410不銹鋼材料零下29℃低溫沖擊性能穩(wěn)定化鍛造工藝研究

楊代貴 馮進(jìn) 任俊寶 吳偉民

摘 要：AISI 410馬氏體不銹鋼材料是性價(jià)比理想的耐FF級(jí)酸性工況的石油設(shè)備制造材料，但其低溫脆性的局限性影響了它在低溫工況的應(yīng)用。在煉鋼、鍛造和熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的高溫δ鐵素體相是根本原因，文章對(duì)不同鍛造溫度下δ鐵素體相的產(chǎn)生進(jìn)行了試驗(yàn)和分析，最終找到了一種最適宜的鍛造溫度，可以穩(wěn)定地制造適用于零下29℃低溫工況的410材料。

關(guān)鍵詞：410不銹鋼；-29℃低溫沖擊；δ鐵素體相；鍛造工藝

中圖分類號(hào)：TG316 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）01-0097-05

Abstract： AISI 410 Martensitic stainless steel is an ideal material for the manufacture of petroleum equipment which is resistant to FF-class acid condition， but its low temperature brittleness limits its application in low temperature condition. The high temperature δ ferrite phase produced in the process of steel-making， forging and heat treatment is the fundamental reason. In this paper， the formation of δ ferrite phase at different forging temperatures is tested and analyzed， and finally the most suitable forging temperature is found. The 410 materials suitable for working at 29 ℃ below zero temperature can be stably manufactured.

Keywords： 410 stainless steel； -29 ℃ low temperature impact； δ ferrite phase； forging process

前言

AISI 410材料因?yàn)槠漭^高的強(qiáng)度、良好的耐腐蝕能力而在石油設(shè)備上得到了廣泛使用，被認(rèn)為是FF級(jí)酸性工況性價(jià)比較好的材料。但是其低溫脆性的局限性影響了它在加拿大、俄羅斯等亞寒帶和寒帶氣候地區(qū)的應(yīng)用。為了擴(kuò)大410材料的使用范圍，有必要對(duì)410材料的脆性機(jī)理和熱加工工藝進(jìn)行研究。

本文通過(guò)在不同的鍛造溫度下對(duì)410鍛件進(jìn)行了試制，用沖擊試驗(yàn)和金相試驗(yàn)的方法，對(duì)410材料在不同鍛造溫度下δ鐵素體的形成進(jìn)行了分析，以揭示δ鐵素體相影響410材料低溫脆性的本質(zhì)，從而減少在鍛造過(guò)程中出現(xiàn)δ鐵素體的可能性。

1 410材料的化學(xué)元素和作用

表1為世界某著名石油設(shè)備制造商的材料化學(xué)成分要求。

C是不銹鋼中的主要元素之一，也是馬氏體不銹鋼中的重要強(qiáng)化元素，它強(qiáng)烈地促進(jìn)奧氏體的形成，但碳在鋼中極易和其它合金元素如Cr生成（Cr·Fe）23C6。并在晶界處析出，造成晶界貧鉻，導(dǎo)致不銹鋼的晶界腐蝕敏感性。

Cr是不銹鋼中最重要的合金元素，它能溶入鐵素體中，擴(kuò)大鐵素體區(qū)，縮小和封閉奧氏體區(qū)。Cr易與碳生成Cr7C3、Cr23C6等兩種碳化物。

Ni是增大奧氏體穩(wěn)定性和擴(kuò)大奧氏體區(qū)，縮小鐵素體和（鐵素體+奧氏體）區(qū)的元素，它也是形成奧氏體的元素，加入適量的Ni可得到單一組織奧氏體不銹鋼。Ni減少δ鐵素體的含量。

Mn的作用和Ni相似，能擴(kuò)大奧氏體區(qū)，提高奧氏體的穩(wěn)定性，但價(jià)格便宜，常用來(lái)代替貴重元素Ni。

C、Fe和Cr在不銹鋼中的存在方式：由于它們各自的化學(xué)反應(yīng)能力，其存在方式為游離態(tài)、化合物態(tài)FeC3和Cr23C6。C的原子量12，F(xiàn)e的原子量為56，Cr的原子量52。在FeC3中C和Fe的重量比為（56*1）/（12*3）=1.56：1；在Cr23C6中Cr和C的重量比為（52*23）/（12*6）=16.61：1。由于410材料中含量只有010-0.15%，而Cr含量為11.5-13.5%，F(xiàn)e含量高達(dá)84%以上，在形成FeC3和Cr23C6后，存在大量的游離Fe和Cr，同時(shí)由于C、Fe和Cr的化學(xué)反應(yīng)能力不是特別強(qiáng)，一部分C沒(méi)有參與化學(xué)反應(yīng)，以游離態(tài)的形式存在于鐵素體的間歇固溶體中。

δ鐵素體的形成機(jī)理：間歇固溶體中的C、Fe和Cr等游離態(tài)元素，當(dāng)加熱到一定溫度時(shí)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化合物FeC3和Cr23C6析出，造成此處的間歇固溶體“貧碳”“貧鉻”，變成不含強(qiáng)化元素C和Cr的鐵素體?！八亍闭?，顧名思義，什么強(qiáng)化元素都沒(méi)有，因此鐵素體的強(qiáng)度很低。同時(shí)Cr23C6的強(qiáng)度和硬度很高、脆性很大，加上“木桶理論”中的短板效應(yīng)，δ鐵素體所在位置材料的強(qiáng)度很低、脆性很大。

2 合格410原材料，不同鍛造溫度下材料機(jī)械性能和δ鐵素體含量變化的試驗(yàn)研究

2.1 鍛造原材料的準(zhǔn)備

為了完成這項(xiàng)研究，首先需要確定410原材料是合格的。我們采用了電渣重熔鋼錠，其生產(chǎn)流程為：電爐冶煉+真空精煉+電渣重熔（EF-VD-ESR）。

原材料進(jìn)行了檢驗(yàn)，成分偏析、夾雜、疏松等的合格率100%，可不考慮它們的不利影響。

從鋼廠提供的質(zhì)量證明書(shū)可以看到其H含量一般都小于1.8PPm，因此鍛后熱處理只考慮消除鍛造應(yīng)力、穩(wěn)定組織、降低硬度等即可，而不用擔(dān)心白點(diǎn)的產(chǎn)生。

由于電渣重熔鋼錠從鋼水澆注、凝固直至冷卻過(guò)程跨越的溫度區(qū)間非常大，δ鐵素體是必然會(huì)產(chǎn)生的，在對(duì)原材料進(jìn)行準(zhǔn)備時(shí)，需要確定其不存在過(guò)量的塊狀δ鐵素體。為此進(jìn)行了圖1 410原材料100倍金相組織檢查，發(fā)現(xiàn)了δ鐵素體，我們認(rèn)為在可接收范圍內(nèi)。圖1為410原材料100倍金相組織檢查情況。

2.2 鍛造加熱溫度的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

為了確定鍛造加熱溫度對(duì)最終性能的影響，我們對(duì)合格的410原材料，分別采用1000℃、1080℃、1130℃和1080℃四種初始鍛造溫度。同時(shí)，為了防止試驗(yàn)結(jié)果的隨機(jī)性，每種溫度下分別鍛造了三個(gè)試塊。在經(jīng)過(guò)相同的熱處理后（按NACE MR0175規(guī)范[1]規(guī)定的溫度進(jìn)行正火+兩次回火），按ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)[2]加工試樣并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，按ASTM E23標(biāo)準(zhǔn)[3]進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，按ASTM E10標(biāo)準(zhǔn)[4]進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，按ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)[5]進(jìn)行晶粒度檢查和金相組織檢查，結(jié)果如表2。

表2為合格的410電渣錠進(jìn)行不同鍛造溫度鍛造后性能試驗(yàn)結(jié)果。

性能試驗(yàn)結(jié)果表明，1180℃加熱鍛造的試塊，低溫沖擊韌性都不合格，而初鍛溫度1130℃的試塊，11個(gè)試塊全部合格，并且鍛造溫度越低，沖擊值越高越均勻。

圖2為不同鍛造溫度下試樣的金相組織照片。

為了揭示低溫沖擊試驗(yàn)不合格的本質(zhì)，我們對(duì)全部14組沖擊試樣進(jìn)行了100倍金相組織檢驗(yàn)，見(jiàn)圖2同鍛造溫度下試樣的金相組織照片，所有的試樣都發(fā)現(xiàn)了δ鐵素體，但是1180℃初鍛的試樣，δ鐵素體明顯粗大，這說(shuō)明鍛造加熱溫度高于1150℃以后，原材料本身帶來(lái)的δ鐵素體會(huì)長(zhǎng)大，這是因?yàn)楦浇Ц裰蠧、Fe和Cr等游離態(tài)元素，當(dāng)加熱到1150℃以上溫度時(shí)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化合物，析出后的基體變成了新的δ鐵素體。

3 不合格410原材料（δ鐵素體含量超過(guò)15%），不同鍛造溫度下材料機(jī)械性能和δ鐵素體含量變化的試驗(yàn)研究

選用了δ鐵素體含量超過(guò)15%的同一爐號(hào)410原材料4塊，在1080℃和1150℃兩個(gè)不同初鍛溫度下進(jìn)行鍛造，以驗(yàn)證初鍛溫度的變化是否可以改變材料機(jī)械性能和δ鐵素體含量，結(jié)果表明無(wú)論鍛造工藝參數(shù)如何改變，熱處理后組織中δ鐵素體的含量依然較多，雖然熱后晶粒度達(dá)到5-6級(jí)，低溫沖擊值依然較低，見(jiàn)表3不合格的410原材料進(jìn)行不同鍛造溫度鍛造后性能試驗(yàn)結(jié)果和圖3不合格的410原材料進(jìn)行不同鍛造溫度鍛造后金相檢測(cè)結(jié)果。

表3為不合格的410原材料進(jìn)行不同鍛造溫度鍛造后性能試驗(yàn)結(jié)果。

圖3為不合格的410原材料進(jìn)行不同鍛造溫度鍛造后金相檢測(cè)結(jié)果。

4 不同爐號(hào)的試塊原材料中δ鐵素體含量對(duì)最終性能的影響

選用了不同爐號(hào)410原材料4塊，其中2塊δ鐵素體含量合格，另2塊不合格。在1080℃的相同初鍛溫度下進(jìn)行鍛造，結(jié)果表明合格原材料鍛造的試塊，性能和δ鐵素體含量仍然合格；不合格原材料鍛造的試塊，性能和δ鐵素體含量仍然不合格。見(jiàn)表4 合格原材料鍛造的試塊鍛造后性能仍然合格，不合格原材料鍛造的試塊鍛造后性能仍然不合格；圖4合格原材料鍛造的試塊鍛造后δ鐵素體含量仍然合格，不合格原材料鍛造的試塊鍛造后δ鐵素體含量仍然不合格。

表4為合格原材料鍛造的試塊鍛造后性能仍然合格，不合格原材料鍛造的試塊鍛造后性能仍然不合格。

圖4顯示了合格原材料鍛造的試塊鍛造后δ鐵素體含量仍然合格，不合格原材料鍛造的試塊鍛造后δ鐵素體含量仍然不合格。

5 結(jié)束語(yǔ)

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，控制δ鐵素體含量是解決410材料在零下29℃低溫沖擊性能穩(wěn)定性問(wèn)題的關(guān)鍵。如果原材料本身具有較高的初始δ鐵素體含量，則無(wú)論鍛造和熱處理溫度如何變化，都無(wú)法解決低溫脆性問(wèn)題。其次是不適當(dāng)?shù)腻懺斐跏煎懺鞙囟?，也?huì)導(dǎo)致原先合格的410材料δ鐵素體含量增大。因此，為了生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)耐零下29℃低溫沖擊的410鍛件，鍛造廠應(yīng)選擇合適的鋼廠，并實(shí)施嚴(yán)格的進(jìn)貨檢驗(yàn)；其次實(shí)施嚴(yán)格的內(nèi)部鍛造過(guò)程控制，選擇合適的鍛造工藝，嚴(yán)格控制鍛造的初鍛溫度。

參考文獻(xiàn)：

[1]NACE MR0175/ISO15156.石油天然氣工業(yè)-石油天然氣生產(chǎn)硫化氫環(huán)境使用材料[S].

[2]ASTM A370.鋼制產(chǎn)品機(jī)械性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義[S].

[3]ASTM E23.金屬材料帶缺口棒材的沖擊試驗(yàn)方法[S].

[4]ASTM E-10.金屬材料布氏硬度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[S].

[5]ASTM E112.確定平均晶粒度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[S].