摘要:为了验证热成型工艺对Q345Ｒ热轧钢板力学性能的影响，通过模拟成型热加工方法，采用正火处理Q345Ｒ热轧钢板，分析其力学性能和组织变化。结果表明，Q345Ｒ热轧钢板采用热成型工艺制备封头时，由于热成型过程中，轧制强化效果减弱，组织粗化、力学性能降低。因此Q345Ｒ热轧钢板不适合用于制作强度富裕度小的热成型封头。
关键词:力学性能;热成型;金相组织
中图分类号:TG156．4 文献标志码:A 文章编号:1673－4971(2016)01-0028-03
Q345Ｒ钢板是由原来的16Mng、16MnＲ和19Mng组合并成的［1］，具有良好的综合力学性能和工艺性能。目前，Q345Ｒ钢板是我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板，广泛应用于辅机和化工容器壳体设计。封头是用热轧钢板热成型的，成型后是否需要重新热处理，在HG/T20584《钢制化工容器制造技术要求》标准的加工和成型中规定为:热轧状态使用的钢材，热加工后一般可在加工状态使用。Q345Ｒ在《GB713—2008锅炉和压力容器用钢板》中其热处理状态为热轧、控轧或正火。由于热轧钢板的经济性，特别是控轧热轧钢板，在容器设计中，如能满足要求，一般首选控轧热轧钢板。按封头成型的控制温度，一般分为冷成型和热成型。冷压变形后(旋压也是在冷态下进行的)，封头的硬度、强度增大，塑性、韧性降低，出现加工硬化现象;同时由于成型原因，冷成型时尺寸精度和减薄量相对于热成型要差。根据GB150—2011规定:对于碳钢、低合金钢，成型后减薄量大于10%且变形率超过5%的，应在成型后进行相应热处理，恢复材料的性能。对于热成型，由于加热可以提高材料的塑性、降低变形抗力;相比于冷成型，其减薄量要小，而且成型尺寸好，能很好地满足尺寸要求。由于封头尺寸大、板厚，变形抗力很大，不易变形，同时为保证封头环缝的对接尺寸，一般采用热成型。Q345Ｒ钢的临界温度点Ac3为850℃左右，正火温度为880～940℃［2］，封头热成型时，一般采用将封头板料加热至950～980℃，即既要保证原材料充分奥氏体化、又要避免温度过高，造成晶粒粗大从而损害其理化性能。根据Q345Ｒ钢的临界温度点及封头成型工艺的要求确定封头热成型的加热温度，温度的制度应尽量提高加热温度，便于封头的压制及成型，同时避免钢加热时导致过热发生。我们制定了Q345Ｒ控制热轧钢板制备封头热成型工艺的加热温度，通过模拟成型热加工方法，采用正火处理Q345Ｒ控制热轧钢板，分析其力学性能和组织变化，为封头的热成型生产提供参考。
1试验材料
实验采用压力容器专用的Q345Ｒ钢板，其屈服强度为340MPa，状态分别为:热轧、控轧或正火。伸长率大于21%(60mm以上为20%)，0℃的V型冲击功大于41J，本实验采用26mm厚热轧钢板。根据Q345Ｒ钢冷却临界点Ar3(约820℃)［2］，压制时加热一般分为950～980℃和900～930℃两种情况(即终压温度在Ar3以上和以下两种情况)，工艺图见图1。因此分别采用975、915℃对钢板进行正火处理，分析钢板的力学性能变化。采用模拟封头热成型的加热过程对钢板进行处理，具体工艺参数，见图1。采用拉伸试验机、冲击试验机检测模拟处理态钢板的力学性能;研究正火处理对模拟封头成型处理Q345Ｒ钢板力学性能的影响;采用光学显微镜观察材料的组织。
2试验结果与分析
表1为Q345Ｒ钢板原材料化学成分及力学性能，表中数值是2次实验的评价值，A、B组原材料为不同批次的供货材料，可见不同批次的原材料力学性能有一定的差异。表2为经过975℃正火后钢板的力学性能，与表1中的力学性能比较，正火使Q345Ｒ的屈服强度从430MPa降低到305MPa;抗拉强度从560MPa下降到505MPa。对比A、B组原材料的数据，可知B组的力学性能高于A组，根据原材料的元素含量可知，B组试样中C、Mn含量比A试样高，这是其力学性能差异的主要原因。表3为920℃正火后钢板的力学性能，从表3可知，在920℃正火后Q345Ｒ的力学性能比原材料状态也有较大的降幅，力学性能与975℃正火一致。对比表2和表3可知，降低正火温度对Q345Ｒ热轧钢板力学性能没有改善，也就是说，采用Q345Ｒ热轧钢板制作容器封头，不适合采用热成型工艺。图2为Q345Ｒ钢板的金相组织形貌图，其中图2(a)为热轧态，具有明显的带状组织结构，晶粒度细小均匀;图2(b)和2(c)为正火态。由图可知，与热轧态相比，正火态的组织变粗;随着正火温度的升高，组织粗化，975℃正火的组织明显比915℃的大。正火导致组织的粗化是强度、冲击功等力学性能下降的原因。从表1、表2、表3及图2可知，热加工对热轧板的金相形貌、力学性能具有较大的影响。图2(a)为热轧态组织，通过控制加热温度、轧制温度、变形制度等工艺参数，控制奥氏体组织的变化规律和相变产物的组织形态，达到细化组织，获得高的强度和韧性，如表1数据所示。其控制轧制温度、压下量、冷却速度、以及终轧温度等措施，使钢板的性能达到良好的强韧性配比。良好的力学性能是因为γ相和α相相晶粒尺寸之间的联系，α组织的细化主要通过γ晶粒细化而达到;在非再结晶区进行最后的压制，在再结晶温度以下的变形生成“螺旋式加工”的γ晶粒组织，形成较细的α晶粒。热轧钢板通过形变后获得了较高的屈服强度、较低的冲击转变温度、良好的冷成型性、特别是冷弯性能，改善了韧性和焊接性［3］。在容器封头成型过程中，正火在提高热轧板成型工艺性能的同时，也降低了控轧控冷热轧钢板的抗拉强度，降低80～120MPa;与钢板热轧成型相比，由于封头成型过程中变形力比热轧力小很多，变形量几乎可以忽略，并且随后的冷却控制也不如热轧钢板，这样导致热轧钢板正火后其晶粒度比原始态粗大，见图2(b)和2(c)。考虑到热处理的需要，适当提高了钢的碳当量，虽然会导致热轧后钢板的延伸率或冲击功有所降低，但延伸率或冲击功可以采用正火处理获得提高［4－7］。
3结论
在915～975℃之间对Q345Ｒ热轧钢进行正火热处理，会导致其组织变粗，拉伸强度、冲击功等力学性能降低;因此对于强度要求较高，屈服强度富裕度小于20MPa的封头不宜采用热轧态Q345Ｒ钢板进行热成型工艺生产。
参考文献
［1］GB713—2008锅炉和压力容器用钢板［S］．
［2］王长明，辛忠仁，朱海鹰，等．碳钢和低合金钢制压力容器热成形封头的母材热处理试板和重新热处理的选择［J］．化工装备，2007(9):13－15，19．
［3］曹林瑞．热轧生产新工艺技术与生产设备操作实用手册［M］．北京:中国科技文化出版社，2011．
［4］刘朋，陈福山，宋雷明．中厚板正火工艺的研究与应用［J］．山东冶金，2009，31(4):58－59．
作者：朱超兵 银润邦 王筱磊 单位：东方电气集团东方锅炉股份有限公司
