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        410不銹鋼材料零下29℃低溫沖擊性能穩(wěn)定化鍛造工藝研究

        2019-01-26 10:25:04楊代貴馮進(jìn)任俊寶吳偉民
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2019年1期
        關(guān)鍵詞:試塊鐵素體奧氏體

        楊代貴 馮進(jìn) 任俊寶 吳偉民

        摘 要:AISI 410馬氏體不銹鋼材料是性價(jià)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(jìn)行了試驗(yàn)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?yàn)槠漭^高的強(qiáng)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(jià)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(kuò)大410材料的使用范圍,有必要對410材料的脆性機(jī)理和熱加工工藝進(jìn)行研究。

        本文通過在不同的鍛造溫度下對410鍛件進(jìn)行了試制,用沖擊試驗(yàn)和金相試驗(yàn)的方法,對410材料在不同鍛造溫度下δ鐵素體的形成進(jìn)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(qiáng)化元素,它強(qiáng)烈地促進(jìn)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(kuò)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(kuò)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(kuò)大奧氏體區(qū),提高奧氏體的穩(wěn)定性,但價(jià)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(shí)由于C、Fe和Cr的化學(xué)反應(yīng)能力不是特別強(qiáng),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(jī)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(shí),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(qiáng)化元素C和Cr的鐵素體?!八亍闭?,顧名思義,什么強(qiáng)化元素都沒有,因此鐵素體的強(qiáng)度很低。同時(shí)Cr23C6的強(qiáng)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(qiáng)度很低、脆性很大。

        2 合格410原材料,不同鍛造溫度下材料機(jī)械性能和δ鐵素體含量變化的試驗(yàn)研究

        2.1 鍛造原材料的準(zhǔn)備

        為了完成這項(xiàng)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(jìn)行了檢驗(yàn),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(diǎn)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(huì)產(chǎn)生的,在對原材料進(jìn)行準(zhǔn)備時(shí),需要確定其不存在過量的塊狀δ鐵素體。為此進(jìn)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(yàn)設(shè)計(jì)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(shí),為了防止試驗(yàn)結(jié)果的隨機(jī)性,每種溫度下分別鍛造了三個(gè)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(jìn)行正火+兩次回火),按ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)[2]加工試樣并進(jìn)行拉伸試驗(yàn),按ASTM E23標(biāo)準(zhǔn)[3]進(jìn)行沖擊試驗(yàn),按ASTM E10標(biāo)準(zhǔn)[4]進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn),按ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)[5]進(jìn)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(jìn)行不同鍛造溫度鍛造后性能試驗(yàn)結(jié)果。

        性能試驗(yàn)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(gè)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(yàn)不合格的本質(zhì),我們對全部14組沖擊試樣進(jìn)行了100倍金相組織檢驗(yàn),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(huì)長大,這是因?yàn)楦浇Ц裰蠧、Fe和Cr等游離態(tài)元素,當(dāng)加熱到1150℃以上溫度時(shí),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(jī)械性能和δ鐵素體含量變化的試驗(yàn)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(gè)不同初鍛溫度下進(jìn)行鍛造,以驗(yàn)證初鍛溫度的變化是否可以改變材料機(jī)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(jìn)行不同鍛造溫度鍛造后性能試驗(yàn)結(jié)果和圖3不合格的410原材料進(jìn)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(jìn)行不同鍛造溫度鍛造后性能試驗(yàn)結(jié)果。

        圖3為不合格的410原材料進(jìn)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(jìn)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(yàn)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?huì)導(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(shí)施嚴(yán)格的進(jìn)貨檢驗(yàn);其次實(shí)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。

        參考文獻(xiàn):

        [1]NACE MR0175/ISO15156.石油天然氣工業(yè)-石油天然氣生產(chǎn)硫化氫環(huán)境使用材料[S].

        [2]ASTM A370.鋼制產(chǎn)品機(jī)械性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義[S].

        [3]ASTM E23.金屬材料帶缺口棒材的沖擊試驗(yàn)方法[S].

        [4]ASTM E-10.金屬材料布氏硬度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[S].

        [5]ASTM E112.確定平均晶粒度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[S].

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