熱處理溫度對超超級雙相不銹鋼相組織和微觀硬度的影響

張如金，耿方鋒，劉仲禮，武 明

（1.煙臺瑪努爾核電設(shè)備有限公司，山東 煙臺 264000；2.煙臺大學(xué)核裝備與核工程學(xué)院，山東 煙臺 264000）

ASTM A790 S32906 雙相不銹鋼是由荷蘭斯塔密卡邦公司和瑞典山特維克公司聯(lián)合開發(fā)的一種Cr29 型超超級雙相不銹鋼，企業(yè)牌號為SAFUREX32906.該材質(zhì)主要應(yīng)用于尿素裝置上，作為高壓汽提塔、高壓洗滌器及部分高壓耐腐蝕的管道用材[1]。美國材料與試驗協(xié)會將其列入ASTM A790/A790M 和ASTM A240/A240M 標(biāo)準(zhǔn)中[2-3]。目前，國內(nèi)還無法批量化生產(chǎn)該材質(zhì)產(chǎn)品，主要依賴于進(jìn)口。相關(guān)的基礎(chǔ)研究也較少。對于雙相鋼來說，固溶處理對產(chǎn)品的使用性能起至關(guān)重要的作用[4]。本文主要研究了固溶熱處理溫度對ASTM A790 S32906 雙相鋼兩相比例、微觀組織及硬度值的影響，為產(chǎn)品熱處理工藝的制訂，積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提供參考。

1 試樣制備與方法

試驗錠的冶煉方式為電弧爐+AOD 爐。鑄造時采用標(biāo)準(zhǔn)基爾試塊，堿酚醛樹脂，砂型澆注。形狀及尺寸如圖1 所示。從鑄態(tài)試錠上切取16 件試塊（尺寸為25 mm×25 mm×25 mm），取其中2 件觀察鑄態(tài)下的微觀組織。其余試塊在N7/H 型馬弗爐（最高加熱溫度1 250 ℃，保溫精度±5 ℃）中進(jìn)行加熱處理。在1 120 ℃～1 240 ℃范圍每隔20 ℃取2 件試塊進(jìn)行熱處理，保溫2 h 后快速入水冷卻。之后對每個溫度下的2 個試塊進(jìn)行加工成尺寸為20 mm×20 mm×20 mm 的金相試樣。所有試樣經(jīng)過機(jī)械拋光后，采用10%的KOH 溶液，在45 V 電壓，3 mA 電流下進(jìn)行60 s 的電解腐蝕，然后在OLYMPUS BX51U 型金相顯微鏡下觀察微觀組織，按照ASTM E562-2011標(biāo)準(zhǔn)測量鐵素體體積含量。隨后對金相試樣進(jìn)行拋光打磨（保證表面粗糙度Ra≤1.6 μm），采用TH600 布氏硬度機(jī)，依據(jù)GB/T231.1-2018 測量布氏硬度數(shù)值（選用的壓頭球直徑為10 mm，試驗壓力14.710 kN，保持時間15 s）.

圖1 基爾試塊及取樣示意圖

2 試驗結(jié)果

2.1 化學(xué)成分和鑄態(tài)組織

熔煉后鋼水成分如表1 所示。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

鑄態(tài)組織如圖2 所示。

從圖2 可以看出，鑄態(tài)金相組織為枝晶形態(tài)明顯的白色奧氏體分布在深色的鐵素體基體上。奧氏體的枝晶粗大，一次枝晶軸較長，在鐵素體基體上呈不均勻分布，晶界比較尖銳。

采用ASTM E562 法測量得到鑄態(tài)下的鐵素體的體積分?jǐn)?shù)為44%.

2.2 熱處理溫度對微觀組織的影響

參照前人研究[4]，選取了1 120 ℃作為起始試驗熱處理溫度。由于ASTM A790 S32906 雙相鋼的合金元素含量更高，將最高試驗溫度提高至1 240 ℃.不同固溶處理溫度下的金相組織如圖3 所示。

由圖3 可知，經(jīng)過固溶處理后，鑄態(tài)下的奧氏體枝晶逐漸破碎，晶界變得圓潤。

圖3 S32906 雙相鋼熱處理后的微觀組織

不同溫度熱處理后，其相比例變化情況如表2所示。隨著溫度的升高，鐵素體的體積分?jǐn)?shù)增加。據(jù)參考文獻(xiàn)可知，當(dāng)熱處理溫度超過1 000 ℃時，α相和（α+γ）兩相區(qū)的邊界及（α+γ）兩相區(qū)和γ 的邊界同時向右彎曲[5]。并且隨著溫度的升高，向右彎曲的程度越大。且前兩個相區(qū)的邊界彎曲程度更大。根據(jù)杠桿定律可知，α 相的含量將隨著固溶溫度的增加而提高。

2.3 熱處理溫度力學(xué)性能的影響

圖5 給出了硬度值隨熱處理溫度升高的變化情況。

表2 熱處理后鐵素體的體積分?jǐn)?shù)

圖4 熱處理溫度對硬度值的影響

硬度值隨著熱處理試驗溫度的升高而升高。在1 120 ℃～1 200 ℃范圍內(nèi)，硬度的增幅較為顯著。從1 200 ℃開始，增幅變緩，幾乎不增加。

3 分析及討論

3.1 相比例問題

雙相不銹鋼相比例與其力學(xué)性能和抗應(yīng)力腐蝕性能密切相關(guān)。一般認(rèn)為，當(dāng)組織中兩相含量基本相等時，雙相鋼具有最佳的性能。當(dāng)化學(xué)成分確定后，熱處理溫度就決定了產(chǎn)品最終的相比例[5]。因此，通過代入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算，實(shí)現(xiàn)對ASTM A790 S32906 雙相鋼鐵素體含量的預(yù)測，對今后該鋼種成分的調(diào)整和熱處理溫度的選擇具有實(shí)際意義。選擇的計算方式，分別如下。

依據(jù)ASTM A800 標(biāo)準(zhǔn)[6]進(jìn)行了鉻當(dāng)量（Creq）和鎳當(dāng)量（Nieq）的計算，公式如下：

代入試驗錠的成分得Creq/Nieq=1.56，對照標(biāo)準(zhǔn)中圖表，得到鐵素體體積分?jǐn)?shù)在23.30%～46.07%范圍內(nèi)，中線值為32.78%.

文獻(xiàn)[4]中提供了00Cr22Ni5Mo3N 雙相鋼鐵素體含量的計算公式，計算過程及結(jié)果如下。

代入成分得到鎳鉻當(dāng)量值。結(jié)合Schaeffer 相圖，得出鐵素體體積分?jǐn)?shù)約為30%.兩種方法得到的鐵素體體積分?jǐn)?shù)都遠(yuǎn)低于鑄態(tài)下試驗測量得到的結(jié)果，參考性較小。

為了引入熱處理溫度的影響，進(jìn)一步參考了奧氏體線解方程式[3、7]，如公式（5）所示。

代入表1 的成分，計算出在1 120 ℃～1 240 ℃范圍內(nèi)鐵素體的含量，如表3 所示。

表3 計算鐵素體相體積分?jǐn)?shù)

計算結(jié)果表明，鐵素體含量隨固溶溫度的升高而增加，且增幅明顯。理論計算值增幅為19.80%.采用ASTM E562 標(biāo)準(zhǔn)測量的值由51.28%增加到60%，增幅為17.00%.

將理論計算鐵素體含量和試驗測得的鐵素體含量與溫度的關(guān)系列于圖5 中，從圖中可以看出，ASTM E562 金相法得到的實(shí)際結(jié)果要高于線解方程的計算結(jié)果，差值范圍為2.22%～3.92%.當(dāng)熱處理溫度為1 140 ℃時，兩相的比例接近1：1.鐵素體體積分?jǐn)?shù)分別為：線解方程49.34%，ASTEM E562法51.28%.

對鐵素體含量與溫度的關(guān)系進(jìn)行了擬合結(jié)算，結(jié)果如下。

奧氏體線解方程：

ASTM E562 法的擬合方程為：

兩種方式的理論差值為：

結(jié)果進(jìn)一步表明，兩者鐵素體含量隨溫度變化的規(guī)律一致。在試驗溫度范圍內(nèi)，當(dāng)S32906 雙相鋼的成分確定后，可以通過奧氏體線解方程來計算預(yù)測其鐵素體含量，作為制定熱處理工藝的參考依據(jù)。

圖5 鐵素體體積分?jǐn)?shù)隨熱處理溫度的變化

4 結(jié)論

1）奧氏體線解方程計算的鐵素體含量與實(shí)際測量結(jié)果差別不大，略低于試驗測量值?？梢宰鳛檎{(diào)整S32906 超超級雙相鋼成分和制定熱處理工藝的依據(jù)。

2）固溶熱處理可以破碎消除鑄態(tài)S32906 超超級雙相不銹鋼鑄態(tài)下的粗大奧氏體枝晶，使其分布更加均勻，晶界更加圓潤。

3）在試驗溫度范圍內(nèi)，鐵素體含量隨著固溶溫度的升高而增加，鐵素體體積分?jǐn)?shù)由鑄態(tài)的44%左右調(diào)整到60%左右。試驗溫度范圍內(nèi)鐵素體含量增幅顯著，1 240 ℃固溶處理時鐵素體體積分?jǐn)?shù)達(dá)60%，比1 120 ℃處理時增加了20.0%.

4）固溶處理溫度在1 140 ℃時，鐵素體和奧氏體兩相比例接近1：1，對于鑄造S32906 超超級雙相鋼的熱處理溫度可以控制在1 130 ℃～1 150 ℃.

5）S32906 超超級雙相鋼硬度值隨著溫度的升高而增加，1 120 ℃～1 180 ℃增幅較大。固溶溫度繼續(xù)升高，增幅變緩，幾乎不增加。