鎳對SUH409L熱軋卷組織與性能的影響

王志軍

（1.山西太鋼不銹鋼股份有限公司 技術中心，太原 030003；2.太原鋼鐵（集團）有限公司 先進不銹鋼材料國家重點實驗室，太原 030003）

SUH409L不銹鋼因具有優(yōu)良的成形性能和高溫耐蝕性能，被廣泛應用于汽車排氣系統(tǒng)零部件的制造，而SUH409L不銹鋼熱軋中厚卷（板）主要用于制造汽車排氣系統(tǒng)的密封連接件——法蘭.由于我國地域遼闊，南北緯度跨度大，寒冷地區(qū)冬季的極端溫度可達到-40℃以下，故汽車排氣系統(tǒng)用法蘭除要承受發(fā)動機和高溫高速燃燒廢氣的高頻振動及排放廢氣的腐蝕性外，還要承受-40～900℃的大溫差所導致的變形［1-3］.這就對汽車排氣系統(tǒng)用法蘭的力學性能，尤其是在低溫環(huán)境下的沖擊韌性提出了更高的要求.本文中在相同退火工藝下，分析研究鎳添加量（質(zhì)量分數(shù)，下同）對SUH409L不銹鋼熱軋卷退火后的組織和性能的影響，以期為提高SUH409L不銹鋼的沖擊韌性提供理論指導.

1 實 驗

1.1 實驗試樣及制備

本實驗選用典型SUH409L不銹鋼（Ni添加量為0），以及在此成分基礎上Ni添加量分別為0.59%，0.92%的3種材料.具體成分如表1所列.

表1 3種試樣的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Chemical compositions of three samples（mass fraction） %

實驗試樣的生產(chǎn)工藝流程如下：先采用90 t K-OBM-S爐進行粗煉，隨后采用VOD＋LF精煉模式將成分控制在要求范圍內(nèi)，通過立彎式連鑄機生產(chǎn)出200 mm×1 250 mm的連鑄坯，經(jīng)表面修磨后，利用熱連軋將鑄坯軋制成厚度為10 mm的熱軋卷.在熱軋卷上取若干300 mm×50 mm的長條試樣（垂直于軋制方向），采用箱式電加熱爐模擬退火.3種材料均采用750℃＋保溫20 min＋空冷的退火工藝.

1.2 實驗試樣分析

依據(jù)《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》（GB／T229—2020），使用ZBC-300B型號沖性能試驗機測試退火處理后的試樣（7.5 mm×10 mm×55 mm，V形口）在室溫（25℃），0和-40℃下的沖擊韌性；依據(jù)《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》（GB／T228.1—2010），使用100 kN電子拉伸試驗機測定試樣的強度及伸長率；依據(jù)《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》（GB／T4340.1—2009），使用FV-700A型號維氏硬度計測定試樣的硬度；對金相試樣進行打磨拋光，經(jīng)FeCl3＋HCl混合酸溶液侵蝕后，利用光學顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）對試樣進行組織觀察.

2 實驗結果

2.1 試樣的金相組織和掃描電鏡觀察組織形貌

圖1為3種試樣的金相組織圖.從圖中可看出，試樣1＃為典型軋制態(tài)組織.這是由于試樣1＃不含Ni，其在《耐熱不銹鋼和鋼帶》（JIS G4312：2019）中給出的最低參考退火溫度為780℃，且有研究發(fā)現(xiàn)厚度為10 mm的SUH409L熱軋卷需經(jīng)850℃退火才可獲得良好的組織性能和力學性能［4］，故在該實驗溫度下試樣1＃達不到最低回復和再結晶的溫度.當SUH409L添加不同含量的Ni后，退火組織發(fā)生了改變，試樣2＃發(fā)生了明顯的回復現(xiàn)象，并出現(xiàn)部分再結晶晶粒［見圖1（b）］；而試樣3＃隨著Ni添加量的增大，出現(xiàn)完全回復的再結晶晶粒［見圖1（c）］.

圖1 3種試樣的金相組織圖Fig.1 Metallographic structure of three samples

圖2示出了試樣2＃和3＃的掃描電鏡（SEM）圖及能譜分析結果.由圖可知：試樣2?？捎^察到帶狀組織傾向，并在晶界和晶內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量的細小顆粒狀物質(zhì)，能譜分析結果顯示其為碳化物；試樣3＃的組織呈不規(guī)則塊狀鐵素體分布，在晶內(nèi)也存在細小顆粒狀的碳化物，但碳化物數(shù)量明顯減少.其中，試樣3＃的磷含量偏高，這是由高溫下的磷偏聚析出后與金屬間化合物結合所致.

圖2 試樣2＃和3＃的掃描電鏡圖和能譜分析結果Fig.2 Scanning electron micrograph and energy spectrum analysis results for samples 2＃and 3＃

2.2 試樣的沖擊韌性

圖3 示出了3種試樣在室溫（25℃），0及-40℃下的沖擊韌性.從圖中可看出，隨著Ni添加量的增大，3種試樣的沖擊韌性大幅提高，特別是-40℃下的低溫韌性得到顯著改善.

圖3 3種試樣在不同溫度下的沖擊性能Fig.3 Impact energy of three samples at different temperatures

2.3 試樣的力學性能

3種試樣的厚度均為10 mm，其力學性能如表2所列.試樣1＃主要為軋制態(tài)組織，故強度和硬度均較高，伸長率較低.隨著試樣中Ni添加量的增大，再結晶的溫度降低，與試樣1＃相比，試樣2＃和3＃基體的抗拉強度和硬度均得到提高，伸長率也得到提高，這表明試樣的塑性得到了改善.

表2 試樣的力學性能Table 2 Mechanical properties of the samples

3 討論與分析

Ni是強穩(wěn)定奧氏體且擴大γ相區(qū)奧氏體形成的元素.它不僅能使點A1下降［5-7］，還能使鐵素體、奧氏體及碳化物的共存溫度降低.隨著鐵素體鋼中Ni添加量的增大，回復和再結晶的溫度降低，其組織變化見圖1.可以發(fā)現(xiàn)，在一定實驗溫度下，試樣2＃僅完成回復并未完成再結晶，而試樣3＃再結晶程度較高.

有研究結果表明［8-9］，Ni的加入會導致大量細小的碳化物在晶界或晶粒邊緣析出.在細化晶粒的同時，碳化物與位錯的相互作用會阻礙位錯運動，起到析出強化的作用，以此提高基體的強度和硬度.但隨著Ni添加量的增大，回復和再結晶的溫度降低，細小碳化物數(shù)量減少，再結晶晶粒的大小對基體強度將起主導作用.因此，與試樣2＃相比，試樣3?；w的強度提高而硬度下降.

Wu等［10］研究發(fā)現(xiàn)，添加Ni可獲得優(yōu)異沖擊功的主要原因是Ni降低了鐵素體的轉(zhuǎn)變溫度，同時還增加了針狀鐵素體的比例，使得高Ni鋼中大角度晶界的比例增加、有效晶粒的尺寸減小.陳廣生等［11］認為，隨著Ni添加量的增大，Ni原子會降低位錯與間隙原子的交互作用，從而可以改善晶體的應力場、減少晶格畸變，以及降低晶界處的應力敏感性，最終達到改善材料沖擊韌性的目的.魏廣升等［4］研究發(fā)現(xiàn)，鋼的沖擊韌性隨鎳含量的增大而提高，主要是由于鋼的組織由單一鐵素體變?yōu)殡p相組織.這與試樣1＃，2＃，3＃隨著Ni添加量的增大所呈現(xiàn)的沖擊韌性的變化相一致.

同時，SUH409L不銹鋼中Ni添加量的增大會促進碳的擴散，使細小碳化物在晶界或晶內(nèi)大量析出，材料的沖擊韌性也因此得到大幅提高.其主要原理是在受力條件下，晶界區(qū)可以通過碳化物細小顆粒間的相對滑移來松弛應力集中，從而提高合金的沖擊韌性［12］.隨著Ni添加量的進一步增大，鐵素體中回復和再結晶的晶粒會進一步變小，碳化物的數(shù)量也在逐漸減少，沖擊韌性持續(xù)增強［13-15］.這與試樣2＃，3＃的檢測結果相吻合：試樣2＃在實驗退火工藝下強度和沖擊韌性受組織處于回復期所制約，大量細小顆粒狀碳化物沉淀析出，對基體起到強化作用；而試樣3＃在實驗退火工藝下完成回復和再結晶過程，其基體的強度和沖擊韌性均得到提高，此時鎳的細晶強化起到關鍵作用.

4 結 論

（1）SUH409L不銹鋼隨著Ni添加量的增大，在相同退火溫度下沖擊韌性得到大幅提高，尤其是低溫沖擊韌性.

（2）添加Ni后，在SUH409L不銹鋼熱軋態(tài)組織回復階段，對強度及沖擊韌性起主要作用的是晶界和晶內(nèi)析出的細小碳化物.

（3）添加Ni后，在SUH409L不銹鋼熱軋態(tài)組織完成回復和再結晶后，對強度及沖擊韌性起關鍵作用的是鎳的細晶強化.