低温钢SA-350Gr.LF3热处理工艺试验

2014-11-25林楠张彩霞王洪学

金属加工(热加工) 2014年23期

林楠，张彩霞，王洪学

某公司制造的再吸收塔是低温设备，工作温度为-18～-63℃，物料为CO2、H2S、CH3OH等，壳体材料为ASME SA-203Gr.D，所用的锻件为ASME SA-350Gr.LF3，此低温钢介绍的资料较少，为此做了一系列试验，以便找出适合低温钢SA-350Gr.LF3的热处理工艺。

1.SA-350Gr.LF3锻件的化学成分及力学性能

SA-350Gr.LF3化学成分见表1。

SA-350Gr.LF3以正火+回火状态交货，力学性能见表2、表3。表2中-101.1℃的冲击吸收能量允许有一个试样的最小值为16J。表3中-101.1℃的冲击吸收能量允许有一个试样的最小值为24J。工程所要求的冲击吸收能量比ASME标准高出50%。

2.低温钢的合金特点

钢材通常随着使用温度的降低，强度增加而塑性和韧性降低。对于低温钢，除要求满足常温强度，低温下组织稳定，具有良好的焊接性能、加工性能以及必要的物理性能外，低温韧性是低温钢最重要的性能指标。提高钢材低温韧性的主要方法就是细化晶粒及提高钢的纯净度。低温钢通常采用添加合金元素的方法来细化晶粒。

Mn是细化晶粒、提高钢韧性的主要元素之一。Mn能使缓冷后晶界所出现的渗碳体变小，尤其是对热轧及正火钢效果较好，但添加少量Mn较为有效，添加量到一定程度，其效果即告饱和。

Ni在钢中是纯固溶元素，具有明显降低钢的冷脆转折温度的作用。Ni与铁形成无限固溶体，Ni通过其在晶粒内的吸附作用细化铁素体晶粒，提高钢的冲击韧度。低温钢要大幅度地提高韧性，常离不开用Ni来合金化。

C是钢中不可少的元素，然而加C虽然强化作用很高，但却显著降低韧性，因此低温钢的含C碳量都较低。

表1 SA-350Gr.LF3化学成分（质量分数）（%）

表2 SA-350Gr.LF3力学性能（ASME Ⅱ卷）

表3 SA-350Gr.LF3力学性能（工程技术要求）

Nb是强烈的碳化物形成元素，可与碳、氮形成极其稳定的Nb（C、N）化合物。沿奥氏体晶粒分布的Nb（C、N）粒子，阻碍奥氏体晶粒长大，显著提高原始奥氏体粗化温度，从而细化了铁素体晶粒，改善了钢的强度和低温韧性。但是在缺少碳的情况下Nb在钢中以固溶形式存在，将推迟先共析铁素体析出，并强烈延迟奥氏体开始分解为珠光体的时间。因此，控制Nb的加入量，使Nb尽可能以化合物形式在钢中弥散析出。

3.SA-350Gr.LF3锻件的热处理试验

针对SA-350Gr.LF3锻件材料合金元素的特点，制订了几种热处理工艺方案，并锻制了一些试件，做了一系列的试验，通过试验结果来找出合理的热处理工艺，试验结果见表4。

通常正火温度为Ac3+30～50℃，有时为奥氏体化更均匀也会相应提高正火温度。从表4的试验结果分析，奥氏体化温度增高到一定温度时，强度明显提高，冲击吸收能量下降，这是由于过高的正火温度会使奥氏体晶粒长大的缘故。通常提高回火温度会使强度下降、冲击吸收能量上升；而从表4数据看，正火温度相同时，回火温度对低温冲击吸收能量影响较大，提高回火温度可使强度升高，冲击吸收能量下降；分析可能是Mn、Ni使SA-350Gr.LF3的A1线下降，高的回火温度会有碳化物析出，从而使强度提高、冲击吸收能量下降。从上述结果分析，经840～870℃进行正火，660～670℃回火后低温钢SA-350Gr.LF3锻件试件各项力学性能较好。