1、 提高16MnR鋼板抗拉強度的探討摘 要：對16MnR鋼板強度偏低的原因進行了探討，并提出了相應的改進措施。鋼中MnS夾雜和少量的馬氏體、貝氏體組織是導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整軋制和冷卻工藝。關鍵詞：鋼板；強度；成分1 前言16MnR鋼板是生產壓力容器的主要材料，廣泛應用于壓力氣罐、氣瓶、反應器、換熱器等設備的制造，是一種有較高技術含量的高附加值產品，為生產企業創造了較高的效益，其性能是否可靠直接關系到使用者的安全。16MnR鋼是GB6654標準中的壓力容器用鋼，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，將會造成嚴重的環境污染并危害人身安，因此容器的質量好壞是保證人身安全，防止環境污染的關鍵所在。所以，16MnR作為壓力容器用鋼應具備以下要求：第一要具有足夠的強度。按現行壓力容器設計標準，受壓部件的強度計算是以彈性失效為計算準則，以理想化的薄殼理論為依據，雖然已經考慮了安全系數，但在開孔和幾何形狀不連續處的局部應力巳接近或達到材料的屈服強度，因此16MnR鋼必須具備足夠的強度，特別是在經過熱加工和多次熱處理后要求鋼材仍應保證強度性能下低于標準規定的下限值，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。第三要具有優良的焊接性。壓力容器用鋼具有優良的焊接性能是保證產品焊接質量的首要條件。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行。目前很多公司生產的16MnR鋼板的性能雖然大部分能滿足用戶的要求，但質量還不太穩定，其關鍵的性能指標，尤其是強度指標合格率還較低，在一定程度上制約了公司容器板的銷售和新品種的開發。本文通過對某公司生產的16MnR鋼板的性能統計和現場調查，分析了影響性能的主要原因，并就此問題提出了相應的解決措施。目錄1、1碳、錳含量的調整1、2硫含量的控制

4、1、3帶狀組織1、4軋制溫度對冷彎性能的影響2影響16MnR強度的原因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改進措施一、16MnR鋼板性能現狀16MnR鋼的主要強化元素是C、Mn，C、Mn含量與16MnR鋼的冷彎合格率關系見表1。由表1可看出碳當量增加，冷彎合格率下降，所以對于16MnR不應靠提高碳當量來達到強化目的，而應以合金強化，同時降低碳當量。表1 碳、錳含量與16MnR冷彎合格率的關系元素含量/總批數/批冷彎合格批數/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16MnR冷彎性能影響不大。因此，對于16MnR可適當提高Mn含量，但Mn含量超過一定范圍，會對沖擊韌性產生嚴重影響。采用碳當量來綜合衡量C、Mn對冷彎合格率的影響，見表2。由表2可見，碳當量控制為036042綜合效果較好，實際冶煉時可以考慮C控制為0.130.16，Mn控制為1.351.55。表2 碳當量與冷彎合格率的關系碳當量Ceq0.360.370.420.42總批數/批307419冷彎合格批數/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，其變形指數接近于1。在軋制過程中MnS發生變形，并延伸成條帶狀，使鋼材的橫向塑性大幅度下降。隨著夾雜物級別的增加，冷彎合格率明顯下降，且塑性夾雜影響明顯。對試樣冷彎后在裂紋部位進行了剖切取樣，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的連續性，當板材受到外加載荷時，夾雜物引起應力集中，導致鋼板提前產生裂紋。在冷彎時，因試樣上部受拉應力，拉應力方向與軋向垂直，而軋向硫化物細長，故產生的顯微孔洞比較大，因此在受到與其垂直的拉應力時，易使顯微孔洞相連而層狀向內

7、發展，從而導致冷彎裂紋或裂斷。高倍顯微鏡觀察，評級為1級的塑性夾雜(硫化物)短小而分散，且數量少，冷彎時不易產生裂紋。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系。由表3可看出，S0.015時冷彎合格率較高。表3 硫含量與冷彎的關系硫含量/0.0150.0160.0200.020總批數/批454038冷彎合格批數/批352520合格率/88.062.552.61.3 帶狀組織帶狀組織對冷彎合格率的影響在高溫奧氏體狀態下，16MnR鋼中C的分布比較均勻，而富含Mn等溶質的元素仍處于枝晶間，Mn可以擴大奧氏體相區，使A3線降低，16MnR鋼在熱變形后，從奧氏體

8、相區冷卻時，鐵素體將首先在A3溫度較高的枝干部位產生，隨著鐵素體品核長大，碳不斷在向富含碳錳等溶質、A3溫度較低的枝間擴散，最后使富含碳錳等雜質的奧氏體轉變為珠光體，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度，而且可以降低C的含量(在屈服強度不降的情況下)，這樣帶狀組織的級別可以減小，同時也細化了晶粒。帶狀組織與16MnR冷彎性能合格率的關系見表4。由表4可以看出隨帶狀組織級別提高，冷彎性能合格率下降。表4 帶狀組織與冷彎關系項目帶狀組織級別11.522.5總批數/批60193212冷彎合格批數/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，應盡可能降低硫、磷含量，并設法促使連鑄坯中心凝固等軸晶化。體現到工藝操作上就是盡可能采用低溫澆注、低速澆注和強化電磁攪拌。從機械上考慮就是設法防止鑄坯坯殼鼓肚。減輕帶狀組織的另一個方法是抑制或減輕一次帶狀組織對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上的長距離擴散，或者適當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，可以導致軋制產品有明顯的結晶學織構，這種織構強烈影響鋼板的力學性能，而終軋溫度對冷彎性能的影響，主要是通過改善非金屬夾雜分布來影響寬冷彎性能的。低溫軋制會使鋼的帶狀組織嚴重，同時MnS在溫度降低時比鋼更具有可塑性，易延伸成條帶狀，對冷彎性能不利。MnS在800900左右隨著軋制溫度的降低，塑性逐漸變好。在16MnR的生產中，同一坯料采用了不同的終軋溫度，并統計了其冷彎合格率，如表5所示。表5 終軋溫度對冷彎性能的影響終軋溫度/取樣批數帶狀組織級別/級冷彎合格率/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鋼帶狀組織級別降低，冷彎性能明顯改善，但終軋溫度升高，晶粒變粗。對力學性能不利。總結生產經驗，認為終軋溫度為800840時可二者兼顧，16MnR鋼綜合力學性能較好。通過對某公司2006年19月生產的896批16MnR鋼板的統計，得到了各項性能指標的數值范圍，通過與國家標準的比較得到了如下結果(見表6)。表6 2006年19月生產的16MnR性能指標分類延伸率/沖擊功/J抗拉強度/MPa國家標準2131490640平均值2759535數值波動范圍24324070455600結論

12、 較好，有一定富余量 較好，有一定富余量 指標偏低，波動在標準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，只有強度指標較低，研究具體不合格批次的強度數值發現，不合格批次的強度指標都略低于標準下限，與標準下限最大差為35MPa，平均差為12MPa。本文把如何提高16MnR鋼板的抗拉強度作為研究對象。二、 影響16MnR強度的原因21 原料的影響通過分析得出，坯料的化學成分對16MnR的強度指標有一定影響。表7 合格批次與不合批次成分均值對比 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比(見表7)可見，碳低了O.02，錳低了O.06 ，碳當量低了O.0 3。進一步進行數理分析發現，碳當量>O.40的批次，抗拉強度合格率達9953；而碳當量<0.40的批次，抗拉強度合格率僅為92.59。碳當量>O.40 ，平均抗拉強度為555 MPa；碳當量<0.40，平均抗拉強度為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、錳元素對組織、性能的影響較大，一般隨著碳含量增加，鋼材的強度提高；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，同時在鋼中又起到強化鐵素體和細化晶粒的作用，可提高鋼的強度。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比均為碳、錳的含量對抗拉強度值的影響是較大的，增加碳、錳含量可提高強度。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，控制奧氏體晶粒大小和相變產物的組織狀態，從而達到控制鋼材組織性能的目的。經過控制軋制，可細化奧氏體晶粒或增多變形奧氏體晶粒內部的滑移帶，即增加有效晶界面積，為相變時鐵素體形核提供更多、更分散的形核位置，得到細小分散的鐵素體和珠光體，從而達到提高鋼的強度，改善其韌性的目的。目

15、前在16MnR鋼板的實際生產中采用的控制軋制方法就是在奧氏體區域盡量降低軋制溫度，同時增大壓下量。為了控制終軋溫度，一般都在軋到4050mm厚度時進行一段時間的待溫，使其終軋溫度降至Ar3左右(大約860)再進行軋制。采用以上方法雖然使鋼板性能有所改善，但其強度指標仍較低。為了進一步提高其強度，進行了大量現場試驗和研究，通過對鐵碳合金相圖的研究，發現如果將終軋溫度進一步降低到以下(大約800)，則軋制進入了奧氏體和鐵素體的兩相區(見圖1)。圖1 局部鐵碳相圖在兩相區溫度范圍軋制到一定道次，達到一定的變形量，則會使剩余的未再結晶奧氏體晶粒由于變形而繼續沿軋制方向被拉長，并且在晶粒內形成新的變形帶

16、和新的位錯，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，在鐵素體晶粒內部形成大量位錯，并經回復形成亞結構。這些亞結構使鋼的強度提高、脆性轉變溫度降低。基于這一理論，在生產中適當降低了終軋溫度，由原來的860降至800以下進行軋制，產品的強度均有所提高，試驗了100批，僅2批不合格，合格率為98。可見終軋溫度對強度的影響較大，降低終軋溫度，可提高強度。在兩相區軋制，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，鐵素體晶粒僅被拉長，而晶內不形成亞晶，對鋼板的強度影響不大。還有在兩相區軋制，因鋼板中間待溫時間長，降低了生產節奏，對軋機工作機座、軋輥的強度、剛度及主傳動能

17、力都有較高的要求。基于以上不足，兩相區軋制還不能作為常規方式，應結合板坯的成分進行調整，碳當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。222控制冷卻控制軋制提高了鋼的強韌性，但是如軋后冷卻速度太慢，則使晶粒容易再長大，降低鋼的力學性能，因此軋后必須配以適當的控制冷卻。大量科研成果和生產實踐表明，控制軋制之后，對鋼板進行控制冷卻，可以達到提高強度而不損害鋼板韌性的要求。試驗表明，經控軋控冷軋制的16MnR鋼板其顯微組織是針狀鐵素體和彌散分布的細小珠光體，其鐵索體晶粒可比不噴水冷卻的細化12級。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度。 三、改進措施提高16MnR鋼板強度的措施主要有以下兩方面：(1)提高原料板坯的碳當量，煉鋼生產中將碳當量均值控制在O.42左右，并減少其波動范圍。(2)軋鋼廠應根據原料碳當量的不同制定不同的軋制工藝，對碳當量較低的，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，但不能低于Ar1。(3) 碳對16MnR鋼冷彎性能影響較大；錳對其影響較小。16MnR鋼成分應控