尤永龍，賈剛，尤傳斌

溫州冶金機(jī)械測(cè)試研究所 浙江溫州 325000

1 序言

F51是我國(guó)依照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A182/A182M—2018的要求引用的、目前在石化閥門(mén)行業(yè)最常用的高溫抗腐蝕雙相不銹鋼，但國(guó)內(nèi)對(duì)這種材料的分析研究還比較薄弱。某大型閥門(mén)廠接到美國(guó)閥門(mén)生產(chǎn)訂單，要求材料為F51雙相不銹鋼，采購(gòu)蘇州某特鋼公司生產(chǎn)的鋼錠，經(jīng)鍛造+固溶處理后，低溫沖擊性能不達(dá)標(biāo)，且與標(biāo)準(zhǔn)要求差距較大，為此委托我所分析原因及研究整改方案，且在浙江省科協(xié)啟動(dòng)的“千名專家進(jìn)萬(wàn)企”的永嘉驛站反映的七大亟待解決問(wèn)題中，也有這樣一個(gè)問(wèn)題，于是我所組織專家進(jìn)行了深入研究。

2 化學(xué)成分分析

原材料要求的化學(xué)成分及其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表1。

表1中，除標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的元素外，還對(duì)一些微量及少量的雜質(zhì)元素進(jìn)行了分析，但目前還不清楚這些元素對(duì)性能有什么影響。

表1 幾種樣品的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

試驗(yàn)所取的幾個(gè)樣品如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)試樣

3 力學(xué)性能檢測(cè)

經(jīng)鍛造＋1050℃固溶處理后，力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表2。由表2可看出，拉伸性能符合要求，低溫沖擊性能與標(biāo)準(zhǔn)要求差距較大。

表2 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

4 金相分析

取沖擊試樣進(jìn)行金相分析，結(jié)果顯示組織偏粗，且?jiàn)W氏體以條狀分布，鐵素體中有較多不規(guī)則小塊狀?yuàn)W氏體出現(xiàn)，條狀?yuàn)W氏體明顯長(zhǎng)大，奧氏體晶界已形成不規(guī)則形狀，如圖2所示。由此推測(cè)發(fā)生了組織過(guò)熱，這種過(guò)熱的可能來(lái)源有3個(gè)：一是原始鍛造比不足；二是終鍛溫度太高；三是固溶處理溫度過(guò)高。

圖2 1#試樣金相組織

5 鍛造和固溶處理工藝

取原始鍛件進(jìn)行充分鍛造，始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度為1000～1050℃，1050℃固溶處理（水冷，水溫為25℃），取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果沖擊性能仍不合格，重新將固溶處理溫度提高到1080℃，保溫6h水冷，沖擊性能絲毫沒(méi)有改善，見(jiàn)表3、表4。

表3 重新鍛造和固溶處理工藝

表4 重新鍛造和固溶處理后的力學(xué)性能

再將兩次固溶處理的沖擊試樣分別進(jìn)行金相檢測(cè)，組織明顯細(xì)化，且組織非常均勻，如圖3所示。只是1080℃固溶及長(zhǎng)時(shí)間加熱后，組織略有長(zhǎng)大，相鄰的奧氏體塊重疊成短條狀的奧氏體，如圖4所示。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的固溶處理溫度為1025～1100℃，從兩種固溶處理溫度形成的組織可看出，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度上下限和長(zhǎng)時(shí)間處理，對(duì)金相組織的影響表現(xiàn)為奧氏體長(zhǎng)大[1]。

圖3 二次鍛造＋1050℃固溶金相組織

圖4 二次鍛造＋1080℃固溶金相組織

6 掃描電鏡觀察和能譜分析

取3種鍛造固溶處理后的沖擊試樣斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜分析。

1）斷口存在大量的解理面，在解理面上有大量的規(guī)則球狀物質(zhì)，其直徑為0.1～10μm，如圖5所示。由此說(shuō)明沖擊性能差就是球狀物質(zhì)造成的。

圖5 沖擊試樣斷口掃描電鏡觀察

2）對(duì)球狀物質(zhì)和基體物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示，球狀物質(zhì)和基體的成分沒(méi)有太大差別，如圖6、圖7所示（其中C含量高是因表面附著物而造成的，與沖擊試樣采用低溫酒精有關(guān)），因此得出的結(jié)論是，球狀物質(zhì)不是特殊結(jié)構(gòu)的碳化物（長(zhǎng)期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的碳化物是不規(guī)則的，成分中除C元素外，還有大量的與碳的親和力比較強(qiáng)的元素，如W、V、Nb、Cr等）[2]，見(jiàn)表5。因此，造成這種球狀物質(zhì)的原因，從第一個(gè)金相組織判斷，過(guò)熱的特征已很明顯，按照自由能的原理判斷，球狀物質(zhì)極大可能是過(guò)燒所致，于是對(duì)鍛件的過(guò)燒進(jìn)行證明。

圖6 能譜測(cè)試部位

圖7 能譜測(cè)試結(jié)果

表5 成分能譜分析結(jié)果

7 低溫沖擊試驗(yàn)

1）對(duì)鋼錠直接取沖擊試樣進(jìn)行相同的低溫沖擊試驗(yàn)，結(jié)果顯示沖擊性能仍很低，見(jiàn)表6。

表6 鋼錠的沖擊試驗(yàn)

2）鋼錠鑄態(tài)金相組織很明顯地成排奧氏體條狀分布，而且有較粗的方向分隔晶界，如圖8所示。

圖8 鋼錠鑄態(tài)金相組織

3）在掃描電鏡照片中，完全沒(méi)有球狀物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)零星的粒狀碳化物均是不規(guī)則多邊形，如圖9所示。

圖9 鑄態(tài)電鏡形貌

8 規(guī)范鍛造

取鋼錠進(jìn)行規(guī)范鍛造（足夠的鍛造比、始鍛溫度為1150℃、終鍛溫度為1000～1100℃），沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 鋼錠進(jìn)行規(guī)范鍛造沖擊試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，在規(guī)范鍛造工藝下，固溶處理后的力學(xué)性能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其沖擊吸收能量遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求。合格樣品金相組織如圖10所示。

圖10 合格樣品金相組織

9 結(jié)束語(yǔ)

1）F51雙相不銹鋼鍛件固溶處理后沖擊性能不達(dá)標(biāo)的原因是鍛造始鍛溫度過(guò)高，從而引起過(guò)燒，這種過(guò)燒現(xiàn)象在普通光學(xué)顯微鏡下不易發(fā)現(xiàn)，只有在高倍掃描電鏡下才能發(fā)現(xiàn)。

2）鍛件的始鍛溫度和終鍛溫度要特殊控制，始鍛溫度可比正常的固溶處理溫度略高，但要根據(jù)產(chǎn)品的復(fù)雜程度及鍛造時(shí)間來(lái)確定始鍛溫度，即終鍛溫度不能高于固溶處理溫度規(guī)定的上限值，是始鍛溫度的前提，終鍛溫度還可比固溶處理的下限再低30～50℃。

3）固溶處理溫度按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，上限與下限基本沒(méi)有問(wèn)題，組織不會(huì)粗大。