楊光， 朱曉雷， 彭春霖， 廖相巍， 劉志明， 范思鵬

（1. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

27%Cr 鐵素體不銹鋼屬高Cr 不銹鋼，其在氯化物介質(zhì)中的腐蝕性能優(yōu)異， 媲美超級奧氏體不銹鋼和鎳基合金；疲勞強度和硬度較高，可以應(yīng)對海水、泥沙的腐蝕和沖刷；抗震性能優(yōu)于鈦管，且管端不易發(fā)生微生物污堵；導(dǎo)熱性能良好，線膨脹系數(shù)與碳鋼相接近，同時兼顧經(jīng)濟性，是濱海電站凝汽器冷卻管管材的最佳選擇[1-2]，更是國家海洋工程領(lǐng)域重大裝備用鋼的重點品種。自2003 年以來，以寶鋼、太鋼為代表的企業(yè)開始著力于海洋工程領(lǐng)域不銹鋼的系統(tǒng)研發(fā)，在基礎(chǔ)研究、工藝和品種開發(fā)方面取得一定進(jìn)展。

高Cr、Mo 含量提高耐腐蝕能力的同時， 也加速了σ、χ、Laves 等敏感中間相析出， 降低材料塑韌性，導(dǎo)致軋制中易出現(xiàn)開裂和黏結(jié)問題，生產(chǎn)難度較大， 目前該品種在我國普及應(yīng)用程度不高[3]。Qu 等[4]研究指出，高Cr、Mo 鐵素體不銹鋼厚度超過5 mm 時具有明顯的厚度脆性；Lu 等[5]對27Cr-4Mo-2Ni 鋼的研究結(jié)果表明，σ 相比χ 相和Laves相對塑韌性的危害都大；Andrade[6]研究了熱處理制度對28Cr-4Ni 不銹鋼析出行為的影響，發(fā)現(xiàn)850 ℃下會析出σ 相和MgZn2型的Laves 相。 目前的研究多針對熱處理制度等對該鋼種微觀組織及析出行為的影響，對軋制工藝參數(shù)影響研究較少。本文對不同初軋溫度下27%Cr 鐵素體不銹鋼熱軋板的微觀組織及析出行為進(jìn)行研究，希望給生產(chǎn)提供一定參考。

1 實驗材料及方法

采用50 kg 真空感應(yīng)爐冶煉3 爐次27%Cr 鐵素體不銹鋼，使用鋁粒和硅鈣復(fù)合脫氧，冶煉結(jié)束后澆鑄成錠，澆注溫度1 560 ℃，實驗鋼主要成分見表1。

表1 實驗鋼的主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Main Compositions in Experimental Steel （Mass Fraction） %

材料去除表面氧化鐵皮后取中部80 mm 高鑄錠，熱鍛后空冷。 分別在1 220、1 120、1 020 ℃下保溫1 h，6 道次（30-21-14-9-6.5-6）軋制成6 mm 軋板，終軋溫度不低于970 ℃，軋后水冷。

沿?zé)彳埌遘堉品较驅(qū)挾?/2 處取金相試樣及SEM 用試樣， 以濃度為10%的草酸溶液作為腐蝕液，用穩(wěn)壓電源在3.0 V 下對試樣腐蝕60～90 s。 采用Olympus 光學(xué)顯微鏡金相組織觀察，采用ZEISS掃描電鏡結(jié)合能譜儀形貌觀察和成分定性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 平衡相圖

合金成分體系、 制造工藝參數(shù)等對鋼的組織及析出物行為有重要影響。 對于27%Cr 鐵素體不銹鋼來講， 高Cr、Mo 含量致使其析出物除常規(guī)NbTi（CN）以外，還易析出σ、Laves 等相。σ 相是富Cr 硬脆相，主要受Cr、Mo 元素擴散、晶粒取向及尺寸、固溶溫度的影響[7]；Laves 相通常富Mo、Nb，具體指（Fe，Cr）2（Nb，Mo，Si），其中元素Si 具有穩(wěn)定Laves 相的作用，Laves 相隨時效時間延長可以部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相[8]。

采用Thermol-calc 對27%Cr 鐵素體不銹鋼進(jìn)行了平衡相圖計算， 不同C 含量下的平衡相圖及析出相質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度變化關(guān)系如圖1 所示，其中 BCC_A2 為鐵素體，F(xiàn)CC_A1 為奧氏體，F(xiàn)CC_A1#2 為TiNb（CN）。

圖1 不同C 含量下的平衡相圖及析出相質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度變化關(guān)系Fig. 1 Temperature-dependent Relationship between Equilibrium Phase Diagram and Mass Fraction of Precipitated Phase at Different C Content

圖1（a）中，以w（C）為0.01%為例，隨著溫度下降，液相中逐漸析出TiNb（CN），溫度繼續(xù)下降會析出σ 相和Laves 相， 可以看到27%Cr 不銹鋼全溫度范圍均為鐵素體組織，且無相變反應(yīng)。 由圖1（b）看出TiNb （CN）、σ 相、Laves 相的開始析出溫度分別為1 490 、987 和877 ℃。

2.2 軋制組織

圖2 為不同初軋溫度下27%Cr 不銹鋼熱軋板的微觀組織。 由圖2 可知，1 020 ℃時為典型的條帶狀鐵素體組織，晶粒沿軋向被完全拉長，晶內(nèi)存在剪切帶，其與軋向呈一定角度。剪切帶是儲存形變能量的重要區(qū)域，隨著溫度的升高，發(fā)生了輕微的動態(tài)再結(jié)晶，出現(xiàn)部分拉長的鐵素體組織，但大部分組織仍然保持條帶狀。

圖2 不同初軋溫度下27%Cr 不銹鋼熱軋板的微觀組織Fig. 2 Microstructures in 27% Cr Hot Rolled Stainless Steel Sheet at Different Rough Rolling Temperatures

當(dāng)溫度達(dá)到1 220 ℃時， 出現(xiàn)了更多拉長的鐵素體組織， 鐵素體晶粒有形成等軸狀晶粒的趨勢。整體上看，隨著溫度的升高，微觀組織中的“黑點”逐漸減少（Ti（CN）在光學(xué)顯微鏡下呈金黃色），推測“黑點”為某種有害析出物，有待進(jìn)一步觀察。而隨著初軋溫度的升高， 鐵素體晶粒會逐漸發(fā)生再結(jié)晶。顯然較低的初軋溫度有利于抑制再結(jié)晶，但低溫也使材料更傾向于析出有害相。

熱軋是決定產(chǎn)品性能、表面質(zhì)量以及能否順利進(jìn)行冷軋的關(guān)鍵工序。 分析認(rèn)為，初軋溫度越低，越易產(chǎn)生位錯塞積、交割和纏結(jié)，形變儲存能越高，使得材料的自由能升高，條帶狀鐵素體在熱力學(xué)上處于亞穩(wěn)態(tài)，有向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢。 當(dāng)初軋溫度上升，條帶狀鐵素體周圍開始出現(xiàn)小的晶粒，鐵素體組織逐漸被拉長。 另外，初軋溫度較低（1 020 ℃、1 120 ℃）時，材料內(nèi)部存在大量的σ 相和Laves 相可能會以拖拽晶界和阻礙位錯運動的形式抑制材料向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變， 從而減緩材料的回復(fù)和再結(jié)晶。

2.3 析出相

在不同初軋溫度熱軋板相同位置取樣， 采用草酸電解法進(jìn)行腐蝕并作SEM 分析，不同初軋溫度下典型析出相形貌及能譜如圖3 所示。

圖3 不同初軋溫度下典型析出相形貌及能譜Fig. 3 Appearance and Energy Spectrum of Typical Precipitated Phase at Different Rough Rolling Temperatures

由圖3（a）看出，初軋溫度為1 220 ℃時，晶界和晶內(nèi)發(fā)現(xiàn)TiNb（CN），并未發(fā)現(xiàn)其他析出相。TiNb（CN）可以穩(wěn)定鋼中C、N，實現(xiàn)不銹鋼的超純化，同時減少不銹鋼中（Cr，F(xiàn)e）23C6、（Cr，F(xiàn)e）7C3、CrN 等碳氮化物的析出。 另外，存在于晶界的TiNb（CN）還可以通過釘扎晶界起到細(xì)化晶粒的作用[9]。 由圖3（c）看出，初軋溫度為1 120 ℃時，晶界和晶內(nèi)開始析出有害相，晶內(nèi)相多呈棒狀和橢圓狀，尺寸較大，晶界處析出相呈現(xiàn)為形狀不規(guī)則， 大小不一的島狀分布。 由圖3（e）看出，當(dāng)溫度降低至1 020 ℃時，有害析出相明顯增多，且廣泛分布于晶界和晶內(nèi)，晶界處析出相基本呈網(wǎng)狀分布，晶內(nèi)析出相的數(shù)量密度明顯增加。

對典型析出物的成分進(jìn)行分析。 由圖3 能譜結(jié)果看出，晶界處析出相Cr 含量達(dá)32.53%，遠(yuǎn)高于基體， 晶內(nèi)析出相Mo 含量達(dá)12.18%，Nb 含量為7.05%，同樣遠(yuǎn)高于基體，結(jié)合相圖計算以及相關(guān)文獻(xiàn)，判定晶界、晶內(nèi)分別為σ 相和Laves 相。

分析認(rèn)為，隨著初軋溫度的降低，C、N 在鋼中的溶解度急劇減小， 與Cr、Mo 等元素結(jié)合形成（Fe、Mo、Cr）23C6，富含Cr、Mo 的析出物會造成晶界和基體的貧Cr 和貧Mo， 從而影響材料的耐晶間腐蝕性能。與此同時，析出相過多還會影響熱軋板卷的卷曲效率。σ 相和Laves 相的析出位置并非任意的，根據(jù)第二相理論，晶界、位錯以及堆垛層錯是析出相的良好形核點，σ 相和Laves 相在這些位置形核可以抵消畸變能量。

3 結(jié)論

（1） 由不同C 含量下的平衡相圖計算得出，隨著溫度的降低，27%Cr 鐵素體不銹鋼中依次析出TiNb（CN）、σ 相、laves 相，析出溫度分別為1 490 、987 和877 ℃。

（2） 對于27%Cr 鐵素體不銹鋼來說，較低的初軋溫度利于抑制再結(jié)晶，也會使材料傾向于析出有害相，因此優(yōu)選初軋溫度可以在抑制再結(jié)晶的同時避免27%Cr 熱軋板析出σ 相、Laves 中間相。 富Cr的σ 相常析出于晶界， 富Mo 的Laves 相常析出于晶內(nèi)。 本研究范圍內(nèi)優(yōu)選的初軋溫度為1 220 ℃。