(太原重工股份有限公司,山西030024)
CD3MN是一種強度較高、耐腐蝕性能較好的雙相不銹鋼。該材質兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點,與鐵素體相比,材質的塑性和韌性更高,耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高;與奧氏體不銹鋼相比,材質的強度高且耐氯化物應力腐蝕明顯提高,具有優(yōu)良的耐點腐蝕性能。本研究在材質實驗基礎上,進行了熱處理工藝優(yōu)化,并進行了應用。
試驗用鋼為ASME SA-995標準CD3MN雙相不銹鋼鑄造材質,采用真空感應電爐熔煉,材質化學成分見表1。澆注一組基爾試驗料,然后分割標示進行熱處理試驗。
CD3MN雙相不銹鋼材質的熱處理工藝為固溶處理,選擇1020℃、1070℃、1120℃、1170℃不同固溶溫度的試驗方案進行熱處理試驗。
實驗后,按照GB/T228.1進行力學性能試驗,采用ASTM E562標準規(guī)定進行鐵素體含量檢測,按照ASTM G48標準進行點腐蝕試驗;并按照GB/T228.2進行了100℃、200℃、300℃、475℃的高溫力學性能試驗。分析確定適合的熱處理工藝。
CD3MN材質按不同溫度固溶處理后,力學性能試驗分析數據如表2所示。
從力學性能數據看,在1020~1170℃溫度范圍,隨著固溶溫度的提高,抗拉強度呈提高的趨勢,伸長率也呈提高的趨勢,沖擊韌性呈先提高后降低的趨勢;1120℃溫度固溶處理,抗拉強度和伸長率等性能都較高,達到材質標準要求,此熱處理方案較好。
材質熱處理試驗后,進行了顯微組織和鐵素體含量分析檢測,結果見圖1、表3。
顯微組織分析:固溶處理后顯微組織為鐵素體+奧氏體雙相組織,從1020℃到1170℃,隨著固溶溫度的升高,鐵素體含量呈不斷增加趨勢;1020℃固溶處理后,鐵素體基體上的奧氏體形態(tài)以板條狀為主;1070℃固溶處理時,板條奧氏體逐漸變?yōu)閸u狀形態(tài),分布開始趨于均勻,鐵素體含量為46.06%;1120℃固溶處理時,板條狀奧氏體變?yōu)樾u狀分布于鐵素體基體上,鐵素體含量為49.02%,奧氏體和鐵素體兩相比例接近1∶1;1170℃固溶處理時,奧氏體成小島狀彌散分布于鐵素體基體上,且奧氏體量減少,鐵素體含量達到55%。綜合分析固溶溫度以1120℃為優(yōu)。
表1 材質的化學成分(質量分數,%)Table 1 Chemical compositions of material (mass fraction, %)
表2 力學性能試驗結果Table 2 Test results of mechanical properties
圖1 不同固溶溫度顯微組織分析Figure 1 Microstructure analysis at different solution temperatures
試驗方案A1A2A3A4鐵素體含量45.6946.0649.0255.26
CD3MN材質不同溫度固溶處理后,加工成40 mm×20 mm×4 mm腐蝕試驗試樣,按ASTM G48方法A進行點腐蝕試驗,采用6%FeCl3水溶液進行72 h的點腐蝕試驗,不同試驗方案點腐蝕速率試驗數據見表4。
表4 材質點腐蝕試驗數據Table 4 Pitting corrosion test data of material
從點腐蝕試驗結果看,在1020~1170℃溫度范圍,隨著固溶溫度的提高,點腐蝕速率呈先降低后增加趨勢。當1020℃固溶時,由于奧氏體呈板條及不均勻分布,因而耐點腐蝕性能差;當1120℃固溶時,由于奧氏體和鐵素體兩相比例接近且分布均勻,耐點腐蝕性能較好,點腐蝕速率為0.0148 g/(m2·h),滿足用戶小于0.04 g/(m2·h)的要求;當1170℃固溶時,由于奧氏體比例減少,鐵素體含量提高,兩相分布不再均勻,因而耐點腐蝕性能下降。
圖2 材質高溫處理顯微組織照片Figure 2 Microstructure pictures of material at high temperature heat treatment
試驗編號試驗溫度℃Rp0.2MPaRmMPaA%Z%A3-1A3-2A3-3A3-4A3-52010020030047542638132329025066356053755653242.538.533.534.536.071.074636164
選擇力學性能及耐點腐蝕性能較好的試驗方案A3(1120℃固溶處理)的試驗料,進行了室溫及100℃、200℃、300℃、475℃高溫力學性能對比試驗,高溫力學性能試驗數據見表5;并對高溫力學性能試驗后試驗料進行了顯微組織分析,見圖2。
2.4.1 材質高溫力學性能試驗
從高溫拉力性能試驗結果分析看,材質屈服強度隨著試驗溫度的提高呈下降的趨勢,300℃時屈服強度降低到290 MPa,降低到性能標準要求70%以下;475℃時屈服強度降低到250 MPa,降低到標準性能要求的60%;理論上此材質的使用溫度在300℃以下,因此CD3MN材質鑄件在使用及鑄造過程中都要注意控制工件的溫度。
2.4.2 材質高溫顯微組織分析
從不同溫度試樣金相分析看:固溶處理后,奧氏體的形態(tài)由鑄態(tài)板條大部分變?yōu)閸u狀形態(tài),分布較均勻;固溶+200℃及300℃保溫拉力試驗,奧氏體形態(tài)趨于圓滑,趨于均勻彌散;固溶+475℃保溫處理,奧氏體形態(tài)更加圓滑,同時在鐵素體基體內產生少量富鉻的α′相析出,α′相為脆性組織,表現為力學性能嚴重下降,表現出475℃脆裂現象。所以CD3MN材質使用時一般要求在300℃以下。
CD3MN屬高強度、塑韌性能好、耐蝕性能好雙相不銹鋼材質。在總結CD3MN材質熱處理試驗基礎上,確定材質的鑄造、熱處理、清理等生產工藝及關鍵工序控制重點,并進行了生產應用。目前已完成泵體、泵蓋、導葉體、CAP1400核電用泵葉輪室和喇叭口等20余套大型電站循環(huán)水泵CD3MN材質鑄件的生產,按照優(yōu)化的熱處理工藝處理,鑄件的力學性能、鐵素體含量和點腐蝕性能全部達到ASME SA-995標準和用戶的特殊技術要求,并通過用戶的復驗。通過系列CD3MN材質大型雙相不銹鋼泵類鑄件的生產,在雙相不銹鋼鑄鋼材質的生產方面積累了寶貴的經驗,拓寬了企業(yè)的產品領域,為企業(yè)的轉型發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。
(1)試驗表明,隨固溶處理溫度的提高,材質顯微組織中鐵素體含量呈不斷增加趨勢,點腐蝕速率呈先降低后增加的趨勢,當1120℃固溶時,由于奧氏體和鐵素體兩相比例相近且分布均勻,耐點腐蝕性能較好,能滿足點腐蝕速率的技術要求。
(2)高溫試驗證明,300℃時屈服強度降低到標準要求70%以下;475℃時試驗時,屈服強度降低到更低并析出少量α′脆性組織,易產生脆裂;因此材質的使用溫度在300℃以下,鑄造過程要注意控制鑄件的溫度。
(3)生產應用證明,試驗確定的CD3MN材質固溶熱處理工藝方案,能滿足大型泵類鑄件熱處理的要求,能保證材質的力學性能及耐點腐蝕性能滿足標準的要求。