09MnNiD 低温压力容器锻件开发

文/吴杏格，陈志芳·太原重工股份有限公司技术中心张军峰·太原重型机械集团有限公司战略投资部

该项目依托低温甲醇洗压力容器产品，我公司负责该压力容器09MnNiD 锻件的生产，对我们来说既是机遇也是挑战。09MnNiD 低温压力容器在低温和较高压力下保证材料的各项综合性能，尤其是调质状态下，其低温冲击KV2≥47J(-70℃)，所以将09MnNiD 低温压力容器锻件的材料研究作为一项研究内容是十分有必要的。锻件的锻造生产以及调质后力学性能检测(尤其是低温冲击)将成为我们的主要研究内容。

预期目标：研制出一套完整、合理、符合实际生产要求的09MnNiD 低温压力容器锻件生产工艺，提高公司锻件生产的技术水平。

产品主要技术参数及指标

⑴锻造使用原材料冶炼方式：电渣重熔或电炉炉外精炼、真空脱气，化学成分见表1，低倍组织要求见表2，高倍组织要求见表3。

⑵锻造比≥5。

⑶按照JB/T 4727-2000《低温压力容器用低合金钢锻件》检，检验方法见表4。

⑷调质处理后，机械性能检测要求见表5。

取样规则按照JB/T 4727-2000《低温压力容器用低合金钢锻件》执行。

检验要求为一拉三冲，上述冲击功为三个试样实验结果的算术平均值，允许一个试样的冲击功低于平均值，但不能低于规定值的70%。

⑸按照JB/T 4730-2005《承压设备无损检测》UT 检。

研究攻关的方案

⑴材料检验。

1)材料的化学成分分析见表6。

表1 原材料化学成分(%)

表2 低倍组织要求

表3 高倍组织要求

表4 检验方法

表5 机械性能要求

表6 炉号59489 材料的化学成分(%)

2)低倍检测、硫印检测，均符合要求，检测结果见表7，高倍组织检测见表8。

3)原材料的超声波检测，其检测结果符合JB/T 4730-2005 级别的规定。

⑵根据图纸要求出具锻造工艺，锻造比≥5，按工艺锻造成形。

法兰的粗加工图及锻件工艺图如图1 所示。

⑶初步调质热处理工艺方案的确定。

根据09MnNiD 的材质上限进行了线性计算，确定了参数性的临界点，初步计算出09MnNiD 的 Ac1大致在724℃，Ac3大致在850℃，Ms 大致在530℃。

低温用钢理论上采用淬火+亚温淬火+高温回火的热处理工艺，此工艺对低碳低合金钢的调质处理在实践中是可行的。我们认为从理论上亚温淬火可以减少晶界夹杂物的析出，从而减少缺口的敏感性。故此我们的工艺性试验确定为两次淬火加高温回火，但淬火的冷却介质有待试验确定。

表8 高倍组织检测结果

图1 法兰的粗加工图及锻件工艺图

⑷-70℃试棒力学试验。

通过研究讨论，进行了三组淬火对比工艺试验，介质为油的两组，介质为水的一组，其中①为一次油淬火，②为两次油淬火，③为一次水淬火。结果见表9。

通过上述几组的工艺试验可以看出，②号两次油淬综合性能较好，水淬效果也还可以，但水淬不稳定。

⑸组织状态对低温韧性的影响。

1)晶粒度细化有利于提高塑性和变形抗力，细晶粒金属的变形不均匀性和由此引起的应力集中较小，在断裂前所能承受的塑性变形较大，因而低碳合金铁素体钢正断抗力主要取决晶粒度的大小，晶粒度越细，正抗力越大，当组织为超细晶粒(≥8 级)时，变形抗力远远大于粗晶粒的锻件。

2)单相组织的塑性、抵抗力远远比多相组织好，多相组织由于各相性能不同，而且多相基体间的机械分割使得塑性降低，变形抗力增大，若金属内两相变形性能相近，则金属的塑性为两相的平均值，但是当一相塑性好而另一相脆而硬，则变形在塑性好的相内进行，硬而脆的相在变形过程中起阻碍作用，如果硬而脆的相呈连续或不连续的网状分布于晶界上，会使锻件金属塑性大大降低，因而09MnNiD 调质后最佳组织应该为单相的回火索氏体。09MnNiD 试棒φ30mm 试验组织性能见表10。

⑹制定最终锻件热处理工艺。

经过大量的试验，最终决定09MnNiD 压力容器采用两次淬火(油淬)+高温回火热处理工艺，并对产品本体进行了热处理，调质后粗加工取样，法兰锻件取样如图2 所示。力学性能检测结果见表11。

表9 -70℃试棒力学试验检测结果

表10 09MnNiD 试棒试验组织性能

表11 力学性能检测结果

通过对09MnNiD 压力容器产品力学性能的检测，充分验证了两次淬火(油淬)+高温回火热处理工艺的可行性。

结束语

承揽的低温甲醇洗压力容器产品，全部锻件力学性能、超声波探伤一次性合格交货，实现了按计划开发新产品的目标。09MnNiD 低温甲醇洗压力容器产品的研制成功，不但给公司赢得了经济效益，也为公司赢得了信誉。两次淬火(油淬)+高温回火热处理工艺的成功应用，为公司以后低温用产品锻件的生产提供了技术支持，同时进一步提高了我分公司的市场竞争力。

图2 法兰锻件取样图