耐熱不銹鋼

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固溶處理對高鋁310S耐熱不銹鋼組織和性能的影響

來源:至德鋼業 日期:2020-06-01 19:01:06 人氣:22

對鋁含量為2%4%(質量分數)的熱軋態310S耐熱不銹鋼進行不同條件下的固溶處理,用光學顯微鏡觀察了顯微組織,用EPMA-1600電子探針分析了組織中各元素分布,并進行了室溫拉伸性能測試。結果表明,高鋁310S耐熱不銹鋼1150℃固溶處理時,隨著時間延長晶粒尺寸明顯增大,Cr7C3顆粒和Al4C3顆粒含量均大幅度減少,殘余的Cr7C3顆粒逐漸聚集長大,并和Al4C3顆粒一起沿晶界呈鏈條狀析出;1200℃×2h固溶處理,Cr7C3顆粒完全消失,而Al4C3相少量殘余。高鋁310S耐熱不銹鋼合理的固溶處理工藝為:1200℃保溫2h,然后水淬處理,經此工藝處理的試樣抗拉強度和屈服強度均高于傳統工藝(1150℃×30min)。

奧氏體耐熱不銹鋼310S因鎳(Ni)、鉻(Cr)含量高在氧化介質中具有優良的耐蝕性,同時具有良好的高溫力學性能,因此它既可用于耐蝕部件又可用于高溫部件。常用作爐門、加熱爐輥筒、鍋爐熱分解管道、蒸汽過熱器、熱交換器、退火箱等。Fe-Cr-Ni合金中加Al、Ti、Nb、Ta等元素,生成的長程有序的金屬間化合物提高合金的高溫性能,在鎳基高溫合金中已得到了大量應用。AlFe、Ni發生反應可形成一些性能優良的有序金屬間化合物,使合金獲得更高的蠕變抗性,具有更高的高溫強度。

作者前期研究了Al含量對鑄態310S奧氏體耐熱不銹鋼的組織、力學性能、焊接性能以及高溫抗氧化性的影響,發現Al元素的加入使合金表面形成一層致密的Al2O3保護膜,高溫抗氧化性得到了較大幅度的提升。當Al含量小于6%時合金基體仍然為奧氏體,其力學性能沒有明顯降低;Al含量大于6%時基體中出現大量鐵素體同時合金轉變為脆性材料。在此基礎上又研究了含Al2%6%的熱軋態鋼板的組織和性能,結果表明310S熱軋板材中AlAl4C3相的形式出現富集,且Al含量越高富集現象越嚴重,合金綜合力學性能明顯高于國家標準對310S板的要求。

目前熱軋態的310S耐熱不銹鋼大都經過固溶處理后使用,其目的是:①使熱軋過程中析出的碳化物在高溫下固溶于奧氏體中以減少晶內貧Cr,提高高溫耐腐蝕性能。同時將熱軋加工產生的少量σ相固溶于奧氏體基體,以避免性能惡化。②通過急冷,使固溶了碳的奧氏體保持到室溫,減少鋼中鐵素體的含量。③通過固溶參數的調整,對鋼的晶粒度進行控制,使鋼的組織得到軟化,對整個板材的質量有著相當重要的意義。本文主要對固溶處理后的熱軋高鋁310S耐熱不銹鋼的組織和力學性能進行研究,探索固溶處理工藝對組織和力學性能的影響,為通過固溶處理調控高鋁310S耐熱不銹鋼板材的性能提供理論依據。

1試驗材料與方法

按表1試驗合金設計的成分稱取Fe、Cr、Ni、Al、Mn、Si、C粉末。放入QM-BP行星式球磨機中混合均勻,球磨機轉速為150r/min,用Al2O3陶瓷球作為球磨介質,混合8h。把混合后的粉末在鋼模中壓成20mm×50mm圓柱,在氬氣保護下將壓成的圓柱在WS-4非自耗真空電弧熔煉爐中熔煉,熔煉電流為250A。熔體在水冷銅坩鍋中保溫2min后關閉電弧,在銅模中凝固,為了保證組織的致密和均勻,每種成分的合金重熔46次。將熔煉好的合金打磨掉表面缺陷和氧化皮并在壓力機下進行熱壓開坯,熱壓溫度為1200℃,保溫時間3040min,熱壓壓力6080MPa,道次810次,熱壓總變形量約為60%。把熱壓后的試樣加工成30mm×30mm×4mm的軋制試樣,采用微型手動軋機進行軋制;試樣軋制溫度為1200℃,保溫時間5min,軋制道次1620道次,軋制總變形量約為40%,得到厚度為3mm的板材試樣。為消除試樣在變形和加工時的內應力,各成分合金軋制結束后在400℃下保溫2h進行去應力退火,并將該狀態的合金分別編號為1-0,2-0。合金在箱式電阻爐中進行固溶處理,不同固溶處理參數如表2所示,冷卻方式為水冷。

將不同參數固溶處理后的合金試樣用水砂紙打磨、機械拋光后用FeCl3+鹽酸+蒸餾水腐蝕液侵蝕,在Mef3光學顯微鏡下觀察試樣的顯微組織,利用EPMA-1600電子探針對合金中各元素的分布進行分析。根據國家標準GB/T2282002《金屬材料室溫拉伸試驗》的技術要求,將固溶后的板材加工成拉伸試樣。拉伸試樣的尺寸如圖1所示,其中標距為10mm,厚度1mm。拉伸實驗在微機控制電子式萬能材料試驗機上進行,最大載荷10t,拉伸速率為0.1mm/min。為保證實驗結果的準確性,不同成分分別加工3個拉伸試樣,測試結果取平均值。根據每種合金的載荷-位移數據,計算應力σ和其對應的變形量ΔL,再根據ΔL計算出應變ε,繪制工程應力-應變曲線。根據應力-應變曲線,確定各成分合金的屈服強度σ0.2,抗拉強度σb。

2結果

1顯微組織

1(a)No.1合金(310S+Al2%)固溶處理前熱軋態的顯微組織圖,基體主要由γ基體+白色顆粒狀Cr7C3+黑色大顆粒狀Al4C3+黑色小顆粒狀(Fe,Ni)Al金屬間化合物組成。圖1(b)和圖1(c)No.1合金在1150℃固溶處理30min6h組織,結合圖2中合金元素的分布可知,晶粒尺寸隨固溶處理時間的增加而增加。顆粒狀Cr7C3數量逐漸減少,殘留的Cr7C3逐漸長大、聚集并最終在晶界處以鏈狀形式存在。經1150℃固溶處理30min后,黑色Al4C3的數量和分布狀態并未發生實質性改變。當固溶處理時間增加到6h后,Al4C3仍以顆粒狀的形式存在,但其數量明顯減少,沿晶界分布。Cr7C3顆粒數量也減少,但未完全消失,尺寸在20μm左右,明顯小于未加鋁的310S。

3(a)No.2合金(310S+Al4%)固溶處理前熱軋態的光學顯微組織圖,與No.1合金的基體組織一致,區別在于No.2合金中的Al4C3數量明顯多于No.1合金,這是由于No.2合金中的Al含量較高所致。圖3(b)和圖3(c)分別為No.2合金在1150℃固溶處理30min6h的組織,對比可知隨固溶處理時間的增加,晶粒尺寸逐漸增加,顆粒狀Cr7C3數量逐漸減少直至消失,殘留的Cr7C3長大至100μm左右,聚集并最終以沿晶界析出的鏈狀形式存在。Al4C3顆粒隨固溶處理時間的變化趨勢與No.1合金基本一致。

比較No.1No.2合金可知,固溶處理相同時間,2號合金中Cr7C3相的粗化速度明顯大于No.1合金。圖4No.1合金1200℃固溶處理2hEPMABEI組織和對應的元素分布圖。結合圖12可知,經過1200℃×2h的固溶處理后,顆粒狀Cr7C3完全消失,Al4C3的含量顯著減少。固溶處理效果明顯優于1150℃×6h的固溶處理。這一結果表明,傳統的310S耐熱不銹鋼固溶處理工藝對高鋁310S耐熱不銹鋼板材并不適合,合適的固溶處理溫度應為1200℃,固溶處理時間視試樣的大小和合金的具體化學成分而定。

2.2室溫拉伸性能測試

5為不同鋁含量310S耐熱不銹鋼板材經1150℃×30min1200℃×2h固溶處理前后的工程應力-應變曲線。根據應力-應變曲線確定出No.1No.2合金固溶處理前后的力學性能參數(3)。由表3可知,經1150℃×30min固溶,No.1合金固溶后抗拉強度為530MPa,比固溶前降低了15.8%;屈服強度由固溶前的326MPa降低到242MPa;伸長率提升顯著,由固溶前44%提升至59.5%,提升幅度35.2%。No.2合金固溶后抗拉強度略有提高,由固溶前的533MPa升高到546MPa,提高幅度在試驗誤差范圍以內,可忽略不計;固溶后屈服強度降低了32MPa,約為10.3%;固溶后伸長率為41%,提高了28.1%。經1200℃×2h固溶處理后,No.1合金固溶后的抗拉強度與屈服強度較固溶前均有小幅降低,伸長率基本保持不變。No.2合金固溶后,抗拉強度提高為591MPa,提升幅度10.9%;屈服強度與伸長率較固溶前變化不大。

總體來說,合金經1150℃×30min1200℃×2h固溶處理后,其性能均高于《世界鋼合金技術條件與牌號對照手冊》中對310S熱軋板材的要求。其中經后者工藝處理后的試樣抗拉強度和屈服強度均高于前者,而伸長率略有下降。鋁含量由2%增加到4%時,固溶合金強度隨鋁含量增加有升高趨勢,而伸長率有所降低。

2.3分析討論

鋼中加入Al元素既能降低碳的擴散速度,使碳化物由團聚狀向斷續的鏈條狀轉變,又使部分C原子以Al4C3的形式存在;Al含量增加,作用更明顯,殘留Al4C3的數量增多,Cr7C3數量減少。Al是鐵素體形成元素,加Al使合金的完全奧氏體化困難,因此,Al含量越高,合金奧氏體化所需的時間延長,碳化物長大越明顯,所需的固溶處理時間越長。不同鋁含量310S耐熱不銹鋼1150℃固溶處理30min后,Cr7C3顆粒含量降低,而Al4C3含量變化不明顯,可見,高溫下Al4C3Cr7C3具有更高化學穩定性;而固溶時間增至6h后,顆粒狀碳化物均大幅減少,僅少量殘余Cr7C3Al4C3顆粒一起沿晶界呈鏈條狀析出。

一般來說,固溶處理時合金組元溶入金屬基體,使晶格發生畸變,增加位錯密度,產生“柯氏氣團”,位錯要發生滑移,必須克服氣團的釘扎作用,增大所需的切應力;且合金組元的原子和位錯之間還會產生電交互作用,合金強度得到提升。然而高鋁310S耐熱不銹鋼板材經1150℃固溶處理30min后,合金強度降低。這是因為固溶處理后,基體內固溶的合金元素增加的同時,顆粒狀碳化物(Cr7C3Al4C3)的數量減少,固溶強化的效果沒有顆粒相強化的效果顯著,導致了合金固溶處理后強度的降低。而且由Hall-Patch公式,晶粒越細,枝晶間距越小,屈服強度越高;而晶粒尺寸隨固溶溫度提高而增大,所以固溶后合金的屈服強度降低。由于大變形量后晶粒內部有非常高的畸變能,固溶處理后,鋼中碳化物大量溶于奧氏體基體中,這時彌散的碳化物對位錯的釘扎作用有限,而這些畸變能在1150℃保溫時迅速釋放,破環了穩定位錯亞結構,使得加工硬化程度迅速降低。隨鋼中碳化物溶入基體,鋼中塑性極佳的單相奧氏體組織所占比重越來越大,從而提高了310S耐熱不銹鋼的塑性。

310S耐熱不銹鋼板材根據其不同的服役環境需選擇合適的固溶處理工藝,以使Cr7C3完全溶于基體,減少晶內的貧Cr,使其具有更高的耐蝕性。310S耐熱不銹鋼板材中Cr含量為25%,遠高于耐腐蝕材料所需的最低Cr含量(13%);并且加入鋁后,基體內形成部分Al4C3顆粒,減少了形成Cr7C3顆??芍涞?/span>C原子,晶內貧Cr現象得到較好的抑制。此外,高鋁310S耐熱不銹鋼在高溫條件下服役時,材料表面會形成穩定的能顯著提高材料高溫耐腐蝕能力的Al2O3鈍化膜。相比之下固溶處理前的高鋁310S耐熱不銹鋼板材具有更高的力學性能,因此,除非服役環境對合金具有更高的耐腐蝕性要求,高鋁310S耐熱不銹鋼一般不需要進行固溶處理。如有必要,推薦固溶處理溫度為1200℃,固溶處理時間視合金的具體成分和試樣的大小而定。

3結論

1)高鋁310S耐熱不銹鋼1150℃×30min固溶處理后,顆粒狀Cr7C3的含量顯著減少,Al4C3含量基本不變;1150℃×6h固溶處理后,晶粒尺寸明顯增大,Al4C3顆粒的含量大幅減少,大部分顆粒狀Cr7C3消失,殘余的Cr7C3逐漸聚集長大,最終和Al4C3一起沿晶界呈鏈條狀析出;1200℃×2h固溶處理后,Cr7C3顆粒完全溶入奧氏體基體,Al4C3顆粒含量大幅減少;

2)高鋁310S耐熱不銹鋼合理的固溶處理工藝為:1200℃保溫2h,然后水淬處理。經此工藝處理的試樣抗拉強度和屈服強度均高于傳統工藝(1150℃×30min)值,伸長率略有下降。鋁含量由2%增加到4%時,固溶合金強度隨鋁含量的增加有升高趨勢,而伸長率有所降低。

本文標簽:310S耐熱不銹鋼 

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