【与不锈同行】特超级双相不锈钢00Cr27Ni7MO5N组织及性能的研究

发表于 讨论求助 2018-10-08 13:48:20

1、前言


作为双相不锈钢的一个重要发展方向,同时也为了满足更加苛刻的环境对耐腐蚀性能及力学性能提出的更高要求,近年来发展了特超级双相不锈钢(Hyper SDSS)。例如,由瑞典山特维克公司开发的SAF 2707,其PRE值(%Cr+3.3%Mo+16%N)达到了49,除了较高的耐氯化物腐蚀性能,其力学性能也要优于Sandvik SAF 2507(UNS S32750)。特别适合应用于热海水环境、石油精炼工业中的热交换器等较高温度的苛刻氯化物酸性环境。


然而,随着耐腐蚀、力学性能的改善,其合金含量进一步提高,也给特超级双相钢的制造带来很大的难度,国内对特超级双相不锈钢的研究及试制还鲜有报道,本文通过试验研究,主要从特超级双相不锈钢00Cr27Ni7Mo5N的σ相析出、相比例、力学性能、耐腐蚀性能等方面探讨特超级双相不锈钢的组织及性能特点,期望对国内特超级双相不锈钢的研究及开发有所帮助。




2、试验材料


试验钢采用真空感应炉冶炼,其化学成分见表1。试验钢经锻造开坯、热轧成形, 制成厚度为12mm的板材和Ф13mm的圆棒。


为了研究00Cr27Ni7Mo5N的组织及其性能,对不同固溶温度试样进行了组织观察及性能测试。固溶温度范围为800~1200℃,试样固溶保温时间为40min,然后水冷,根据需要选择不同固溶温度处理试样进行相关观察及研究。



 

3、00Cr27Ni7Mo5N的相组成及相析出特点


双相不锈钢的性能与其主要的相组成及含量有着密切的关系,其相组成与比例主要决定于钢的化学成分和固溶处理工艺。当钢的化学成分一定时, 固溶处理就起到关键作用。


图1 采用T-C绘制的00Cr27Ni7Mo5N的相图


采用T h e r m o - C a l c热力学软件进行特超级双相不锈钢00Cr27Ni7Mo5N平衡相图的计算,图1为800~1600℃的变温截面相图,虚线对应00Cr27Ni7Mo5N试验钢的化学成分,由图中虚线经过的相区可见,铁素体首先在液体中形成,在很窄的温度范围内,液体、铁素体和奥氏体三相共存,在1070~1330℃形成稳定的(α+γ)两相区, 1070℃以下有Cr2N(用ε表示)析出,温度降至1040℃开始有σ相析出,980℃以下α相全部发生转变,进入(γ+σ+Cr2N)相区。


大量研究认为,双相不锈钢中的氮化物一般700~900℃在α/α晶界、α/γ相界和α晶内析出,对双相不锈钢的性能有一定影响。σ相一般在650~950℃之间析出,析出机理为共析转变,即α→σ+γ2,σ相属于四方结构,硬度高达900~1000HV,在850~900℃之间σ相析出速率最快,钢中出现少量的σ相就会导致钢的韧性和塑性急剧下降。00Cr27Ni7Mo5N 的铬、钼含量高,导致其σ相及其他金属间相倾向于在更高温度、以更快速度析出。


图2 固溶温度与00Cr27Ni7Mo5N钢相含量的关系

(上)实测值 (下)T-C计算值


00Cr27Ni7Mo5N钢经过不同固溶温度处理后,其相组成及其含量实测数据如图2所示。由图2(a)可知,随着固溶温度的降低,钢中α相逐渐减少,固溶温度低于1070℃,钢中发生α→σ+γ2转变,出现σ相析出,当固溶温度降低至800℃时,α向σ相充分转变,此时,钢中α只有4.7%,σ相接近35%,当固溶温度为1050℃时,组织中仍有5.4%的σ相(见图3),即使固溶温度达到1070℃,依然有σ相,图4为1070℃析出σ相的能谱分析,可见00Cr27Ni7Mo5N组织中的σ相铬和钼的含量很高。

图3 1050℃固溶的00Cr27Ni7Mo5N微观组织

白色-γ相,灰色-α相,黑色-σ相

 

图4 1070℃固溶的00Cr27Ni7Mo5组织中σ相的EDS分析


将不同固溶温度00Cr27Ni7Mo5N组织中相含量的实际测试结果与图2(b)T-C软件计算结果比较可知,在1000℃以上,计算的α和γ相比例与试验结果吻合较好,在1000℃以下σ相计算结果与实际比较接近,实际测试的α相存在温度范围比软件计算的温度范围宽。 


由相分析结果 (见表2) 可知,00Cr27Ni7Mo5N的1050℃固溶组织中有10.8%的σ相,在1070℃的固溶组织中,仍然还有4.5%的σ相,组织中的σ相的相分析测试结果高于图像分析测试结果,在1100℃固溶时σ相完全消失,组织中只有奥氏体和铁素体相。




4、固溶温度对00Cr27Ni7Mo5N力学及耐腐蚀性能的影响


图5为00Cr27Ni7Mo5N经不同固溶处理后的力学性能测试结果,由于1050℃以下σ相的大量析出,导致拉伸试样发生脆断及韧性下降,1000℃固溶的拉伸试样的抗拉强度达到1180MPa左右,屈服强度达到900MPa以上,800~1000℃时00Cr27Ni7Mo5N的冲击功只有约2J,1050℃固溶时也仅有7J。


随着固溶温度提高至1 0 7 0 ~ 1 1 0 0 ℃ ,00Cr27Ni7Mo5N的抗拉强度下降,塑、韧性提高,由于钢的韧性对析出相敏感性高于塑性,直至固溶温度达到1100℃,00Cr27Ni7Mo5N的冲击韧性才恢复到正常水平,其冲击功由1070℃时的117J到1100℃的214J。

图5 固溶处理对00Cr27Ni7Mo5N力学性能的影响

(上) 拉伸性能 (下)冲击功和显微硬度


固溶温度在1100~1200℃时, 00Cr27Ni7Mo5N特超级双相不锈钢的强度和塑、韧性比较稳定。


特超级双相不锈钢不仅综合力学性能比超级双相不锈钢优越,其耐腐蚀性能(包括耐点蚀、耐晶间腐蚀、耐应力腐蚀性能等)也优于超级双相不锈钢。这与钢的化学成分及其组织特点有着密切的关系。

 

图6 固溶处理对00Cr27Ni7Mo5N点腐蚀性能的影响

(上)点腐蚀率 (下)击穿电位


图6为固溶处理温度对00Cr27Ni7Mo5N点腐蚀性能的影响,其中图6(a)为经过不同固溶处理后的00Cr27Ni7Mo5N腐蚀片在50℃、0.05mol/LHCl+6%FeCl3溶液中浸泡24小时后的点蚀速率,图6(b)为00Cr27Ni7Mo5N试样的击穿电位测试结果,试验介质为30℃的3.5%的NaCl溶液。


由图6数据可知,固溶温度在800~1070℃之间,00Cr27Ni7Mo5N试样的点腐蚀率随温度升高而减低,但在1050℃固溶时,其点腐蚀率依然高达16 .21g/m2•h,远远没达到特超级双相不锈钢应有的耐点蚀性能,固溶温度在1070~1100℃之间,其点腐蚀率显著降低,1100℃附近达到最低值,试样获得最佳的耐点腐蚀性能,当固溶温度继续升高至1100~1200℃,其点腐蚀率又有所提高。


00Cr27Ni7Mo5N试样在1070℃以下固溶时较高的点腐蚀率与此时析出的σ相有着直接的关系,而固溶温度在1100℃以上继续升高所带来的点腐蚀率提高,是因为随固溶处理温度的继续升高,钢中铁素体相的比例增加,稀释了铁素体相中对耐点蚀性能有贡献的关键元素铬、钼的含量,导致铁素体相耐点蚀性能下降,而奥氏体含量的增加则引起主要固溶于奥氏体的间隙元素氮在奥氏体相中的含量提高,从而导致了铁素体和奥氏体相之间PREN差值的增大,使得00Cr27Ni7Mo5N整体耐点腐蚀性能下降。


由图6(b)中试样击穿电位的测试结果可见,00Cr27Ni7Mo5N击穿电位随固溶温度的变化与点腐蚀率的变化规律相似,二者有着较好的一致性,从二者随固溶温度的变化情况来看,6%FeCl3浸泡点腐蚀试验对钢的σ析出及相比例变化更加敏感。


采用电化学E P R 方法对不同固溶处理的00Cr27Ni7Mo5N试样进行耐晶间腐蚀评价,试验溶液为5MH2SO4+0.01MKSCN,试验溶液温度为50℃,试样的耐晶间腐蚀测试结果Ra值见图7。


由图7可见,从800℃随着固溶处理温度的升高,钢的耐晶间腐蚀性能逐渐提高,当固溶温度达到1050℃和1100℃时,00Cr27Ni7Mo5N试样没有出现逆向峰,其耐晶间腐蚀能力优异,当固溶处理温度继续升高时,其耐晶间腐蚀能力又有所下降。导致00Cr27Ni7Mo5N的耐晶间腐蚀性能随固溶温度而变化的影响因素与其对点腐蚀性能的影响一致。


由固溶处理对00Cr27Ni7Mo5N组织及力学性能影响的研究结果可见,由于00Cr27Ni7Mo5N含有较高的铬、钼、氮,其σ相完全溶解温度达到1100℃以上,固溶温度为1150℃时,其铁素体与奥氏体的相比例接近1∶1;固溶温度在1100~1200℃时,00Cr27Ni7Mo5N具有较高的强度和塑、韧性;当固溶温度为1100℃时,具有优良的耐点腐蚀及晶间腐蚀性能。综合考虑固溶温度对σ相的溶解、相比例、力学及耐腐蚀性能的影响,推荐固溶温度为1150℃。


综合以上研究结果,与第二代及第三代双相不锈钢相比,特超级双相不锈钢00Cr27Ni7Mo5N组织的特点主要有三点:①在较低温度固溶时,组织中的σ相比例特别高,在800℃,其铁素体组织几乎全部向σ相转变,导致了材料脆性及耐腐蚀性能的急剧下降;②σ相完全溶解温度较高,在1100℃左右σ相才能完全溶解;③固溶温度在1100~1200℃之间,00Cr27Ni7Mo5N中铁素体含量为41%~53%,固溶温度为1150℃时,其铁素体与奥氏体的相比例接近1∶1。


合适的α/γ相比例及严格控制有害相的析出是双相不锈钢获得良好综合性能的基础,合适的化学成分及热处理工艺可有效地控制钢材的组织和性能。


综合考虑固溶温度对σ 相的溶解、相比例、力学及耐腐蚀性能的影响,推荐固溶温度为1150℃。


者:宋志刚 郑文杰 丰涵 黄盛

大明钢铁网材料与加工组整理


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