吳月龍，陳 坤，王俊海

（1 山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南271100；2 上海海事大學(xué)，上海201306）

2507不銹鋼為超級(jí)雙相不銹鋼，由于其超低碳和高鉻、高鉬、高氮的成分設(shè)計(jì)，主要用于較為苛刻的介質(zhì)，尤其應(yīng)用于高氯環(huán)境，具有很高的耐腐蝕性能［1-4］。某鋼廠生產(chǎn)的一批2507 不銹鋼鑄件，固溶處理后表面出現(xiàn)大量裂紋，以至于鑄件全部判廢。為查明開裂原因，取樣進(jìn)行分析并對(duì)2507 不銹鋼固溶工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 樣品開裂原因分析

該批次2507 不銹鋼鑄件固溶處理前未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，使用FMP30鐵素體儀測(cè)定樣品鐵素體含量為36.7%，固溶處理工藝為1 100 ℃保溫1.5 h 后水冷，固溶處理后出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

1.1 宏觀形貌檢測(cè)

對(duì)開裂樣品進(jìn)行宏觀形貌檢測(cè)，結(jié)果見圖1。樣品一般沿邊緣部位開始開裂并逐漸向里延伸（圖1a），將開裂樣品進(jìn)行輕微敲擊處理，裂紋會(huì)迅速擴(kuò)展直至發(fā)生斷裂。對(duì)未開裂部位切割、研磨時(shí)發(fā)現(xiàn)，研磨面逐漸出現(xiàn)裂紋并在研磨過(guò)程中裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，裂紋形貌見圖1b，裂紋沿樣品表面逐漸向內(nèi)擴(kuò)展，且出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。

圖1 樣品宏觀形貌檢測(cè)結(jié)果

1.2 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

對(duì)開裂樣品截取樣品用SPECRTOLAB M10 型光電直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見表1。各元素含量均符合GB/T 20878標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果%

1.3 金相檢測(cè)結(jié)果

在樣品開裂部位附近截取金相試樣，磨制拋光后在GX51 金相顯微鏡下進(jìn)行金相觀察，結(jié)果見圖2。檢測(cè)面存在一定數(shù)量的圓球狀非金屬夾雜物顆粒，尺寸不大（圖2a）。裂紋延伸處無(wú)明顯的非金屬夾雜物聚集現(xiàn)象（圖2b）。上述金相樣品經(jīng)苦味酸鹽酸溶液侵蝕后進(jìn)行金相觀察，基體組織為鐵素體+奧氏體組織（圖2c），并在鐵素體/奧氏體晶界析出大量的σ相，使用FMP30鐵素體儀測(cè)定樣品鐵素體含量為16.7%。裂紋主要沿著鐵素體/奧氏體晶界的σ相聚集部位開裂（圖2d）。

1.4 熱處理試驗(yàn)

對(duì)開裂樣品截取小塊樣品使用納博熱箱式電阻爐進(jìn)行1 100 ℃保溫30 min 水冷固溶處理，磨制金相試樣在GX51 金相顯微鏡下進(jìn)行金相觀察，結(jié)果見圖3。組織為鐵素體+奧氏體組織，奧氏體組織呈小島狀或長(zhǎng)條狀，使用FMP30鐵素體儀測(cè)定樣品鐵素體含量為42.8%。

1.5 小 結(jié)

通過(guò)對(duì)開裂樣品進(jìn)行金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，基體部位鐵素體/奧氏體晶界析出大量的σ相，裂紋主要沿著鐵素體/奧氏體晶界的σ 相聚集部位開裂的。σ 相是一種具有四方結(jié)構(gòu)、富Cr且富Mo的脆性相，可使鋼的塑形、韌性急劇下降。通過(guò)進(jìn)一步固溶處理后，組織恢復(fù)正常。由此可以推斷，固溶處理出現(xiàn)了問(wèn)題，鑄態(tài)樣品、開裂樣品及再次固溶處理樣品的鐵素體含量變化也能說(shuō)明這一問(wèn)題。

圖2 試樣金相組織檢測(cè)結(jié)果

圖3 樣品重新固溶后金相檢測(cè)結(jié)果

2 2507不銹鋼固溶工藝試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)樣品開裂原因分析可知，固溶工藝設(shè)計(jì)與操作對(duì)2507 不銹鋼非常重要，但是現(xiàn)在文獻(xiàn)中對(duì)雙相不銹鋼σ 相的析出機(jī)理研究較多，但是對(duì)2507 不銹鋼固溶工藝實(shí)踐研究不多。為避免上述開裂缺陷的發(fā)生，取樣進(jìn)行2507 不銹鋼固溶工藝研究。進(jìn)行固溶試樣的樣品取自于與開裂樣品同批次的鑄坯，加工尺寸為20 mm×30 mm×12 mm。

2.1 不同溫度固溶試驗(yàn)

參照相對(duì)成熟的雙相不銹鋼固溶工藝及文獻(xiàn)，設(shè)定固溶工藝為750～1 300 ℃每間隔50 ℃保溫30 min水冷，熱處理后進(jìn)行相比例測(cè)定和HRC硬度檢測(cè)，同時(shí)進(jìn)行顯微組織對(duì)比觀察分析，結(jié)果見圖4、圖5。鐵素體相比例含量在750～950 ℃范圍內(nèi)相對(duì)偏低，一般低于40%，這與該溫度區(qū)間內(nèi)σ 相析出較大，在1 050～1 150 ℃范圍內(nèi)鐵素體相比例在50%左右，鐵素體與奧氏體兩相趨近于平衡狀態(tài)。1 200 ℃開始，鐵素體相比例逐漸提高至60%左右。通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行HRC硬度檢測(cè)可知，在750～900 ℃區(qū)間與1 050～1 150 ℃區(qū)間范圍內(nèi)硬度較低，塑形較好。然而在750～900 ℃易出現(xiàn)σ 相析出，因此固溶溫度在1 050～1 150 ℃區(qū)間范圍內(nèi)為最佳。

圖4 樣品鐵素體相比例與HRC硬度檢測(cè)結(jié)果

圖5 固溶前后金相檢測(cè)結(jié)果

2.2 不同冷卻速度固溶工藝試驗(yàn)

通過(guò)不同溫度固溶處理試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，開裂鑄件選擇的固溶工藝沒(méi)有問(wèn)題，然而仍會(huì)出現(xiàn)開裂事故，推斷可能與冷卻速度有關(guān)?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作，選擇的不同冷卻速度固溶工藝為：固溶溫度為1 100 ℃，冷卻方式分別選擇水冷、水冷3 s 后空冷、水冷6 s后空冷、空冷、空冷30 s后水冷、空冷60 s后水冷、空冷90 s后水冷共7種冷卻方式。金相組織檢測(cè)結(jié)果見圖6。非立即水冷處理的幾種相對(duì)緩慢的冷卻處理方式固溶較差，甚至有σ 相析出現(xiàn)象，因此，直接水冷快速冷卻的效果最好。

3 結(jié) 論

3.1 通過(guò)對(duì)開裂樣品進(jìn)行原因分析及進(jìn)行的固溶處理試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該鑄件固溶工藝設(shè)定沒(méi)有問(wèn)題，出現(xiàn)開裂的原因應(yīng)與鑄件冷卻過(guò)程操作不當(dāng)有關(guān)。本次試驗(yàn)樣品較小，因此緩慢冷卻時(shí)σ相析出不明顯，但鑄件較大，冷卻不徹底很容易導(dǎo)致回溫且冷卻緩慢，導(dǎo)致σ相大量析出，使得鑄件發(fā)生開裂事故。

圖6 不同冷速金相組織檢測(cè)結(jié)果

3.2 通過(guò)固溶試驗(yàn)可知，2507 不銹鋼固溶溫度應(yīng)以1 100 ℃為佳，冷卻應(yīng)采取水冷快速冷卻的方式。