13MnNi MoR钢热冲压封头冲击韧度显著降低原因分析

王 硕,程 义,申 雷

(1.哈尔滨锅炉厂有限责任公司材料研究所,哈尔滨150046; 2.高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室,哈尔滨150046)

13MnNi MoR钢热冲压封头冲击韧度显著降低原因分析

王 硕1,2,程 义1,2,申 雷1,2

(1.哈尔滨锅炉厂有限责任公司材料研究所,哈尔滨150046; 2.高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室,哈尔滨150046)

13Mn Ni MoR钢板热冲压成型封头的冲击性能存在不合格现象。采用化学成分分析、力学性能测试、金相检验及模拟热处理等方法,对13MnNiMoR钢封头冲击韧度显著降低的原因进行了分析。结果表明:对于较厚的封头,正火处理后的冷却速率严重不足,致使碳化物沿铁素体晶界析出,且在高温回火过程中碳化物再次长大;在冲击过程中,封头在外力作用下容易在碳化物析出位置发生断裂,导致封头的冲击韧度显著降低至不合格。

13MnNiMoR钢;热冲压封头;冲击韧度;碳化物;模拟热处理

13Mn Ni MoR是GB 713—2014[1]中的一种锰镍钼系低合金高强度钢,类似于德国的BHW35钢,具有较高的中温屈服强度,良好的塑性和韧性,且焊接工艺性能良好[2-3]。13MnNiMoR钢板作为中低温压力容器用钢板,主要应用于石油、化工、电站锅炉等行业[4],其中锅炉制造厂主要将其用于300～600 MW亚临界锅炉汽包用筒体和封头的制造[5-6]。

某锅炉厂采用13Mn NiMoR钢板制造封头,钢板厚度为68 mm和110 mm。钢板经过热冲压成型为封头,成型后的封头采用正火(930℃±15℃,空冷)+回火(630℃±15℃,空冷)热处理。对封头进行力学性能试验,其中很多试样存在冲击韧度不合格的现象,冲击吸收能量最低只有5 J,远低于41 J的最低要求。为分析该批封头冲击韧度不合格的原因,笔者对其进行了理化检验和分析,以期提高13Mn Ni MoR钢封头的质量。

1 理化检验

1.1 化学成分分析

对13Mn Ni MoR钢封头取样进行化学成分分析,结果如表1所示。可见试样的各元素含量均符合GB 713—2014对13Mn Ni MoR钢化学成分的技术要求。

1.2 力学性能试验

按照该锅炉厂的检验要求,分别对厚度为68 mm和110 mm的13Mn Ni Mo R钢封头取样,进行室温拉伸试验、0℃冲击试验和弯曲试验(D＝3a,D为弯曲压头直径,a为试样厚度)。力学性能试验的结果见图1,弯曲试验结果均完好。由图1 (a)可以看出,封头的力学性能满足GB 713—2014中屈服强度不低于390 MPa、抗拉强度为570～720 MPa、断后伸长率不低于18%的要求。而由图1(b)可以看出,0℃冲击吸收能量均未满足不低于41 J的要求。

表1 13MnNiMoR钢的化学成分分析结果(质量分数)Tab.1 Analysis results of chemical compositions of 13MnNiMoR steel（mass） %

图1 13MnNiMoR钢封头的力学性能试验结果Fig.1 Testing results of mechanical properties of 13MnNi MoR steel vessel heads：（a）tensile test；（b）impact test

为了准确地分析冲击韧度不合格的原因,对封头进行了模拟试验。按照车间的热处理制度对试样进行模拟热处理,然后对比进行0℃冲击性能试验,试验结果见表2。由表2的冲击吸收能量可以看出:试验用原材料13MnNiMoR钢板的冲击吸收能量均满足标准的要求;模拟热处理试验后,一部分厚度为68 mm试样的冲击吸收能量不满足标准要求,而厚度为110 mm试样的冲击吸收能量则全部没有达标。

表2 13MnNiMoR钢的冲击性能对比试验结果Tab.2 Comparison test results of impact performance of 13MnNi MoR steel

1.3 金相检验

分别对厚度为68 mm和110 mm的封头以及封头成型用原材料取样进行金相检验,结果见图2～3。可以明显看出,原材料试样的显微组织全部为贝氏体,显微组织均匀,晶粒度为8级左右,见图2(a)和图3(a);经过模拟热处理后试样的显微组织中,除了贝氏体外还出现了一定量的珠光体,见图2(b)和图3(b);而成型封头的显微组织中,除了贝氏体外还出现了少量的铁素体和碳化物,见图2(c)和图3(c)。

2 分析与讨论

通过对封头用原材料进行化学成分分析和力学性能试验等可知,13MnNi MoR钢板的各项性能均满足GB 713—2014的要求。金相检验结果表明, 13MnNiMoR钢板的显微组织全部为贝氏体,显微组织均匀,不存在带状组织和过热组织[7-8],因此排除原材料本身的问题造成封头冲击韧度显著下降的可能。

结合模拟热处理后试样的相关试验结果可以发现,部分厚度为68 mm的模拟热处理试样的冲击韧度满足GB 713—2014的要求,因此也排除组织淬硬后回火温度和时间不足导致封头冲击韧度下降的可能。但厚度为110 mm的模拟热处理试样的冲击韧度全都不合格,说明其不合格原因可能与厚度有关。同时,结合显微组织形貌可以明显发现:原材料试样的显微组织为贝氏体,显微组织均匀;而采用相同热处理工艺得到的模拟热处理试样的显微组织为贝氏体+珠光体,封头产品试样的显微组织为贝氏体+铁素体+碳化物。分析其原因,这主要由于钢板较厚,正火后冷却速率不足,致使碳化物从基体中沿晶界析出,并在高温回火过程中长大;在冲击过程中,封头在外力的作用下容易在碳化物析出位置发生断裂,从而导致其冲击韧度显著降低。

图2 厚度为68 mm的13MnNi MoR钢封头的显微组织形貌Fig.2 Microstructure morphology of 13MnNi MoR steel vessel heads（thickness being 68 mm）：

图3 厚度为110 mm的13MnNiMoR钢封头的显微组织形貌Fig.3 Microstructure morphology of 13MnNi MoR steel vessel heads（thickness being 110 mm）：

3 结论及建议

该批13Mn Ni MoR钢热冲压封头的冲击韧度显著降低的原因是:正火后冷却速率严重不足,导致碳化物沿铁素体晶界析出,在高温回火过程中碳化物再次长大。建议热冲压成型封头后,根据实际生产情况,考虑钢板的厚度因素,合理控制热处理的冷却速率,避免由于冷却速率不足导致产品不合格。

[1] GB 713—2014 锅炉和压力容器用钢板[S].

[2] 刘洪,曾会强,刘志勇,等.国产13 Mn Ni Mo5-4厚板焊接工艺试验研究[C]//中西南十省区(市)焊接学会联合会第九届年会论文集.贵阳:贵州省机械工程学会,2006:110-112.

[3] 杨浩,曲锦波.热循环对13Mn Ni MoR钢焊接热影响区显微组织和韧性的影响[J].机械工程材料,2015, 39(9):37-40.

[4] 黄荣杰,杨朝瑞,陈小凤.13 Mn NiMo R钢热成型封头冲击值不合格原因分析及处理方法[J].工业锅炉, 2012(2):26-29.

[5] 王储,胡昕明,韩旭,等.锅炉汽包用13MnNiMo5-4特厚钢板的研制[J].上海金属,2015,37(4):21-25.

[6] 于雄.汽包用大厚度13 Mn Ni MoR钢板的研发[J].特钢技术,2016,22(1):19-22.

[7] 高焕丽,冯玉庆.2.25Cr-1 Mo钢热成型封头带状组织的消除[J].压力容器,2007,24(10):48-51.

[8] 袁永旗,唐郑磊,许少普,等.特厚低温压力容器用09MnNiDR钢板的研制[J].轧钢,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

王硕(1986—),男,硕士,主要从事锅炉材料研究工作,57626＠163.com。