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904L超级奥氏体不锈钢试制开发与性能试验

904L超级奥氏体不锈钢试制开发与性能试验

摘要:利用多功能炼钢中频感应熔炼炉在实验室成功冶炼了904L超级奥氏体不锈钢并进行了热轧轧制试验,对浇铸后的铸坯组织和夹杂物进行了分析,并对热轧板在不同温度下进行了固溶处理和性能检测。结果表明,冶炼后的904L铸坯组织均匀,以粗大长条状柱状晶为主,夹杂物分布较少,数量较小;在不同温度固溶处理后性能存在一定的差异,1120℃固溶处理后组织细小、均匀。

904L(015Cr21Ni26Mo5Cu2)是一种超低碳高铬镍钼不锈钢,也是超级奥氏体不锈钢的典型代表,其耐蚀性远优于传统的304、316L奥氏体不锈钢,是常规不锈钢寿命多倍。904L具有良好抗晶间腐蚀、 抗点腐蚀、 抗缝隙腐蚀以及高抗应力腐蚀的能力,常用于强腐蚀环境中,主要用于制作石油、化工、环保、造纸等行业中长期在苛刻环境下运行的关键设备。


但由于904L属超低碳、多元素复合作用的高合金材料,冶炼过程中,C、N等不易控制,高合金难以熔炼,易于产生偏析;同时,由于大量的固溶原子会产生固溶强化作用,增大变形抗力;二次相的析出大大降低了钢的热加工性,使得钢在热加工过程中尤其厚板容易出现分层开裂或表面开裂,热变形困难。


某中试试验厂利用200Kg中频感应熔炼炉成功冶炼了904L不锈钢,并在450中试轧制试验机上进行了模拟轧制,检测了铸坯低倍组织和夹杂物,对热轧板进行了固溶实验和性能检测。


  试验过程  
1
 1.1 冶炼试验
冶炼试验以309S奥氏体不锈钢为基料,通过配加其它合金物料进行冶炼,具体配料见表1。中试冶炼炉为200kg多功能炼钢中频感应熔炼炉,该炉通过顶底复吹功能模拟AOD工艺,利用直流LF电源及电极升降机构模拟LF工艺, 通过炉体倾翻机构与三轴移动铸锭台车实现钢锭模铸,冶炼过程模拟现场实际生产过程进行。


表1   904L冶炼试验配料(Kg)


将表1物料加入感应炉坩埚内,进行熔化,待钢水全部熔清,温度达到1650℃时进入AOD精炼阶段,为保证底吹风口不被堵塞,在炉料熔化过程中风口吹入一定流量的氩气,之后进行吹氧脱碳操作,吹氧前加入石灰、萤石,并将感应炉电源功率降至较低水平,以维持钢水温度基本不下降;同时精炼过程中做好钢水温度控制,吹氧脱碳期温度1650-1700℃,还原期温度1600-1650℃。实际生产过程中吹氧脱碳温度在1654-1677℃,还原温度在1619-1675℃,开浇温度1574℃。


表2为冶炼后铸坯最终成份,从冶炼后成分可计算出,铬当量Creq=%Cr+%Mo+1.5%Si+0.5%Nb=25.6,镍当量Nieq=%Ni+30%(C+N)+0.5%Mn=27.0,Creq/Nieq=0.95,冶炼达到目标成份要求。根据奥氏体不锈钢凝固模式,结合Creq=25.8%时的Fe-Cr-Ni合金相图(图1),在此成份下其凝固模式应属于典型的A凝固模式:L—L+γ—γ,铸坯质量较好。对浇铸后的铸坯切样,铸坯内部未发现缩孔、夹杂、微裂纹等缺陷,和理论结果一致。


表2  904L冶炼后化学成份(质量分数,%)


图1 25.8%Cr时的Fe-Ni-Cr相图


1.2  轧制试验

轧制试验在450中试轧制试验机上进行,试验坯尺寸为45mm×110mm×175mm,要求试验坯入炉温度850℃,然后加热至1260℃后保温1h,开轧温度≥1080℃,终轧温度≥850℃,采用11道次轧制,总压下率93%,最大道次压下率34%。实际轧制过程中轧制力及轧制温度如图2所示,从图中可看出,轧制过程中4-6道次轧制力最大,约为1300-1400KN,开轧温度1160℃,终轧温度710℃,未能满足不低于850℃终轧温度要求;轧制后,钢板边部除有轻微裂纹外,其余表面质量良好,在第二次试验轧制过程中,进一步优化了轧制工艺,减少了轧制道次,提高了轧制速度,轧制后钢板边部裂纹较第一次有了一定的减少。通过此两次轧制实验总结可知,在后续轧制试验过程中可进一步减少轧制道次,提高道次压下率,减小轧制过程中温降,提高终轧温度。

图2 904L轧制力、轧制温度与轧制道次关系(a 轧制力  b 轧制温度)



   试验结果  
2
对浇注后的铸坯切样进行了低倍组织观察和夹杂物分析,同时对热轧后钢板进行了不同温度下的固溶实验和金相组织及性能检测。


2.1 铸坯低倍组织及夹杂物

将904L铸坯沿厚度方向剖开、打磨、抛光,然后采用盐酸溶液侵蚀抛光面,观察板坯的低倍组织,如图3所示。从图中可以看出,铸坯柱状晶区发达、粗大,呈现出具有同一方向性的连续柱状枝晶结构,比例大约有90%以上,占比较大,而表面的细晶区和心部的等轴晶区较少,范围较窄;对铸坯取样成分分析基本同表2所示,证实成分分布均匀,未发现偏析现象。图4为铸坯中的夹杂物数量及分布,夹杂物尺寸较小、基本在5-10μm,且数量较少。  

        图3 904L铸态低倍组织                                    图4 904L铸坯中夹杂物分布



2.2  钢板固溶处理实验结果

对热轧后钢板在1060℃、1090℃、1120℃、1150℃等不同温度下保温30min进行固溶处理,固溶处理后的性能试验结果如图5所示。从图中看出,随着固溶处理温度的变化,904L性能发生一定变化,屈服强度和抗拉强度呈现一定的下降,但变化不是很明显,延伸率呈现一定的上升,硬度呈现先下降后上升趋势,但均满足GB/T4237-2012标准之相关规定,综合试验性能来看,在1150℃退火后表现出综合的力学性能。

 

  图5 904L热轧板不同温度下的性能(a,强度;b,延伸率;c,HV)



2.3  显微组织

图6为1120℃固溶处理后904L板的显微组织,从图可知,经固溶处理后晶界处的高温析出相已基本溶解固溶于奥氏体基体中,组织基本全为等轴晶的单一奥氏体组织,有少量孪晶组织出现,但未出现明显的条带状及第二相组织,晶粒均匀,晶粒尺寸在40-50μm之间,晶粒度为5-6级。  

图6  904L热轧态固溶处理后显微组织(a,边部;b,心部).png

图6  904L热轧态固溶处理后显微组织(a,边部;b,心部)



  结论  
3
1)通过对904L中试试验的冶炼和轧制,形成了冶炼过程中脱碳、吹气、温度控制等相关制度和工艺,对中试试验炉脱C效果,底吹N量控制和热加工工艺有了初步了解和掌握。

2)904L铸坯组织均匀,以粗大长条状柱状晶为主,夹杂物分布较少,数量较小;不同温度固溶处理后性能存在一定的差异,1120℃固溶处理后组织基本全为等轴晶的奥氏体组织,平均晶粒尺寸为40-50μm,晶粒细小、均匀,未出现条带状组织。

3)904L合金元素Cr、Mo、N含量高,热加工过程中变形抗力大,合理控制开轧和终轧温度,能较好预防和减少轧制后钢板开裂。

(作者:酒钢宏兴研究院李玉峰等,不锈钢分会编辑)

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