淬火后钢板的拉伸力学性能，Q2冷却方案的抗拉强度比Q1时高70 MPa，屈服强度比Q1时高15 MPa。

图8 不同淬火冷却方案钢板不同位置金相组织

表2 不同冷却水量淬火态钢板的拉伸性能

3.2 回火工艺优化

钢板按Q2方案淬火后按照不同的回火工艺进行回火，回火后钢板的力学性能如表3所示，可见随着回火时间的延长（回火系数增大），强度下降而冲击功升高。经过与标准要求对比，在650℃×1.5 min/mm的回火工艺下能获得最佳的强韧性配合，且有较合适的强度富余量，－45℃横向夏比冲击功平均值达到275 J，与实验室试验结果相吻合。

表3650 ℃淬火＋不同回火时间回火后钢板的力学性能

该钢种对于高温拉伸性能要求较高，为此分析了不同淬火工艺下以相同回火工艺（650℃×1.5 min/mm）回火后的高温拉伸性能，试验温度为200℃，结果见表4。采用Q2淬火工艺时钢板的高温拉伸性能更优良，平均屈服强度比Q1时高约100 MPa，抗拉强度比Q1时高76 MPa，完全满足标准性能要求；而在Q1工艺下部分试样的高温抗拉强度低于标准值，最低时仅515 MPa。

表4 不同淬火冷却水量＋回火后钢板的高温拉伸性能

按照ASTM E211标准检验，两种方案试制的钢板晶粒度都达到了8.5级。按ASTM E208-06《铁素体钢无塑性转变温度落锤试验方法》标准进行落锤试验，对45 mm厚钢板取横向试样，试样为P1型，两种方案下，SA738Gr.B钢板无塑性转变温度RTNDT均为－40℃左右，具有良好的低温韧性。

以上各项性能指标均达到了核电站钢板采购技术要求，采用（915～920）℃×2.0 min/mm和Q2水量方案淬火，650℃×1.5 min/mm回火，SA738Gr.B钢板具有更优良的力学性能。

4 结论

4.1 钢板淬火时冷却速度＞5℃/s时能够避免先共析铁素体的析出。

4.2 在实验室研究的基础上得到了核电站用钢板的最佳热处理工艺方案，并应用到工业化试制中，即以（915～920）℃×2.0 min/mm加热，随后以较高水量的Q2工艺淬火，并采用650℃×1.5 min/mm的工艺回火，可使钢板的强韧性达到最佳匹配，满足核电站采购技术要求。

［1］毕志超，张继明，刘晓东，等.核电用高强韧厚规格调质钢板的力学性能和显微结构［J］.钢铁研究学报，2011，10（23）：59-62.

Study on Heat Treatment Processof SA738Gr.B Steel Plats for Nuclear Power Plant

HAN Qibiao,JIANG Shanyu,SUN Weihua
（Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

In order to meet the high performance requirements of SA738Gr.B steel plate for nuclear power plant,on the basis of lab tests,heat treatment process parameters in industrial production are studied.The results showed that Pro-eutectoid ferrite precipitation can be avoided when quenching cooling rate greater than 5℃/s;The steel plates have smaller and more uniform lath bainite when quenching temperature is higher;With the extension of heating holding time in quenching,the grains are coarser and ferrite content reduces;With the increase of the tempering temperature,grains coarsen,and the content of bainite reduces,ferrite content increases;In industrial production,tensile properties is superior when water quantity of quenching is higher;With the increase of the tempering time,the steel strength decreases and the impact toughness increases.When the steel plate was heated in 920℃×2.0 min/mm,and subsequently quenched in Q2 program with higher water flow,then tempered in 650℃×1.5 min/mm，the best match of the strength and toughness can be achieved.

steel for nuclear power plant;SA738Gr.B steel,heat treatment;microstructure;mechanical property

TF534

A

1004-4620（2014）03-0036-03

2014-11-01；

2014-05-15

韩启彪，男，1977年生，2006年毕业于安徽工业大学钢铁冶金专业，硕士。现为济钢技术中心工程师，从事中厚板新产品开发工作。