热处理工艺对3.5Ni钢组织和性能的影响

钢铁战士

为了应对世界范围的能源危机，中国正在紧锣密鼓建立石油战略储备体系，以应对油料供应中断、规避价格风险，也是国家能源安全战略的重要举措。根据中国“十二五”规划，未来五年将优化石化能源的发展，加快油气资源的开发，这将给低温服役条件下能源生产及存储设备制造行业提供广阔的市场及发展机遇，也会促进耐低温材料的发展。

3.5Ni钢又称3.5%Ni钢，是一种含Ni量为3.25～3.73%的超低温条件下服役的铁素体型钢，具有良好的低温韧性和较高的强度，被广泛应用于石油和空分制氧设备以及合成氨设备等，随着中国石油化工等能源行业的发展，3.5Ni低温钢的需求将与日俱增。
由于3.5Ni钢要求在-101℃的低温下仍具有良好的韧性，因此需要热轧后进行离线热处理，目前常用热处理工艺有正火（N）、正火＋回火（N＋T）、和淬火＋回火（Q＋T)，其中采用QT热处理的3.5Ni钢具有更高的强度和更好地韧性，可替代NT热处理的5Ni钢，用于LEG储罐项目。
中国海洋石油总公司的科技人员研究了N和N＋T工艺以及工艺参数对3.5Ni钢组织和力学性能的影响规律，探索最佳的热处理工艺参数及其韧化机制。
表1  实验所用3.5Ni钢化学成分如下  ω/%
C             Mn      Si          Ni          P             S
0.055    0.62     0.21     3.46      0.0046 0.0014


炼钢及轧制工艺路线为：铁水预处理→150t顶底复吹转炉→LF精炼→RH真空脱气处理→板坯连铸→步进梁式加热炉加热→高压水除鳞→3500mm炉卷轧机→矫直→精整。终轧厚度为20mm，在热轧板上取样进行热处理实验。通过拉伸和冲击试验以及OM和SEM的组织观察，研究了不同热处理工艺对3.5Ni低温钢显微组织和力学性能的影响，结果表明：
（1）3.5Ni钢正火后组织为铁素体基体加珠光体，带状组织较热轧态的显著弱化，铁素体晶粒尺寸细化。回火后，片层珠光体转变为颗粒状珠光体，带状组织较正火态进一步弱化，随着回火温度升高甚至能消除带状组织。
    （2）正火温度在800～890℃范围内时，N和N＋T工艺的低温韧性均随回火温度的增加先升高后降低，在860℃达到峰值。回火后，冲击韧性较单纯正火热处理的明显提高。
（3）3.5Ni钢采用N＋T热处理时，随着回火温度的升高，冲击功先增加后减少，在590～630℃范围内均保持较高值，最佳工艺为860℃正火＋590～630℃回火。