0Cr15Ni5Cu2Ti 不銹鋼管的研制

杜小兵，石 軍

（西南鋼管有限公司，四川 江油 621701）

0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼是從蘇聯(lián)引進的一種高強度沉淀硬化不銹鋼（蘇聯(lián)牌號為 08х15н5л2т-ш），是在17-4PH 沉淀硬化不銹鋼的基礎(chǔ)上，通過降低Cr和Cu 含量，提高Ni 含量，并用Ti 代替Nb 進行改性的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，固溶狀態(tài)組織是奧氏體，快冷至室溫后的組織為過飽和狀態(tài)下的馬氏體組織，通過中溫時效使富銅的ε 相沉淀析出，從而提高鋼的強度。該鋼具有良好的強韌性配合和足夠的中、低溫性能，其焊接性、成型性等工藝性能明顯高于同類馬氏體沉淀硬化不銹鋼，且具有奧氏體不銹鋼的耐蝕性和馬氏體不銹鋼的強度，耐腐蝕性能與17-4PH 相當，并在腐蝕介質(zhì)中有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，主要用于關(guān)鍵承力耐蝕部件。

2018 年西南鋼管有限公司開始進行0Cr15Ni-5Cu2Ti 不銹鋼管的批量生產(chǎn)研制，根據(jù)以往小批量生產(chǎn)該材質(zhì)管材的經(jīng)驗和材料的固有特性，重新對該材料的冷加工、熱處理和酸洗工藝等進行了摸索和研究，實現(xiàn)了批量穩(wěn)定生產(chǎn)?，F(xiàn)主要介紹Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格0Cr15Ni5Cu2Ti 不銹鋼管的生產(chǎn)工藝情況。

1 材料研制的主要技術(shù)指標

根據(jù)用戶技術(shù)條件制定出0Cr15Ni5Cu2Ti 不銹鋼管的化學(xué)成分控制要求；采用940～980 ℃空冷淬火+600～625 ℃回火 1～3 h 熱處理狀態(tài)交貨；成品管晶粒度級別≥5 級；成品鋼管進行擴口檢驗，按原直徑擴大約10%后，要求擴口處無裂紋、裂口；按GB/T 5777—2019《無縫和焊接（埋弧焊除外）鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動超聲檢測》中的U2 級規(guī)定，逐支探傷；管材彎曲度不超過3 mm/m，表面粗糙度≤2.5 μm，表面不允許有折疊、龜裂、折痕、發(fā)紋、深劃傷、凹坑、凹痕、裂口、過酸洗痕跡；允許表面打磨，但打磨后管材的尺寸不能超出負偏差。0Cr15Ni5Cu2Ti 不銹鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）和力學(xué)性能控制要求見表1。

2 工藝試驗研究及生產(chǎn)工藝制定

2.1 冶煉、制管工藝流程

0Cr15Ni5Cu2Ti 不銹鋼管的冶煉、制管工藝為：真空感應(yīng)爐煉鋼→澆注電極棒（規(guī)格Φ300 mm）→電渣重熔錠（電渣錠規(guī)格Φ550 mm）→鍛造開坯（坯料規(guī)格200 mm×200 mm）→軋制管坯（坯料規(guī)格Φ100 mm 圓棒）→熱軋穿孔成 Φ105 mm×10 mm 荒管→退火、酸洗、冷軋→去油→打頭→退火→矯直→切管→酸洗、修磨等→冷拔成品→成品去油、退火、矯直、酸洗→精整→檢驗入庫。

2.2 鋼管加工工藝研究

0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼是高強度馬氏體沉淀硬化不銹鋼，由于冶煉時化學(xué)成分控制合理，且Cu 含量不高，其主要組織為馬氏體+殘余奧氏體。作為含Cu鋼，Cu 含量不超過3%時，其熱加工塑性良好，但Cu 元素在鋼錠中易產(chǎn)生偏析，因此要求鋼錠保溫較長時間，以減少重熔錠的成分偏析。因此，根據(jù)0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼的熱加工塑性和生產(chǎn)現(xiàn)場工藝裝備設(shè)備情況，分析研究并制定合理的管坯加工工藝。

2.2.1 熱軋穿孔工藝研究

2.2.1.1 管坯加熱工藝

0Cr15Ni5Cu2Ti 坯料的穿孔較為困難，在以往穿孔過程中，由于坯料加熱溫度控制不穩(wěn)定，穿孔時出現(xiàn)過前卡、壁厚偏心嚴重、內(nèi)折，甚至內(nèi)裂問題。通過查閱相關(guān)資料［1-4］，并反復(fù)摸索，制定出了較為合理的管坯加熱制度，加熱工藝如圖1 所示。

2.2.1.2 管坯加熱注意事項

（1） 為避免管坯在穿孔過程中因加熱不均而產(chǎn)生的內(nèi)翹皮、內(nèi)折等缺陷，在管坯加熱過程中要增加翻轉(zhuǎn)管坯次數(shù)，確保管坯在均熱段的受熱均勻。

圖1 0Cr15Ni5Cu2Ti 管坯的加熱工藝示意

（2） 為避免因穿孔過程節(jié)奏過快而導(dǎo)致的穿孔荒管尾部過燒，穿孔時嚴格控制軋輥轉(zhuǎn)速，軋輥轉(zhuǎn)速控制在60 r/min。

采取上述措施后，Φ105 mm×10 mm 荒管酸洗后的表面情況良好。

2.2.2 冷加工變形工藝研究

0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼是以Cu 作為主要強化元素，材料特性與沉淀硬化不銹鋼15-5PH 很相似，其熱成型性能較好，但冷成型能力弱。西南鋼管有限公司曾采用常規(guī)300 系列不銹鋼管冷軋（拔）工藝生產(chǎn)0Cr15Ni5Cu2Ti 管材，但由于冷加工變形量大，造成了軋制開裂或冷拔拉毛、斷頭等問題；因此，需控制冷加工變形量，根據(jù)以往經(jīng)驗，原則上冷軋變形量以不超過50%為宜。

針對0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼種的特性，設(shè)計和編制了Φ48 mm×7.5 mm 成品管的變形工藝，采用冷軋+冷拔聯(lián)合工藝生產(chǎn)。設(shè)計的0Cr15Ni5Cu2Ti 管材變形工藝為：先將Φ105 mm×10 mm 荒管冷軋成Φ76 mm×8.5 mm，變形量40.23%；然后再冷軋成Φ51 mm×7.5 mm，變形量43.13%；最后再冷拔成Φ48 mm×7.5 mm，變形量6.50%。

由于0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼的強度較高，為確保鋼管冷拔（軋）表面質(zhì)量，在冷拔（軋）過程中采用慢速軋制及拔制，軋制速度控制在50～60 次/min，送進量≤4 mm。

2.2.3 穿孔荒管及在制品熱處理工藝

0Cr15Ni5Cu2Ti 的奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ac1為670 ℃ ， 奧 氏 體 轉(zhuǎn) 變終 了溫 度 Ac3為 750 ℃［5］。400～700 ℃是0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼固溶處理后的時效強化溫度區(qū)間；700～750 ℃是去應(yīng)力退火處理溫度區(qū)間，屬于不完全退火處理溫度區(qū)間。在700～750℃溫度區(qū)間退火，0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼的組織會發(fā)生不完全重結(jié)晶，可以降低材料硬度，改善材料加工性能，消除內(nèi)應(yīng)力。因0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼在800 ℃長時間保溫，表面氧化膜厚度增加，隨著氧化膜厚度的增加，管材內(nèi)應(yīng)力也迅速增大，不銹鋼基體中發(fā)生馬氏體向奧氏體的逆轉(zhuǎn)變，使貧鉻層厚度增加［6］。不完全退火的溫度相對較低，在降低材料硬度，去除內(nèi)應(yīng)力的同時，可確保氧化皮薄，且便于酸洗清除氧化皮。

根據(jù)上述分析，結(jié)合冷加工變形量的分配，采用了不完全退火工藝，退火溫度設(shè)定為720～750℃，保溫充分后隨爐緩冷至600 ℃以下空冷，可確保管材冷變形時不發(fā)生裂紋、開裂等冷加工缺陷。

0Cr15Ni5Cu2Ti 荒管及其在制品在車底式加熱爐中進行熱處理，熱處理工藝如圖2 所示。

圖2 0Cr15Ni5Cu2Ti 荒管、在制品的熱處理工藝示意

2.2.4 成品酸洗工藝的理論研究和工藝制定

0Cr15Ni5Cu2Ti 荒管及其在制品經(jīng) 720～750 ℃退火處理后，鋼管表面形成外層細晶的鐵氧化物Fe3O4·Fe2O3和內(nèi)層尖晶石結(jié)構(gòu)的 FeO·Cr2O3氧化膜，需要清除。FeO·Cr2O3氧化膜非常致密，單純采用HNO3+HF 混合酸洗液酸洗時，酸洗液會與內(nèi)層保護膜發(fā)生反應(yīng)，首先形成類似鈍化膜的結(jié)構(gòu)，阻斷了酸洗反應(yīng)的進一步進行，隨著反應(yīng)時間的增長，酸洗液會從氧化膜薄弱部位逐漸侵蝕到鋼管基體，對基體造成腐蝕性細微孔洞，這些細微孔洞隨著反應(yīng)的進一步進行逐漸形成腐蝕坑、腐蝕洞等，從而破壞鋼管表面［7］。而 Fe3O4·Fe2O3鐵氧化物采用HNO3+HF 混合酸洗液酸洗，即可清除。

鑒于0Cr15Ni5Cu2Ti 荒管及其在制品熱處理保溫時間較長，氧化皮較厚，單純采用HNO3+HF 酸洗液酸洗效果不好，氧化皮難于清除等情況，制定了堿酸聯(lián)合酸洗工藝：先采用NaOH 堿爆處理，溫度450 ℃；再采用18%～20%HNO3+2%～3%HF 溶液酸洗?；墓芗捌湓谥破吩诟邷厝廴跔顟B(tài)下的NaOH堿液中浸泡，堿液與尖晶石結(jié)構(gòu)的FeO·Cr2O3氧化膜發(fā)生反應(yīng)，在不影響基體的前提下，起到了疏松尖晶石氧化膜的作用，這樣再通過后續(xù)的酸洗，更容易將氧化皮清除干凈［8-9］。采用上述堿酸聯(lián)合酸洗工藝后，酸洗效果較好，氧化皮清除較為干凈，滿足了客戶使用要求。

2.2.5 成品管材熱處理工藝試驗

0Cr15Ni5Cu2Ti 是馬氏體沉淀硬化鋼，除了馬氏體組織相變強化外，時效過程中馬氏體基體上析出的第二相質(zhì)點是主要的強化相［10-13］。0Cr15Ni5Cu2Ti在高溫固溶后空冷至室溫，會形成低碳馬氏體組織，一些合金元素（如Cu、Ti 等）在高溫下會溶入奧氏體中，快速冷卻至室溫成為過飽和狀態(tài)，而此時的固溶體是馬氏體，溶解這些元素的能力比同溫度的奧氏體小得多，因此過飽和度更大，有利于沉淀硬化。在時效溫度下會產(chǎn)生沉淀硬化，強度會進一步提高。為使0Cr15Ni5Cu2Ti 管材的綜合性能達到最佳，進行了熱處理工藝試驗。

2.2.5.1 固溶處理溫度對成品管性能的影響

選擇 8 個固溶處理溫度（850，900，950，1 000，1 050，1 100，1 150，1 200 ℃），保溫 30 min，空冷，分析固溶處理溫度對Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格0Cr15Ni5Cu2Ti 管材性能的影響。0Cr15Ni5Cu2Ti管材經(jīng)不同固溶處理溫度處理后的力學(xué)性能見表2，力學(xué)性能變化曲線如圖3 所示。

表2 Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格 0Cr15Ni5Cu2Ti 管材經(jīng)不同固溶處理溫度處理后的力學(xué)性能

圖3 Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格 0Cr15Ni5Cu2Ti 管材經(jīng)不同固溶處理溫度處理后的力學(xué)性能曲線

從圖3 可以看出：固溶處理溫度不超過1 100℃時，隨著固溶處理溫度的提高，0Cr15Ni5Cu2Ti管材的抗拉強度逐漸提高，伸長率提高不明顯；固溶處理溫度超過1 100 ℃后，隨著固溶處理溫度升高，管材強度逐漸下降，伸長率略有升高。

根據(jù)成品管的力學(xué)性能要求并結(jié)合圖3，原則上0Cr15Ni5Cu2Ti 成品管的固溶處理溫度不宜超過1 100 ℃，能夠同時滿足成品管室溫抗拉強度和屈服強度及伸長率較好的固溶處理溫度區(qū)間為940～980 ℃，最佳固溶處理溫度為950 ℃［14］。因此，選擇最佳固溶處理溫度950 ℃，開展成品管的時效熱處理溫度研究。

2.2.5.2 時效溫度對成品管性能的影響

一般0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼不在固溶狀態(tài)下使用，這是因為固溶狀態(tài)下的強度有時不能滿足要求，且其組織為未回火的馬氏體組織，韌性低，抗應(yīng)力腐蝕斷裂的性能差；因此要進行回火時效處理，以改善其各種性能。

采用固溶處理溫度950 ℃，保溫30 min，選擇7 個時效溫度（400，450，500，550，600，650，700 ℃）進行時效處理［15］，時效處理時間 4 h。Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格 0Cr15Ni5Cu2Ti 管材經(jīng)不同時效溫度處理后的力學(xué)性能見表3，力學(xué)性能變化曲線如圖4 所示。

從圖4 可以看出：Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格0Cr15Ni5Cu2Ti 管材經(jīng)950 ℃固溶處理后，時效處理溫度在450 ℃以下時，隨著時效溫度的升高，其強度及伸長率均有所升高，在450 ℃時效溫度處理時強度達到峰值；時效溫度超過450 ℃，隨著溫度的升高，強度逐漸下降，伸長率則進一步升高，并在600 ℃達到最高值；時效溫度超過600 ℃時，強度下降趨緩，超過650 ℃時略有上升，但伸長率下降較明顯。由此可見，0Cr15Ni5Cu2Ti 管材在580～650 ℃溫度區(qū)間進行時效處理，可獲得較好的綜合機械性能。

表3 Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格 0Cr15Ni5Cu2Ti 管材經(jīng)不同時效溫度處理后的力學(xué)性能

圖4 Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格0Cr15Ni5Cu2Ti 管材經(jīng)不同時效溫度處理后的力學(xué)性能曲線

2.2.5.3 成品管性能檢測情況

根據(jù)管材上述熱處理試驗結(jié)果，對Φ48 mm×7.5 mm 0Cr15Ni5Cu2Ti 成品管采用了淬火及回火熱處理工藝。在輥底式連續(xù)熱處理爐中進行淬火（950～980 ℃保溫30 min，空冷），在車底式加熱爐中進行時效溫度600～625 ℃、保溫1～3 h 處理，部分管材的力學(xué)性能不穩(wěn)定，存在抗拉強度偏低或伸長率無法完全滿足要求的問題。經(jīng)調(diào)整時效溫度，優(yōu)化回火工藝，在車底式加熱爐中進行回火（590～600 ℃保溫4 h，空冷），管材的力學(xué)性能完全滿足技術(shù)條件要求。通過上述熱處理，Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格0Cr15Ni5Cu2Ti 成品管的性能見表4，其力學(xué)性能均滿足了用戶要求。

表4 Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格0Cr15Ni5Cu2Ti 成品管的性能

3 結(jié) 論

（1） 0Cr15Ni5Cu2Ti 管坯在熱穿孔前采用1 100～1 130 ℃保溫20 min 的加熱工藝，實際穿孔效果較好，管坯的質(zhì)量滿足后續(xù)加工要求。

（2） 0Cr15Ni5Cu2Ti 成品管采用 950～980 ℃淬火保溫30 min 的工藝及590～600 ℃回火保溫4 h的熱處理工藝，可獲得良好的綜合機械性能，滿足用戶要求。

（3） 0Cr15Ni5Cu2Ti 荒管酸洗時，采用 NaOH堿爆及HNO3+HF 酸洗的聯(lián)合工藝，可較好地清除荒管內(nèi)外表面氧化皮，保證成品管材表面質(zhì)量滿足相關(guān)標準要求。