浅析合金元素对压力容器钢材影响浅析

2020-02-18郝加封

机电产品开发与创新 2020年2期

赵斐，郝加封

（北京航天试验技术研究所，北京 100079）

0 引言

压力容器发展的程度制约了石油化工行业的发展速度，而钢材（包括钢板、钢管和锻件）的正确选择是维持设备稳定的先决条件。因此，正确认识压力容器用钢中的钢材成分、特点以及牌号等信息，不仅可以使我们了解压力容器的选材经验，更有助于我们立足现状进行革新。

1 压力容器用钢的分类

压力容器用钢的类别可以按照多种方式划分，按照钢材的材料来划分，压力容器用钢可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢[1]。

碳素钢又称碳钢，指的是含碳量在0.02%～2.11%（一般低于1.35%）的铁碳合金，压力容器用的碳钢可分为三类，第一类是碳素结构钢如Q235-B 和Q235-C；第二类是优质碳素结构钢，优质碳素结构钢一般为含碳量在0.8%以下的碳素钢，同时其中S 与P 元素的含量较低，机械性能良好，如10 钢、20 钢优质碳素结构钢；第三类是压力容器专用钢板，它是在优质碳素结构钢的基础上，更加严格地控制钢材内的S 与P 元素的含量，同时对钢材内部缺陷以及表面质量的要求也较高，在钢号后也会有“R”标识，R 读作“容”，表示压力容器专用钢板，如Q245R。碳钢强度较低，塑性和可焊性较好，同时价格低廉，因此常常用于常压或中、低压容器的制造。

低合金钢是在碳素钢的基础上加入少量合金元素的合金钢，其合金元素有Cr、Mo、Ni、Mn、Nb 等，加入的合金元素总量不超过5%。低合金钢在经过热处理后会表现出较高的强度[2]，此外，还具有优良的韧性、焊接性能、成形性能和耐腐蚀性能。压力容器用钢中常见的低合金钢与Q345R、15CrMoR 等。

高合金钢是在碳素钢的基础上加入一定量合金元素的合金钢[3]，所加入元素种类以铬（Cr）为主，其他合金元素按比例适量加入，可以提高钢的抗腐蚀能力，只是在量上面，高合金钢的合金元素总量一般高于10%，高合金钢的特点是耐腐蚀、耐高温，同时还具有良好的低温性能。一种典型的高合金钢为0Cr18Ni9，又称304 不锈钢。

2 钢材中的重要元素及其作用

合金钢的性能要优于普通的碳素钢，控制铁碳合金中碳的含量对钢材的强度与韧性的影响很大，与此同时，有些特殊合金元素的加入，即便是微量的，也会对钢材整体的强度、硬度、韧性和塑性等产生极大的影响。本文将以各个元素为出发点，探究压力容器用钢中添加的各个元素对钢材的影响。

2.1 碳（C）

铁碳合金中碳素钢和铸铁的不同就在于含碳量的多少，铸铁是合金中C 的质量分数大于2.11%，虽然铸铁的抗拉强度，但是塑性和韧性比钢要差，不过具有良好的铸造性能，耐磨性、减震性等良好性能。而在碳素钢中，随着C 元素质量分数的提高，钢材的抗拉强度会升高，布氏硬度也有显著提高。以45 钢和65 钢为例，两种钢材的Si含量都在0.17%～0.37%之间，Mn 含量在0.50%～0.80%之间。 45 钢的含碳量在0.42%～0.50%之间，其抗拉强度为600MPa，布氏硬度为229；65 钢的含碳量在0.62%～0.70%之间，其抗拉强度为710MPa，布氏硬度为255。由此可见，一般来说钢中含碳量增加会提高钢材的硬度与耐磨性，不过相对应地，钢材的塑性与韧性也会下降。对于抗拉强度而言，在一定的范围内（C 的质量分数在0.9%以下），C含量的增高可以提高钢材的抗拉强度，超出了这个范围，钢材的抗拉强度会显著下降。与此同时，碳含量还影响着钢材的腐蚀性和可焊性，含碳量的升高会使钢材在空气中发生电化学反应，造成钢铁的腐蚀，对设备有严重危害；就可焊性而言，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，在压力容器选材时，需要焊接的部件一般采用低合金钢，铸铁一般用于鞍座或者不重要的部件。

2.2 硅（Si）

钢铁炼制过程中，会加入硅作为脱氧剂，故一般的钢材中都会含有少量的硅，多数优质碳素结构钢的硅含量在0.17%～0.39%之间，此时硅不算作合金元素，但当硅元素的质量分数超过0.5%～0.6%是，即为合金元素。压力容器的工作环境通常较为恶劣，硅元素的加入，能够提高钢铁在高温下的抗氧化腐蚀性，因为高温下，Si 与氧气接触，形成致密的高熔点的耐高温氧化物，覆盖钢的表面，能够阻止钢材被进一步腐蚀[4]。

2.3 锰（Mn）

在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂，Mn 元素的存在，可以提高Si 的脱氧能力，同时它又可以与S 元素反应生成MnS 从而降低S 的质量分数，也是脱硫剂。作为炼钢时的添加元素，多数钢中都含有少量的锰，如碳素结构钢中的锰含量一般为0.50%～0.80%。

2.4 磷（P）

不像其他元素对钢材性能具有增益作用，P 元素的存在会对钢材性能产生很大的负面影响。微观层面上将讲，P 可以溶于钢中的铁素体，进而使得铁的晶格发生剧烈歪曲，最终表现出来的，则是钢铁的强度和硬度增大，韧性与塑性降低。 P 元素对钢材的影响在低温时尤其明显，因此认为P 可以增大钢材的冷脆性。 P 元素在钢材中是需要严格限制质量分数的元素：普通钢中P 的质量分数≤0.045%；优质钢中要求P 的质量分数≤0.035%；高级优质钢中P 的质量分数≤0.030%；特级优质钢中P 的质量分数≤0.025%。

2.5 硫（S）

S 元素的存在对钢材的危害甚至比P 还要大。由于铁矿石的原因，S 元素在钢铁中的存在形式为FeS，它的熔点约为985℃，大量存在于钢材的晶界处。当钢材在1000℃以上的高温进行压力加工时，FeS 会变为熔融状态，这就使得各个晶粒在界面处发生了晶界分离，钢材就会被破坏。因为这种现象常常在高温状态下发生，故认为S 元素能够加剧钢铁的热脆性。S 元素对钢铁危害极大，它的质量分数需要严格控制：普通钢中S 的质量分数≤0.050%；优质钢中要求S 的质量分数≤0.035%；高级优质钢中S 的质量分数≤0.020%；特级优质钢中P 的质量分数≤0.015%。

2.6 铬（Cr）

铬在压力容器用钢中出现得十分频繁，碳钢中Cr 元素的加入能够使钢材的各项性能得到极大的改善。对于碳质量分数较高的钢材，铬元素的加入能够在钢材热处理中有效细化晶粒，均匀组织，提高淬透性和耐腐蚀性。有些水下的压力容器设备采用的是含有Cr 元素的高合金钢，一个典型的钢种为0CCr18Ni9（304 不锈钢），有时候为了降低成本，会采取固相渗铬等工艺。此外，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。因此，铬元素是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。

2.7 镍（Ni）

Ni 元素与Cr 元素在我国钢铁冶炼史上是1965 年之后才开始出现的，最开始使用这两种元素的原因是，实践证明，镍是提高耐大气腐蚀钢性能的有效元素[5]。同时，特种设备钢材的总和性能要求比较高，要求钢有一定的强度、硬度以及韧性，与Cr 类似，镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。但由于镍价格的限制，目前很多学者在寻找廉价材料来代替合金元素镍，如近年来有学者研究以锰代镍的合金钢的性能。

2.8 钼（Mo）

钼对钢材的强度、抗蠕变能力有极大的改善作用，强化的原理是异类原子之间的相互作用[6]。钼（Mo）元素加入钢材中之后，会与钢材中的C、Fe 以及其他合金元素发生作用，钢材中各相原有的稳定性被打破，产生了一部分新相，令人欣喜的是产生的新相稳定性更好。

2.9 钛（Ti）

Ti 元素与许多非金属元素（C、N、O、S）都具有较强的亲和力，以C 为例，钛（Ti）可以与碳（C）形成具有较高硬度和稳定性的碳化物[7]，这些碳化物也可以作为晶核，在钢进行再结晶时，使晶粒更加细化，微观上的改善可以提高钢材整体的强度、硬度与耐磨性；钛（Ti）与硫（S）的结合也是值得注意的，由于Ti 和S 的亲和力比Fe 和S 的亲和力大，所以Ti 可以把S 从Fe 手中“夺回来”，一定程度上限制了FeS 的形成，Ti 在钢材中加入可以减少钢的热脆性。

2.10 钒（V）

V 在压力容器用钢材中的溶解度较高，一般钢材中V 元素作为合金元素时质量分数都在1%以下。与Ti 类似，V 也可以与C 形成硬度较高的碳化物，V 元素在高温下对于提高钢材抗氢腐蚀的能力效果显著。钒的另一特点是“亲氮性”，它可以“捕捉”到钢铁中自由形态的N 元素，形成氮化物粒子，有效地阻止奥氏体晶粒的长大，达到细化晶粒的目的。由此可见，V 与N 在合金元素中是一对搭档，需要配合使用，在缺少N 元素时，V 对钢材强度的提高作用并不明显。

2.11 铌（Nb）

钢铁的合金元素中铌（Nb）的含量一般都是比较小的，但是它的作用却不容小觑，它对提高钢材韧性有极大的作用。生产中，一般Nb 元素的质量分数在0.05%以下，Nb元素与C 元素可以形成稳定性较高的碳化物，能细化铁素体晶粒。当钢材整体铁素体晶粒性能良好时，韧性就会得到提高，但是当Nb 加入的质量分数大于0.05%时，提升效果不再十分明显。故有些用作储罐的压力容器选材，都会选用带有铌为合金元素的钢材。

通过以上对合金钢中诸多合金元素的逐个介绍，可以发现，钢材中合金元素合理的配比或使用可以改善钢的综合力学性能、淬透性、热稳定性和耐蚀性等[8]。将各个元素的特点总结起来，可以得到合金元素在压力容器用钢中，可以提高钢材的力学性能。