楊代貴 馮進 任俊寶 吳偉民
摘 要:AISI 410馬氏體不銹鋼材料是性價比理想的耐FF級酸性工況的石油設(shè)備制造材料,但其低溫脆性的局限性影響了它在低溫工況的應(yīng)用。在煉鋼、鍛造和熱處理過程中產(chǎn)生的高溫δ鐵素體相是根本原因,文章對不同鍛造溫度下δ鐵素體相的產(chǎn)生進行了試驗和分析,最終找到了一種最適宜的鍛造溫度,可以穩(wěn)定地制造適用于零下29℃低溫工況的410材料。
關(guān)鍵詞:410不銹鋼;-29℃低溫沖擊;δ鐵素體相;鍛造工藝
中圖分類號:TG316 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:2095-2945(2019)01-0097-05
Abstract: AISI 410 Martensitic stainless steel is an ideal material for the manufacture of petroleum equipment which is resistant to FF-class acid condition, but its low temperature brittleness limits its application in low temperature condition. The high temperature δ ferrite phase produced in the process of steel-making, forging and heat treatment is the fundamental reason. In this paper, the formation of δ ferrite phase at different forging temperatures is tested and analyzed, and finally the most suitable forging temperature is found. The 410 materials suitable for working at 29 ℃ below zero temperature can be stably manufactured.
Keywords: 410 stainless steel; -29 ℃ low temperature impact; δ ferrite phase; forging process
前言
AISI 410材料因為其較高的強度、良好的耐腐蝕能力而在石油設(shè)備上得到了廣泛使用,被認(rèn)為是FF級酸性工況性價比較好的材料。但是其低溫脆性的局限性影響了它在加拿大、俄羅斯等亞寒帶和寒帶氣候地區(qū)的應(yīng)用。為了擴大410材料的使用范圍,有必要對410材料的脆性機理和熱加工工藝進行研究。
本文通過在不同的鍛造溫度下對410鍛件進行了試制,用沖擊試驗和金相試驗的方法,對410材料在不同鍛造溫度下δ鐵素體的形成進行了分析,以揭示δ鐵素體相影響410材料低溫脆性的本質(zhì),從而減少在鍛造過程中出現(xiàn)δ鐵素體的可能性。
1 410材料的化學(xué)元素和作用
表1為世界某著名石油設(shè)備制造商的材料化學(xué)成分要求。
C是不銹鋼中的主要元素之一,也是馬氏體不銹鋼中的重要強化元素,它強烈地促進奧氏體的形成,但碳在鋼中極易和其它合金元素如Cr生成(Cr·Fe)23C6。并在晶界處析出,造成晶界貧鉻,導(dǎo)致不銹鋼的晶界腐蝕敏感性。
Cr是不銹鋼中最重要的合金元素,它能溶入鐵素體中,擴大鐵素體區(qū),縮小和封閉奧氏體區(qū)。Cr易與碳生成Cr7C3、Cr23C6等兩種碳化物。
Ni是增大奧氏體穩(wěn)定性和擴大奧氏體區(qū),縮小鐵素體和(鐵素體+奧氏體)區(qū)的元素,它也是形成奧氏體的元素,加入適量的Ni可得到單一組織奧氏體不銹鋼。Ni減少δ鐵素體的含量。
Mn的作用和Ni相似,能擴大奧氏體區(qū),提高奧氏體的穩(wěn)定性,但價格便宜,常用來代替貴重元素Ni。
C、Fe和Cr在不銹鋼中的存在方式:由于它們各自的化學(xué)反應(yīng)能力,其存在方式為游離態(tài)、化合物態(tài)FeC3和Cr23C6。C的原子量12,F(xiàn)e的原子量為56,Cr的原子量52。在FeC3中C和Fe的重量比為(56*1)/(12*3)=1.56:1;在Cr23C6中Cr和C的重量比為(52*23)/(12*6)=16.61:1。由于410材料中含量只有010-0.15%,而Cr含量為11.5-13.5%,F(xiàn)e含量高達(dá)84%以上,在形成FeC3和Cr23C6后,存在大量的游離Fe和Cr,同時由于C、Fe和Cr的化學(xué)反應(yīng)能力不是特別強,一部分C沒有參與化學(xué)反應(yīng),以游離態(tài)的形式存在于鐵素體的間歇固溶體中。
δ鐵素體的形成機理:間歇固溶體中的C、Fe和Cr等游離態(tài)元素,當(dāng)加熱到一定溫度時,發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化合物FeC3和Cr23C6析出,造成此處的間歇固溶體“貧碳”“貧鉻”,變成不含強化元素C和Cr的鐵素體?!八亍闭?,顧名思義,什么強化元素都沒有,因此鐵素體的強度很低。同時Cr23C6的強度和硬度很高、脆性很大,加上“木桶理論”中的短板效應(yīng),δ鐵素體所在位置材料的強度很低、脆性很大。
2 合格410原材料,不同鍛造溫度下材料機械性能和δ鐵素體含量變化的試驗研究
2.1 鍛造原材料的準(zhǔn)備
為了完成這項研究,首先需要確定410原材料是合格的。我們采用了電渣重熔鋼錠,其生產(chǎn)流程為:電爐冶煉+真空精煉+電渣重熔(EF-VD-ESR)。
原材料進行了檢驗,成分偏析、夾雜、疏松等的合格率100%,可不考慮它們的不利影響。
從鋼廠提供的質(zhì)量證明書可以看到其H含量一般都小于1.8PPm,因此鍛后熱處理只考慮消除鍛造應(yīng)力、穩(wěn)定組織、降低硬度等即可,而不用擔(dān)心白點的產(chǎn)生。
由于電渣重熔鋼錠從鋼水澆注、凝固直至冷卻過程跨越的溫度區(qū)間非常大,δ鐵素體是必然會產(chǎn)生的,在對原材料進行準(zhǔn)備時,需要確定其不存在過量的塊狀δ鐵素體。為此進行了圖1 410原材料100倍金相組織檢查,發(fā)現(xiàn)了δ鐵素體,我們認(rèn)為在可接收范圍內(nèi)。圖1為410原材料100倍金相組織檢查情況。
2.2 鍛造加熱溫度的試驗設(shè)計方案
為了確定鍛造加熱溫度對最終性能的影響,我們對合格的410原材料,分別采用1000℃、1080℃、1130℃和1080℃四種初始鍛造溫度。同時,為了防止試驗結(jié)果的隨機性,每種溫度下分別鍛造了三個試塊。在經(jīng)過相同的熱處理后(按NACE MR0175規(guī)范[1]規(guī)定的溫度進行正火+兩次回火),按ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)[2]加工試樣并進行拉伸試驗,按ASTM E23標(biāo)準(zhǔn)[3]進行沖擊試驗,按ASTM E10標(biāo)準(zhǔn)[4]進行布氏硬度試驗,按ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)[5]進行晶粒度檢查和金相組織檢查,結(jié)果如表2。
表2為合格的410電渣錠進行不同鍛造溫度鍛造后性能試驗結(jié)果。
性能試驗結(jié)果表明,1180℃加熱鍛造的試塊,低溫沖擊韌性都不合格,而初鍛溫度1130℃的試塊,11個試塊全部合格,并且鍛造溫度越低,沖擊值越高越均勻。
圖2為不同鍛造溫度下試樣的金相組織照片。
為了揭示低溫沖擊試驗不合格的本質(zhì),我們對全部14組沖擊試樣進行了100倍金相組織檢驗,見圖2同鍛造溫度下試樣的金相組織照片,所有的試樣都發(fā)現(xiàn)了δ鐵素體,但是1180℃初鍛的試樣,δ鐵素體明顯粗大,這說明鍛造加熱溫度高于1150℃以后,原材料本身帶來的δ鐵素體會長大,這是因為附近晶格中C、Fe和Cr等游離態(tài)元素,當(dāng)加熱到1150℃以上溫度時,發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化合物,析出后的基體變成了新的δ鐵素體。
3 不合格410原材料(δ鐵素體含量超過15%),不同鍛造溫度下材料機械性能和δ鐵素體含量變化的試驗研究
選用了δ鐵素體含量超過15%的同一爐號410原材料4塊,在1080℃和1150℃兩個不同初鍛溫度下進行鍛造,以驗證初鍛溫度的變化是否可以改變材料機械性能和δ鐵素體含量,結(jié)果表明無論鍛造工藝參數(shù)如何改變,熱處理后組織中δ鐵素體的含量依然較多,雖然熱后晶粒度達(dá)到5-6級,低溫沖擊值依然較低,見表3不合格的410原材料進行不同鍛造溫度鍛造后性能試驗結(jié)果和圖3不合格的410原材料進行不同鍛造溫度鍛造后金相檢測結(jié)果。
表3為不合格的410原材料進行不同鍛造溫度鍛造后性能試驗結(jié)果。
圖3為不合格的410原材料進行不同鍛造溫度鍛造后金相檢測結(jié)果。
4 不同爐號的試塊原材料中δ鐵素體含量對最終性能的影響
選用了不同爐號410原材料4塊,其中2塊δ鐵素體含量合格,另2塊不合格。在1080℃的相同初鍛溫度下進行鍛造,結(jié)果表明合格原材料鍛造的試塊,性能和δ鐵素體含量仍然合格;不合格原材料鍛造的試塊,性能和δ鐵素體含量仍然不合格。見表4 合格原材料鍛造的試塊鍛造后性能仍然合格,不合格原材料鍛造的試塊鍛造后性能仍然不合格;圖4合格原材料鍛造的試塊鍛造后δ鐵素體含量仍然合格,不合格原材料鍛造的試塊鍛造后δ鐵素體含量仍然不合格。
表4為合格原材料鍛造的試塊鍛造后性能仍然合格,不合格原材料鍛造的試塊鍛造后性能仍然不合格。
圖4顯示了合格原材料鍛造的試塊鍛造后δ鐵素體含量仍然合格,不合格原材料鍛造的試塊鍛造后δ鐵素體含量仍然不合格。
5 結(jié)束語
上述試驗結(jié)果表明,控制δ鐵素體含量是解決410材料在零下29℃低溫沖擊性能穩(wěn)定性問題的關(guān)鍵。如果原材料本身具有較高的初始δ鐵素體含量,則無論鍛造和熱處理溫度如何變化,都無法解決低溫脆性問題。其次是不適當(dāng)?shù)腻懺斐跏煎懺鞙囟?,也會?dǎo)致原先合格的410材料δ鐵素體含量增大。因此,為了生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)耐零下29℃低溫沖擊的410鍛件,鍛造廠應(yīng)選擇合適的鋼廠,并實施嚴(yán)格的進貨檢驗;其次實施嚴(yán)格的內(nèi)部鍛造過程控制,選擇合適的鍛造工藝,嚴(yán)格控制鍛造的初鍛溫度。
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