模压对压力容器板材韧性的影响

1、概述

　　模锻全焊接球阀是目前国内外市场上用量非常大的阀门之一,其关键在于采用模锻技术生产锻钢阀体,使产品造型美观、加工余量小,材质性能可靠,同时采用精密焊接完成阀体与法兰的连接。全焊接球阀质量好,免维护,强度高,质量轻,结构紧凑,是比较先进的产品。

图1　模锻壳体

2、试样选择

　　因模锻全焊接球阀(图1)阀体选用ASTM A516GR70压力容器板材,所以工艺试验使用的板材均为压力容器专用钢板(探伤II级,探伤标准JB/T473013-2005,交货状态为热轧正火) ,其试样尺寸为300mm ×400mm ×32mm,试样的主要化学成分见表1。

表1　试样的化学成分W t%

3、工艺试制

　　试样工艺试制流程如图2所示。

3.1、第一次试制

　　首次试制时, GR70试样锻前加热温度控制在920℃, 保温45min, 然后锻压成型并测试机械性能。测试表明, 通过加热和锻压, 材质的机械性能发生了变化(表2) , 尤其是低温冲击韧性的显著下降, 导致该产品不能够满足材质性能要求(虽然抗拉强度提高了21% , 屈服强度提高了32% ) 。由于这些异常现象, 对其进行了显微组织检测。在金相显微镜下, 显微组织呈现铁素体和珠光体形态, 部分铁素体呈针状和片状的魏氏组织, 铁素体晶粒度呈8级, 这说明材料的组织发生了改变。由于原始奥氏体晶粒比较粗大, 冷却速度又比较适宜, 导致先共析相有可能呈针状(片状) 形态与片状珠光体混合存在, 出现了大块铁素体和针状魏氏组织, 导致低温冲击韧性比较低。由此可见, 原始奥氏体晶粒粗大是降低钢的塑性和韧性的根本原因所在。在奥氏体晶粒大小相同的条件下, 具有魏氏组织的材质会使其强度性能有所提高, 其原因在于魏氏组织存在的同时, 铁素体晶粒及珠光体晶团均得到细化, 而且珠光体的相对量及分散程度有所增大, 从而提高了钢的强度, 但随之而来的韧性却降低不少。

图2　试样试制工艺流程

表2　机械性能

3.2、第二次试制

　　第二次试制时, 采用将压力加工与热处理结合起来的金属热处理工艺。加热温度控制在900℃进行奥氏体化, 保温60min, 出炉后使用212kW 排风扇快速空冷, 确保获得细微而致密的晶粒和组织。随后对其进行机械性能测试和低温冲击韧性测试, 冲击值分别为78J、80J和76J, 而且组织形态呈现出均匀的铁素体和珠光体(图3) 。正火结合快速空冷可使材质的晶粒来不及长大, 从而抑制组织的长大, 并能提高组织的形核速率, 可获得较为致密的组织结构和得到韧性较好的组织。根据这3组低温冲击数值的显示, 每组均有个别是低于冲击值22J的要求, 这在组织上形态大致是吻合的, 组织上除了铁素体、珠光体外, 还有局部区域是存在少量魏氏组织, 这些魏氏组织基本出现在奥氏体边缘, 针状体组织有往内部伸展的趋势。

(a) 100 ×　(b) 200 ×

图3　试样金相图

4、实际操作

　　在实际的锻压中, 以900℃的奥氏体化温度保温60m in, 出炉后迅速进行模压(模压的速度取决于操作工人对其的熟练程度) , 最好在较短的时间内对模具进行定位调整, 确保产品的尺寸精度,同时保证板材能够在奥氏体化区域内进行锻压, 在塑性区域内完成锻压过程。此工艺的关键应属冷却过程, 此时须以较快的速度将产品运送到冷却区域, 进行快速风冷, 风量和转速可根据产品的规格和壁厚等进行调整。本次对公称直径为36in.(900mm) , 壁厚为32mm的锻钢阀体模锻后, 采用功率为212kW , 风量20000m3/h, 转速145r/min冷却工件的工艺操作。对此产品进行低温冲击取样测试, 结果见表3。根据3组低温冲击数值的显示, 每组均有个别是低于冲击值22J 的要求, 这与组织上形态大致吻合(组织上除了铁素体、珠光体外, 还有局部区域是存在少量魏氏组织, 这些魏氏组织基本出现在奥氏体边缘, 针状体组织有往内部伸展的趋势) 。

表3　低温冲击值J

5、分析

　　韧性是金属材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力, 是强度和塑性的综合表现。正火对冲击韧性会有两种作用, 一方面加热可以消除热轧时产生的残余应力和畸变, 降低应力集中, 使强度下降, 塑性、韧性上升。但如加热温度不当或加热时间控制不好, 也会造成位错密度大幅度降低, 亚结构组织消失, 晶粒长大, 强度和韧性下降。特别是晶粒尺寸对钢的韧性有很重要的影响,因为晶粒越小,晶界总面积越大,裂纹扩张的阻力越大,晶界的位错数量将减少,也会有利于降低应力集中,晶界总面积增加,使晶界上的杂质浓度减少,避免产生沿晶脆性断裂。

　　(1)化学成分　材质中的S和P等杂质元素,会在奥氏体晶界产生偏聚,导致晶界脆化。材质中的Mn、Ni和Cr等元素与S和P杂质元素在晶界上发生偏聚,促进杂质元素的富集而加剧脆化。材质中的Mo等元素则相反,与P等杂质相互作用,可在晶内产生沉淀并阻碍P的晶界偏聚。

　　(2)奥氏体均匀化　为确保材质的塑性加工能力和保证设备运转安全,要使材料加热到塑性区域进行锻压。如使其完全达到奥氏体相变,加热温度过高,原子扩散速度过快,加之没有铁素体对其的阻碍作用,奥氏体及随后形成的铁素体、珠光体组织增大,会逐渐形成强度高而韧性差的粗大晶粒和魏氏组织,导致低温冲击韧性的下降。

　　(3)冷却速率　从奥氏体相开始析出铁素体起,由不同的壁厚和部位,其冷却速率也是不一致的,铁素体析出的速率也不相同,奥氏体晶界能持续支持铁素体的继续长大,故冷却过程关系到后期的组织形态及结构

6、结语

　　经检测结果汇总和生产工艺记录分析,板材在锻压后的空冷时,还存在不足,由于风扇的排风面积有限,产品的冷却过程存在不均匀现象,局部位置仍有受风速影响较小的区域,故先析出的铁素体有部分能够沿奥氏体边界在继续长大,从而出现铁素体魏氏组织。