1、 提高16MnR鋼板抗拉強(qiáng)度的探討摘 要：對(duì)16MnR鋼板強(qiáng)度偏低的原因進(jìn)行了探討，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。鋼中MnS夾雜和少量的馬氏體、貝氏體組織是導(dǎo)致鋼板伸長率和沖擊性能不合格的主要原因，消除鋼板性能不合格的主要措施是降低鋼中的夾雜物和調(diào)整軋制和冷卻工藝。關(guān)鍵詞：鋼板；強(qiáng)度；成分1 前言16MnR鋼板是生產(chǎn)壓力容器的主要材料，廣泛應(yīng)用于壓力氣罐、氣瓶、反應(yīng)器、換熱器等設(shè)備的制造，是一種有較高技術(shù)含量的高附加值產(chǎn)品，為生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造了較高的效益，其性能是否可靠直接關(guān)系到使用者的安全。16MnR鋼是GB6654標(biāo)準(zhǔn)中的壓力容器用鋼，該鋼屬于低合金鋼，主要用于制造各類中低壓壓力容器，其使用條件復(fù)雜

2、，有的盛裝易燃、易爆物品，有的盛裝有毒物品，這些易燃易爆，有毒物品一旦泄漏，將會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染并危害人身安，因此容器的質(zhì)量好壞是保證人身安全，防止環(huán)境污染的關(guān)鍵所在。所以，16MnR作為壓力容器用鋼應(yīng)具備以下要求：第一要具有足夠的強(qiáng)度。按現(xiàn)行壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，受壓部件的強(qiáng)度計(jì)算是以彈性失效為計(jì)算準(zhǔn)則，以理想化的薄殼理論為依據(jù)，雖然已經(jīng)考慮了安全系數(shù)，但在開孔和幾何形狀不連續(xù)處的局部應(yīng)力巳接近或達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，因此16MnR鋼必須具備足夠的強(qiáng)度，特別是在經(jīng)過熱加工和多次熱處理后要求鋼材仍應(yīng)保證強(qiáng)度性能下低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，第二要具有良好的塑性和韌性。壓力容器用鋼具有足夠的塑性和韌性儲(chǔ)備

3、是壓力容器抗脆斷的必要條件之一，也是壓力容器各種部件，封頭，筒體，卷制，熱壓成形制造工藝的需要。第三要具有優(yōu)良的焊接性。壓力容器用鋼具有優(yōu)良的焊接性能是保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量的首要條件。第四要具有高的耐蝕性。壓力容器用鋼具有足夠的耐蝕性以確保壓力容器的長期安全運(yùn)行。目前很多公司生產(chǎn)的16MnR鋼板的性能雖然大部分能滿足用戶的要求，但質(zhì)量還不太穩(wěn)定，其關(guān)鍵的性能指標(biāo)，尤其是強(qiáng)度指標(biāo)合格率還較低，在一定程度上制約了公司容器板的銷售和新品種的開發(fā)。本文通過對(duì)某公司生產(chǎn)的16MnR鋼板的性能統(tǒng)計(jì)和現(xiàn)場調(diào)查，分析了影響性能的主要原因，并就此問題提出了相應(yīng)的解決措施。目錄1、1碳、錳含量的調(diào)整1、2硫含量的控制

4、1、3帶狀組織1、4軋制溫度對(duì)冷彎性能的影響2影響16MnR強(qiáng)度的原因21原料的影響22控制軋制和控制冷卻221控制軋制222控制冷卻3改進(jìn)措施一、16MnR鋼板性能現(xiàn)狀16MnR鋼的主要強(qiáng)化元素是C、Mn，C、Mn含量與16MnR鋼的冷彎合格率關(guān)系見表1。由表1可看出碳當(dāng)量增加，冷彎合格率下降，所以對(duì)于16MnR不應(yīng)靠提高碳當(dāng)量來達(dá)到強(qiáng)化目的，而應(yīng)以合金強(qiáng)化，同時(shí)降低碳當(dāng)量。表1 碳、錳含量與16MnR冷彎合格率的關(guān)系元素含量/總批數(shù)/批冷彎合格批數(shù)/批冷彎合格率/C含量0.12771000.130.15814758.00.160.19351645.7Mn含量1.201.35181372.2

5、1.361.49322371.91.51.78675.0Mn對(duì)16MnR冷彎性能影響不大。因此，對(duì)于16MnR可適當(dāng)提高M(jìn)n含量，但Mn含量超過一定范圍，會(huì)對(duì)沖擊韌性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。采用碳當(dāng)量來綜合衡量C、Mn對(duì)冷彎合格率的影響，見表2。由表2可見，碳當(dāng)量控制為036042綜合效果較好，實(shí)際冶煉時(shí)可以考慮C控制為0.130.16，Mn控制為1.351.55。表2 碳當(dāng)量與冷彎合格率的關(guān)系碳當(dāng)量Ceq0.360.370.420.42總批數(shù)/批307419冷彎合格批數(shù)/批21499冷彎合格率/70.066.247.41.2 硫含量的控制16MnR中的S和Mn較易形成含有少量硫化鐵等夾雜的硫化錳固溶體

6、，MnS是一種非常容易變形的夾雜物，其變形指數(shù)接近于1。在軋制過程中MnS發(fā)生變形，并延伸成條帶狀，使鋼材的橫向塑性大幅度下降。隨著夾雜物級(jí)別的增加，冷彎合格率明顯下降，且塑性夾雜影響明顯。對(duì)試樣冷彎后在裂紋部位進(jìn)行了剖切取樣，通過在高倍顯微鏡下觀察，看出塑性夾雜以灰色的MnS為主，并有一定的長度與數(shù)量；而條帶狀的深灰色塑性夾雜(硅酸鹽夾雜)較少。MnS夾雜破壞了16MnR的連續(xù)性，當(dāng)板材受到外加載荷時(shí)，夾雜物引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋼板提前產(chǎn)生裂紋。在冷彎時(shí)，因試樣上部受拉應(yīng)力，拉應(yīng)力方向與軋向垂直，而軋向硫化物細(xì)長，故產(chǎn)生的顯微孔洞比較大，因此在受到與其垂直的拉應(yīng)力時(shí)，易使顯微孔洞相連而層狀向內(nèi)

7、發(fā)展，從而導(dǎo)致冷彎裂紋或裂斷。高倍顯微鏡觀察，評(píng)級(jí)為1級(jí)的塑性夾雜(硫化物)短小而分散，且數(shù)量少，冷彎時(shí)不易產(chǎn)生裂紋。故要提高16MnR冷彎性能，必須降低鋼中硫含量。表3為硫含量與冷彎合格率之間的關(guān)系。由表3可看出，S0.015時(shí)冷彎合格率較高。表3 硫含量與冷彎的關(guān)系硫含量/0.0150.0160.0200.020總批數(shù)/批454038冷彎合格批數(shù)/批352520合格率/88.062.552.61.3 帶狀組織帶狀組織對(duì)冷彎合格率的影響在高溫奧氏體狀態(tài)下，16MnR鋼中C的分布比較均勻，而富含Mn等溶質(zhì)的元素仍處于枝晶間，Mn可以擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，使A3線降低，16MnR鋼在熱變形后，從奧氏體

8、相區(qū)冷卻時(shí)，鐵素體將首先在A3溫度較高的枝干部位產(chǎn)生，隨著鐵素體品核長大，碳不斷在向富含碳錳等溶質(zhì)、A3溫度較低的枝間擴(kuò)散，最后使富含碳錳等雜質(zhì)的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，從而使16MnR軋后呈帶狀組織，帶狀組織使16MnR橫向塑性明顯變壞。在鋼中加入的微量的Nb不僅可以提高鋼的屈服強(qiáng)度，而且可以降低C的含量(在屈服強(qiáng)度不降的情況下)，這樣帶狀組織的級(jí)別可以減小，同時(shí)也細(xì)化了晶粒。帶狀組織與16MnR冷彎性能合格率的關(guān)系見表4。由表4可以看出隨帶狀組織級(jí)別提高，冷彎性能合格率下降。表4 帶狀組織與冷彎關(guān)系項(xiàng)目帶狀組織級(jí)別11.522.5總批數(shù)/批60193212冷彎合格批數(shù)/批4210144冷彎合格

9、率/70.052.643.833.3帶狀組織存在顯微碳錳偏析，解決或減輕帶狀組織最根本的方法是減輕一次帶狀的偏析程度。為減輕16MnR鋼鑄坯組織偏析，應(yīng)盡可能降低硫、磷含量，并設(shè)法促使連鑄坯中心凝固等軸晶化。體現(xiàn)到工藝操作上就是盡可能采用低溫澆注、低速澆注和強(qiáng)化電磁攪拌。從機(jī)械上考慮就是設(shè)法防止鑄坯坯殼鼓肚。減輕帶狀組織的另一個(gè)方法是抑制或減輕一次帶狀組織對(duì)二次帶狀組織的影響。在無軋后熱處理的情況下。可加快鋼板軋后冷卻速度，以抑制碳在一次帶狀組織基礎(chǔ)上的長距離擴(kuò)散，或者適當(dāng)提高連鑄坯加熱溫度，使奧氏體晶粒尺寸超過一次帶狀組織的條帶度。1.4 軋制溫度對(duì)冷彎性能的影響低的軋制溫度，特別是較低的終

10、軋溫度，可以導(dǎo)致軋制產(chǎn)品有明顯的結(jié)晶學(xué)織構(gòu)，這種織構(gòu)強(qiáng)烈影響鋼板的力學(xué)性能，而終軋溫度對(duì)冷彎性能的影響，主要是通過改善非金屬夾雜分布來影響寬冷彎性能的。低溫軋制會(huì)使鋼的帶狀組織嚴(yán)重，同時(shí)MnS在溫度降低時(shí)比鋼更具有可塑性，易延伸成條帶狀，對(duì)冷彎性能不利。MnS在800900左右隨著軋制溫度的降低，塑性逐漸變好。在16MnR的生產(chǎn)中，同一坯料采用了不同的終軋溫度，并統(tǒng)計(jì)了其冷彎合格率，如表5所示。表5 終軋溫度對(duì)冷彎性能的影響終軋溫度/取樣批數(shù)帶狀組織級(jí)別/級(jí)冷彎合格率/晶粒度740780182.524.89.5780800241.543.49.09.5800820261263.39.08208

11、402511.570.28.59.084087020174.68.08.5從表5可以看出，隨著終軋溫度的提高。16MnR鋼帶狀組織級(jí)別降低，冷彎性能明顯改善，但終軋溫度升高，晶粒變粗。對(duì)力學(xué)性能不利。總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為終軋溫度為800840時(shí)可二者兼顧，16MnR鋼綜合力學(xué)性能較好。通過對(duì)某公司2006年19月生產(chǎn)的896批16MnR鋼板的統(tǒng)計(jì)，得到了各項(xiàng)性能指標(biāo)的數(shù)值范圍，通過與國家標(biāo)準(zhǔn)的比較得到了如下結(jié)果(見表6)。表6 2006年19月生產(chǎn)的16MnR性能指標(biāo)分類延伸率/沖擊功/J抗拉強(qiáng)度/MPa國家標(biāo)準(zhǔn)2131490640平均值2759535數(shù)值波動(dòng)范圍24324070455600結(jié)論

12、 較好，有一定富余量 較好，有一定富余量 指標(biāo)偏低，波動(dòng)在標(biāo)準(zhǔn)的中下限通過以上分析，可見容器板的塑性、韌性均較好，且有一定富余量，只有強(qiáng)度指標(biāo)較低，研究具體不合格批次的強(qiáng)度數(shù)值發(fā)現(xiàn)，不合格批次的強(qiáng)度指標(biāo)都略低于標(biāo)準(zhǔn)下限，與標(biāo)準(zhǔn)下限最大差為35MPa，平均差為12MPa。本文把如何提高16MnR鋼板的抗拉強(qiáng)度作為研究對(duì)象。二、 影響16MnR強(qiáng)度的原因21 原料的影響通過分析得出，坯料的化學(xué)成分對(duì)16MnR的強(qiáng)度指標(biāo)有一定影響。表7 合格批次與不合批次成分均值對(duì)比 CeqCSiMnPS68批不合格批次的平均含量0.370.140.321.360.0180.01719月合格批次的平均含量0.400

13、.160.331.420.0200.015為了更加深入分析成分的影響，又將不合格鋼板的板坯成分與合格板坯的成分對(duì)比(見表7)可見，碳低了O.02，錳低了O.06 ，碳當(dāng)量低了O.0 3。進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)理分析發(fā)現(xiàn)，碳當(dāng)量>O.40的批次，抗拉強(qiáng)度合格率達(dá)9953；而碳當(dāng)量<0.40的批次，抗拉強(qiáng)度合格率僅為92.59。碳當(dāng)量>O.40 ，平均抗拉強(qiáng)度為555 MPa；碳當(dāng)量<0.40，平均抗拉強(qiáng)度為530 MPa，相差25MPa。16MnR鋼板中含有的主要元素有碳、錳、硅、硫、磷，其中碳、錳元素對(duì)組織、性能的影響較大，一般隨著碳含量增加，鋼材的強(qiáng)度提高；錳作為有益元素，既可

14、以降低有害元素硫的不利影響，減少熱脆性，同時(shí)在鋼中又起到強(qiáng)化鐵素體和細(xì)化晶粒的作用，可提高鋼的強(qiáng)度。基于上述理論分析，綜合分析原料成分，不合格批次與合格批次的成分對(duì)比均為碳、錳的含量對(duì)抗拉強(qiáng)度值的影響是較大的，增加碳、錳含量可提高強(qiáng)度。22 控制軋制和控制冷卻221控制軋制控制軋制主要是通過控制加熱制度、軋制制度等工藝參數(shù)，控制奧氏體晶粒大小和相變產(chǎn)物的組織狀態(tài)，從而達(dá)到控制鋼材組織性能的目的。經(jīng)過控制軋制，可細(xì)化奧氏體晶粒或增多變形奧氏體晶粒內(nèi)部的滑移帶，即增加有效晶界面積，為相變時(shí)鐵素體形核提供更多、更分散的形核位置，得到細(xì)小分散的鐵素體和珠光體，從而達(dá)到提高鋼的強(qiáng)度，改善其韌性的目的。目

15、前在16MnR鋼板的實(shí)際生產(chǎn)中采用的控制軋制方法就是在奧氏體區(qū)域盡量降低軋制溫度，同時(shí)增大壓下量。為了控制終軋溫度，一般都在軋到4050mm厚度時(shí)進(jìn)行一段時(shí)間的待溫，使其終軋溫度降至Ar3左右(大約860)再進(jìn)行軋制。采用以上方法雖然使鋼板性能有所改善，但其強(qiáng)度指標(biāo)仍較低。為了進(jìn)一步提高其強(qiáng)度，進(jìn)行了大量現(xiàn)場試驗(yàn)和研究，通過對(duì)鐵碳合金相圖的研究，發(fā)現(xiàn)如果將終軋溫度進(jìn)一步降低到以下(大約800)，則軋制進(jìn)入了奧氏體和鐵素體的兩相區(qū)(見圖1)。圖1 局部鐵碳相圖在兩相區(qū)溫度范圍軋制到一定道次，達(dá)到一定的變形量，則會(huì)使剩余的未再結(jié)晶奧氏體晶粒由于變形而繼續(xù)沿軋制方向被拉長，并且在晶粒內(nèi)形成新的變形帶

16、和新的位錯(cuò)，在這些部位形成新的鐵素體晶粒。而先析出的鐵素體晶粒又承受塑性變形，在鐵素體晶粒內(nèi)部形成大量位錯(cuò)，并經(jīng)回復(fù)形成亞結(jié)構(gòu)。這些亞結(jié)構(gòu)使鋼的強(qiáng)度提高、脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。基于這一理論，在生產(chǎn)中適當(dāng)降低了終軋溫度，由原來的860降至800以下進(jìn)行軋制，產(chǎn)品的強(qiáng)度均有所提高，試驗(yàn)了100批，僅2批不合格，合格率為98。可見終軋溫度對(duì)強(qiáng)度的影響較大，降低終軋溫度，可提高強(qiáng)度。在兩相區(qū)軋制，一定要注意第二軋程的總壓下率。如果以較小變形量軋制時(shí)，鐵素體晶粒僅被拉長，而晶內(nèi)不形成亞晶，對(duì)鋼板的強(qiáng)度影響不大。還有在兩相區(qū)軋制，因鋼板中間待溫時(shí)間長，降低了生產(chǎn)節(jié)奏，對(duì)軋機(jī)工作機(jī)座、軋輥的強(qiáng)度、剛度及主傳動(dòng)能

17、力都有較高的要求。基于以上不足，兩相區(qū)軋制還不能作為常規(guī)方式，應(yīng)結(jié)合板坯的成分進(jìn)行調(diào)整，碳當(dāng)量較低的可將終軋溫度控制在800以下，使第二軋程或最后幾道次的軋制處于奧氏體與鐵素體的兩相區(qū)。222控制冷卻控制軋制提高了鋼的強(qiáng)韌性，但是如軋后冷卻速度太慢，則使晶粒容易再長大，降低鋼的力學(xué)性能，因此軋后必須配以適當(dāng)?shù)目刂评鋮s。大量科研成果和生產(chǎn)實(shí)踐表明，控制軋制之后，對(duì)鋼板進(jìn)行控制冷卻，可以達(dá)到提高強(qiáng)度而不損害鋼板韌性的要求。試驗(yàn)表明，經(jīng)控軋控冷軋制的16MnR鋼板其顯微組織是針狀鐵素體和彌散分布的細(xì)小珠光體，其鐵索體晶粒可比不噴水冷卻的細(xì)化12級(jí)。因此選擇合適的控制冷卻工藝，可以在不降低鋼板韌性的條件下提高鋼板的強(qiáng)度。 三、改進(jìn)措施提高16MnR鋼板強(qiáng)度的措施主要有以下兩方面：(1)提高原料板坯的碳當(dāng)量，煉鋼生產(chǎn)中將碳當(dāng)量均值控制在O.42左右，并減少其波動(dòng)范圍。(2)軋鋼廠應(yīng)根據(jù)原料碳當(dāng)量的不同制定不同的軋制工藝，對(duì)碳當(dāng)量較低的，要將終軋溫度控制在800以下，使第二軋程或最后幾道次的軋制處于奧氏體與鐵素體的兩相區(qū)，但不能低于Ar1。(3) 碳對(duì)16MnR鋼冷彎性能影響較大；錳對(duì)其影響較小。16MnR鋼成分應(yīng)控