热处理工艺对超厚Q345R(R-HIC)容器封头钢板显微组织和力学性能的影响

张 巧 刘 力 张洪伟

(1.二重(镇江)重型装备有限责任公司，江苏212000；2.二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

Q345R(R-HIC)钢作为在湿H2S腐蚀环境下可长期使用的低合金钢种，在原油品质不断降低，原油中含硫量持续增加的今天，有着广泛的应用前景[1]。为了保障材料的耐H2S腐蚀性能，钢厂除采用控轧控冷技术及微合金化等措施外，还需要对钢板的化学成分进行控制，制造出的钢板C、Mn等强化元素含量有限[2]，钢板强度处于中下限[3]。该类钢板在封头制造厂经过高温成型后进行恢复性能热处理时，易出现达不到强度下限要求的问题，特别是在超厚Q345R(R-HIC)容器制造中，这一问题尤为突出。由公司生产的某Q345R(R-HIC)钢石化容器壁厚达到272 mm，封头钢板达到146 mm，成型后采用钢厂推荐的热处理工艺进行恢复性能热处理，抗拉强度和屈服强度不合格。经过分析，这是由于钢板偏析成分波动造成的。本文通过实验，寻找不同正火温度对Q345R(R-HIC)钢厚板偏析组织和力学性能的影响。

1 试验材料及方法

试验用Q345R(R-HIC)钢板厚度146 mm，从某钢厂同批次采购，共16块，其中3块钢板出现偏析后强度不合格问题。对这3块钢板心部T/2位置化学元素成品分析的要求值和实测值见表1。

钢板经过945℃×3 h保温后出炉成型制成半球形封头，采用钢厂推荐热处理工艺进行恢复性能热处理后，力学性能检验结果不能满足产品要求。经过显微组织和性能试验分析，认为主要是钢厂未考虑厚板T/2处成分偏析，导致推荐的工艺参数仅适用于成分均匀、带状偏析较轻的钢板。而试验用钢板T/2位置的成分如表1所示，有较大波动，已经不再适用原热处理参数。为了减轻钢板心部的带状偏析对钢板强度和冲击韧性的不良影响，本实验采用提高正火温度的方法对钢板进行重新奥氏体化后水冷，提高高温保温温度，强化增加元素的扩散速率，从而实现成分均匀化，减轻偏析，改善钢板性能。钢厂推荐的热处理工艺和重新热处理工艺参数见表2。

表1 T/2位置化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition at T/2(mass fraction, %)

表2 热处理工艺参数Table 2 Heat treatment process parameters

对热处理后的试验钢检测力学性能和观察显微组织。试验钢的拉伸性能测试按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》要求，在拉伸试验机上进行，低温冲击韧性按照GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》要求，在摆锤冲击试验机上完成，其中缺口类型为V型，尺寸为2 mm。试验钢的显微组织分析采用金相显微镜进行观察。

2 试验结果与讨论

2.1 热处理对金相组织的影响

两次热处理后的钢板取样观察显微组织，如图1所示。两次热处理后试样的显微组织均为铁素体、珠光体和贝氏体的混合组织。在低倍数下(50倍)，可以看到条带状偏析沿轧制方向分布；放大至500倍，观察到条带状偏析的主要构成为贝氏体。

图1 两次热处理后封头钢板的显微组织Figure 1 Microstructure of head steel plateafter two heat treatments

对比两次热处理后的组织，主要有以下转变：

(1)在第二次热处理后，偏析带的宽度和数量都要少于第一次热处理后。这是由于第二次正火温度提高，聚集在偏析组织中的合金元素得到有效扩散。

(2)铁素体形状从尖锐的针片状转变为块状，贝氏体含量降低。提高正火温度后，较高的奥氏体化温度使得钢板轧制带中的成分得到均匀化，正偏析带的条状变形组织中C与合金元素含量下降，奥氏体转变温度提高，C曲线左移，贝氏体转变量下降，奥氏体在较高的温度就完成了向铁素体和珠光体的转变，相变的方式从切变/半切变转变为以扩散为主，故而大大减少了针片状铁素体和贝氏体的含量。

(3)珠光体含量降低。正火温度提高后，高温扩散使得偏析得到改善，偏析区域碳当量降低，相变过程形成的珠光体减少。

2.2 热处理对力学性能的影响

钢板经过两次热处理后的力学性能如表3所示，从力学性能试验结果来看，提高正火温度重新热处理对钢板力学性能的影响表现在以下两个方面：

表3 两次热处理后的力学性能Table 3 Mechanical properties after two heat treatments

(1)强度提高。三块钢板第一次热处理后其强度值均不能满足技术条件的要求。特别是抗拉强度，存在21～32 MPa的强度缺口，经过提高正火温度重新热处理后，强度得到明显改善，满足技术条件要求。原因主要是：提高奥氏体化温度促进了C和合金元素的迁移，使得铁素体基体中强化元素含量大大提高，从而提高了钢板的强度。从钢板的成品成分检验结果看，钢板T/2的碳含量在0.16%～0.20%之间波动，碳当量在0.38%～0.43%之间波动，仅宏观成分差已超过25%，微观偏析带上成分波动显然更加明显。提高正火温度后，C与其他合金元素充分扩散，增加了铁素体基体的晶格畸变和位错抗力，从而显著地提高了合金整体的屈服强度和抗拉强度，提高了钢板的整体强度。

(2)低温冲击韧性改善。提高正火温度后显著地改善了最小模拟焊后热处理状态下钢板的低温冲击韧性，即使回火时间较第一次热处理短，仍然消除了低温冲击吸收能量波动的现象。这是由于前文提到的组织形态变化，尖锐的针片状铁素体、沿晶分布的大块珠光体消失，从而提高了材料抵抗低温开裂的能力。

3 结论

(1)试验用146 mm厚Q345R(R-HIC)钢板中存在带状偏析，采用880℃×3 h钢厂推荐的工艺进行奥氏体化水冷后，偏析组织以贝氏体条带的形式存在；提高正火温度至910℃，带状偏析明显减轻，含量减少，铁素体形状从尖锐的针片状转变为块状，贝氏体、珠光体含量降低。

(2)提高正火温度热处理后试验用钢板的强度提高，低温冲击韧性的稳定性增加。