CF10M 奧氏體不銹鋼固溶處理工藝研究

（共享鑄鋼有限公司，寧夏 銀川 750021）

關(guān)鍵字：CF10M;固溶處理;機(jī)械性能;金相

奧氏體不銹鋼，是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。鋼中Cr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)約18%、Ni 質(zhì)量分?jǐn)?shù)約8%～25%、C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.1%時(shí)，具有穩(wěn)定的奧氏體組織。奧氏體鉻鎳不銹鋼包括著名的18Cr-8Ni鋼和在此基礎(chǔ)上增加Cr、Ni 含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti 等元素發(fā)展起來(lái)的高Cr-Ni 系列鋼。奧氏體不銹鋼無(wú)磁性而且具有高韌性和塑性，但強(qiáng)度較低，不可能通過(guò)相變使之強(qiáng)化，僅能通過(guò)冷加工進(jìn)行強(qiáng)化，如加入S，Ca，Se，Te 等元素，則具有良好的易切削性。此類鋼除耐氧化性酸介質(zhì)腐蝕外，如果含有Mo、Cu 等元素還能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蝕。此類鋼中的含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)若低于0.03%或含Ti、Ni，就可顯著提高其耐晶間腐蝕性能。高硅的奧氏體不銹鋼對(duì)濃硝酸具有良好的耐蝕性。由于奧氏體不銹鋼具有全面的和良好的綜合性能，在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。CF10M 是奧氏體不銹鋼的一種，是在304 不銹鋼的基礎(chǔ)上增加Mo 含量，顯著增加其在酸性環(huán)境下的抗腐蝕效果。

1 材質(zhì)及化學(xué)成分

CF10M 奧氏體不銹鋼材料成分設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 材質(zhì)及化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

CF10M 材料主要用于腐蝕環(huán)境中，增加耐腐蝕抗性的主要元素為Cr 元素、Mo 元素，其中Mo 又可增加耐酸性腐蝕抗性，這是其耐腐蝕性顯著優(yōu)于不含Mo 的奧氏體不銹鋼的主要原因，但Cr、Mo 元素不易過(guò)低，過(guò)低會(huì)導(dǎo)致耐腐蝕性差，同時(shí)影響耐腐蝕性的元素C 含量卻不易過(guò)高，過(guò)高易使Cr 與C結(jié)合形成碳化鉻，導(dǎo)致晶間貧Cr，加劇腐蝕傾向；Ni是穩(wěn)定奧氏體化的主要元素之一，Mo 可提高耐酸腐蝕性，加入一定量的Mo 后，容易產(chǎn)生σ 相，因此Ni 需要相應(yīng)的提高以消除過(guò)多的σ 相保證后期熱加工過(guò)程無(wú)脆性相析出。但奧氏體不銹鋼中又不能含有太多的鐵素體，含有一定量的鐵素體（約5%～10%）能夠?qū)﹁T造熱裂紋傾向有一定的降低作用，鐵素體含量過(guò)高易使后期熱加工工序產(chǎn)生開裂，其主要原因?yàn)閵W氏體焊縫枝晶間呈網(wǎng)狀連接的鐵素體對(duì)奧氏體基體的分割嚴(yán)重，導(dǎo)致焊接接頭的韌塑性降低，因而在后期的成分設(shè)計(jì)上需要重點(diǎn)考慮奧氏體不銹鋼中鐵素體的含量。

奧氏體不銹鋼在鑄造各序生產(chǎn)，尤其是受熱序，需要共同關(guān)注：因?yàn)楹记覟楦吆辖痄?，必然有各種碳化物或其他化合物形成，尤其是在從高溫冷卻的過(guò)程中，冷速如果低于臨界冷速，則會(huì)有各種碳化物或其他化合物析出，主要分布在晶界上，導(dǎo)致材料變脆。同時(shí)，析出物主要以CrxCy 的形式形成，導(dǎo)致基體產(chǎn)生貧Cr，耐蝕性降低，易形成點(diǎn)蝕坑，并降低材料強(qiáng)度，低溫使用效果變差。這種臨界冷速主要受C 的影響最大，不同的C 含量，臨界冷速不同。總的來(lái)說(shuō)，C 含量越低，所要求的臨界冷速越慢，析出不良組織的含量也越容易控制。結(jié)合碳化物的形成區(qū)間（簡(jiǎn)稱C 形圖）如圖1 所示，當(dāng)產(chǎn)品要求的強(qiáng)度不是太高的情況下，優(yōu)先考慮w（C）≤0.03%，此時(shí)碳化物析出的臨界冷卻速度約在5℃/h，大于此冷卻速度，基本無(wú)碳化物析出，這種速度生產(chǎn)中較易實(shí)現(xiàn)，能夠有效減少熱加工工序上碳化物的析出，對(duì)產(chǎn)品更有利。

圖1 奧氏體不銹鋼中碳化物的形成（C 形圖）

根據(jù)奧氏體與鐵素體形成可能性的經(jīng)驗(yàn)公式（Cr 當(dāng)量與Ni 當(dāng)量比）[1]，結(jié)合舍弗勒相圖中鐵素體含量存在區(qū)間及相應(yīng)的C 含量要求設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)所需要的試塊成分見表1.

2 力學(xué)性能要求

奧氏體不銹鋼力學(xué)性能要求見表2，奧氏體不銹鋼在力學(xué)性能上主要表現(xiàn)為低強(qiáng)度高塑韌性，其塑韌性尤表現(xiàn)在低溫環(huán)境下的沖擊性能，如用到低溫環(huán)境中，通常使用于-150 ℃以下，在如此低的環(huán)境下沖擊值一般可達(dá)到50 J 以上。

表2 CF10M 性能要求

3 試驗(yàn)方案策劃

表3 試驗(yàn)方案

固溶處理是奧氏體不銹鋼主要的熱處理形式，將鋼加熱到1 000 ℃～1 100 ℃的高溫，經(jīng)保溫后使碳化物、σ 相等分解、固溶，可以得到成分均勻的單一的奧氏體組織，然后水淬，使高溫的穩(wěn)定奧氏體一直保持到常溫，稱為固溶熱處理。這種處理的鉻鎳奧氏體不銹鋼，其硬度最低，韌性、塑性最高，耐蝕性能最好，是最佳的使用狀態(tài)。因CF10M 奧氏體不銹鋼在Cr、Ni 的基礎(chǔ)上增加了Mo，Mo 所形成的化合物有較高熔點(diǎn)，因此固溶溫度要比不含Mo 的奧氏體不銹鋼高一些。根據(jù)文獻(xiàn)介紹及手冊(cè)查詢，對(duì)比ZG08Cr19Ni11Mo3 固溶處理溫度要求，固溶溫度≥1 040 ℃，碳化物溶解，保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，保溫時(shí)間依據(jù)碳化物含量而定，在較高的固溶溫度下較短保溫時(shí)間內(nèi)使碳化物充分溶解，并快速通過(guò)600 ℃～700 ℃碳化物析出區(qū)間，可采用水冷達(dá)到快冷的目的。

綜合考慮擬定如表3 所示1 050 ℃、1 075 ℃、1 100 ℃三種固溶熱處理溫度，試塊尺寸為170 mm×70 mm×80 mm，擬定2 h、5 h、8 h 三種不同保溫時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 金相組織

將各種條件下得到的試樣進(jìn)行處理，在顯微鏡下觀測(cè)其組織情況，金相組織如圖2～圖5.

4.2 機(jī)械性能結(jié)果

按照9 種試驗(yàn)方案得到的試樣按照GB/T228.1-2010 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到的9 組試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

圖2 鑄態(tài)試塊金相組織照片

圖3 1050℃固溶溫度下不同保溫時(shí)間金相組織照片

圖4 1075℃固溶溫度下不同保溫時(shí)間金相組織照片

圖5 1100℃固溶溫度下不同保溫時(shí)間金相組織照片

表4 機(jī)械性能結(jié)果

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 金相結(jié)果分析

鑄態(tài)奧氏體不銹鋼試塊金相組織如圖2 所示，含有大量的鐵素體、碳化物等不良組織，未做固溶處理，碳化物析出嚴(yán)重，鐵素體含量較多。

經(jīng)過(guò)固溶處理，組織顯著改善，碳化物及鐵素體含量顯著降低，且隨著固溶處理溫度的提高CF10M 奧氏體不銹鋼中鐵素體的含量逐漸降低，其形貌由骨骼狀向光滑的圓點(diǎn)狀演變[2]。但在1 100 ℃保溫時(shí)間在5 h、8 h 上進(jìn)行保溫，組織又存在較多的鐵素體，如圖5 所示，這種鐵素體可能是因溫度過(guò)高而使鋼中析出σ 鐵素體，直接影響鋼的有關(guān)性能，固溶溫度較高時(shí)奧氏體相向鐵素體相轉(zhuǎn)變，鐵素體含量逐漸提高[3]，后面機(jī)械性能的檢測(cè)中直接體現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的降低。

經(jīng)過(guò)固溶處理后CF10M 奧氏體不銹鋼組織中鐵素體含量在10%以內(nèi)，基本上都在合理范圍內(nèi)，最好的固溶工藝為1 075 ℃×8 h，金相中的鐵素體最少且分布均勻呈現(xiàn)圓點(diǎn)分布。

5.2 機(jī)械性能分析

從表4 可以看出鑄態(tài)試塊經(jīng)檢測(cè)，抗拉強(qiáng)度、塑韌性低于標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)過(guò)固溶處理后試塊強(qiáng)度、塑韌性均顯著高于標(biāo)準(zhǔn)要求，各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)優(yōu)良，與其組織密切相關(guān)，但是過(guò)高的固溶溫度與較長(zhǎng)的保溫時(shí)間下，組織呈現(xiàn)惡化趨勢(shì)，導(dǎo)致強(qiáng)度、塑韌性出現(xiàn)降低傾向。

6 結(jié)論

1）CF10M 奧氏體不銹鋼材質(zhì)鑄態(tài)不經(jīng)過(guò)固溶處理，組織存在大量的鐵素體及碳化物，經(jīng)過(guò)固態(tài)處理各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)良好；

2）在本實(shí)驗(yàn)條件下選擇最佳的固溶熱處理工藝為：1 075 ℃×8 h，能夠滿足力學(xué)性能的要求，同時(shí)組織中碳化物及鐵素體含量最少。