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d o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n .2 0 9 5 - 1 7 4 4 .2 0 1 2 .0 6 .0 0 5 铸造高合金不锈钢热处理工艺 对其组织和耐蚀性的影响 周波 银川能源学院银川7 5 0 1 0 5 摘要研究自制铸造高合金不锈钢的热处理工艺对其组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明,随固溶 温度升高 9 5 0 - 11 0 0 ℃ ,试样耐点蚀性能显著提高。试验不锈钢最佳热处理工艺为11 0 0 ℃保温0 .5l l 水 冷的固溶处理和5 5 0 ℃保温4h 油冷的时效处理,可以获得耐点蚀性能与力学性能的良好配合。该热处理工 艺可使不锈钢具有好的耐腐蚀能力及综合力学性能。 关键词铸造高合金不锈钢;耐腐蚀;力学性能;固溶处理;时效处理 中图分类号T G l 5 6 ;T G l 4 2 .7 1文献标志码A 文章编号2 0 9 5 .1 7 4 4 2 0 1 2 0 6 .0 0 3 7 0 5 随着国民经济的迅速发展,对耐高温、耐腐蚀的不 锈钢材料的需求不断增加,在石油、化工、化肥、核能、 海洋能源开发等领域,由于腐蚀介质条件的原因对不锈 钢耐腐蚀性能要求越来越苛刻。铸造高合金不锈钢的组 织及其耐蚀性受热处理工艺的影响很大,针对自制含钼、 铜的高镍铬铸造不锈钢,研究热处理工艺对钢的组织与 耐蚀性的影响。通过选择适宜的热处理温度和冷却方式, 使这种不锈钢在苛刻的工况介质条件下具有良好的耐腐 蚀性能。 从F e .c .C r 系三元平衡图得知,高铬不锈钢存在的 碳化物有的加热到高温还不溶解,起了机械阻碍晶粒长 大的作用。因此,这类钢的淬火温度范围很广,加热到 9 0 0 12 0 0 ℃固溶可得到不同程度的硬化,固溶温度越 高,奥氏体中溶解的碳化物 即合金元素 越多,则固溶 后硬度越高,耐蚀性也越好。铸造高合金不锈钢的强度, 塑性和韧性随热处理,尤其是时效处理工艺变化较大, 可以通过时效处理工艺在较宽的范围内进行调整[ 1 - 2 ] 。目 前所采用的热处理制度通常为 固溶 时效 的工艺方法, 时效制度主要有两种p 1 。一种是在4 0 0 - 4 7 0 ℃ 奥氏体 形成温度爿。。以下 进行低温时效,得到 马氏体 弥散 细小的强化相 组织,获得较高的强度,为l0 0 0 ~12 0 0 M P a ,但是此时材料具有完全的马氏体组织和少量的强 化相,韧性较低。另一种是在5 0 0 - 6 5 0 ℃口。,以上 进行 较高温度时效,这时由于时效温度在4 。, 约为5 8 0 ℃ 以 上,室温下组织中可以得到少量的逆转变奥氏体,正是 由于这些逆转变奥氏体的存在,大幅度提高钢的韧性和 低温塑性H 1 。然而,在高温下析出相的尺寸增大,有些析 出相溶解,降低了材料的强度,即在一定的热处理条件 下,铸造高合金不锈钢只能获得高强度或者高韧性,强 度和韧性难以兼得。通过研究固溶处理和时效处理温度 对试验不锈钢的组织和力学性能以及耐腐蚀性能的影响, 探索出该钢的优化热处理工艺。 1 实验方法 1 .1 试验设备与仪器 制取试验材料的设备是W S 一4 型非自耗真空电弧炉, 热处理设备是B L M T - X C 箱式电阻炉。 腐蚀试样利用Z A H N E Re l e k t r i k 电化学工作站进行 电化学测量,采用三电极系统,参比电极为饱和甘汞电 收稿日期2 0 1 2 0 6 2 6 作者简介周波 1 9 8 2 - ,女,宁夏中宁县人,助教,硕士, 主要从事金属材料与热处理从及金属材料防腐等方 面的研究。 2 0 1 2 年第6 期3 7 万方数据 『看色奎毖工程 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R l N G 极 S C E 。试样金相组织观察采用Y Y J .5 0 0 金相显微镜。 力学性能测试设备为W D 一1 0 0 D 型微机控制电子式万能 试验机。 1 .2 试验材料制备 试验用钢是在非自耗真空电弧熔炼炉中冶炼,化学 成分采用正交法确定,所用原料为工业纯铁、金属铬、镍、 钼、锰、铜、钒以及单质硅。 化学成分设计中所考虑的关键问题是,在保证高强 度和优良耐蚀性的前提下,提高材料的塑性和韧性,为 此确定试验用钢的化学成分如表l 所示。 表1 试验用钢化学成分 成分 C rN iM oC uM nS iVF e 含量 2 0 1 8 6 O .8 试验用钢中含有高达2 0 %的铬和1 8 %的镍。铬是形 成铁素体相的元素,高含量的铬使不锈钢的强度及耐蚀 性提高,但是铬的含量不能超过2 7 %,过高的含铬量将 形成硬脆相仃相 C r F e ,其出现将降低钢的韧性及热加 工性。镍是扩大奥氏体相的元素,对改善韧性及耐蚀性 有明显效果。在一定含铬量下,镍的含量决定了奥氏体 和铁素体两相的组成比,影响钢的综合性能。梁成浩等 研究表明”1 ,不锈钢中添加硅可提高含氯介质中的耐孔 蚀性。有研究表明”,硅的主要作用在于存在氧化剂时 不锈钢表面富集S i O ,可提高不锈钢的孔蚀电位。铜是 稳定奥氏体的元素,铜加入铬不锈钢可以提高耐腐蚀性 能和钢水的流动性。丁晖等研究表明怕,,添加了钼和铜 的铬锰不锈钢,合金钝化膜更加完整,且稳定性高。 1 .3 试验过程 试验用钢需经过固溶处理和时效处理。固溶温度的 选择应既使钢中第二相溶解形成单一铁素体组织又不使 晶粒过分长大,以使在固溶态有良好的强韧性配合,从 而为以后的时效打下基础。固溶处理能使碳化物不析出 或少许析出,故可以防止晶问腐蚀。具体工艺为将奥氏 体不锈钢加热至9 5 0 ~12 0 0 ℃使C r 2 ,C 。溶入固溶体,然后 快速冷却。时效处理的目的是提高钢的强度而尽量减少 韧性的降低。时效温度的选择要尽量避开高铬不锈钢的 4 7 5 ℃脆性区和仃相脆性区。 为了研究试验用钢的热处理工艺对其析出相和腐 蚀行为的影响,用同一成分试样进行不同温度的热处 理。由于试验用钢的合金元素含量高,因此固溶热处理 温度的选择,从9 5 0 ℃开始。首先,对铸态的试样进行金 相组织观察及机械性能和耐腐蚀能力的测试。然后,将 铸态截取的试样进行不同温度的固溶处理,固溶温度在 9 5 0 ~12 0 0 ℃,每隔5 0 ℃为一试验点,根据试样尺寸,选 取保温时间为0 .5h ,水冷。对试样进行金相组织观察、 力学性能测试、腐蚀加速试验。对固溶处理后的材料进 行时效处理,取经过11 0 0 ℃固溶处理的试样,分别在 5 0 0 ,5 5 0 ,6 0 0 ℃三个温度保温4h ,油冷。然后对试样进 行金相组织观察、力学性能测试和腐蚀加速试验。对优 化的试样进行阳极极化曲线分析。 2 试验结果与分析 将铸态试样和进行不同温度固溶处理和时效处理的 试样,进行金相观察、力学性能测试和加速腐蚀试验。 2 .1室内化学加速腐蚀试验和力挚眭能测试 室内化学加速腐蚀试验是在三氯化铁、盐酸及蒸 馏水配制溶液中进行。试验温度为3 5 ℃,试验时间2 4h 。 试验用的试样尺寸是函5m m 6m m 。采用平均腐蚀速 度和腐蚀深度进行评定。腐蚀计算公式如式 1 所示,式 中R 一腐蚀速率,m m /a ;5 一试样总面积,m m 2 ;M 腐蚀前质量,g ;必一腐蚀后质量,g ;卜试验时间,h ; D 一试样密度,k g /c m 3 。腐蚀试验结果如表2 所示。 R 8 .7 6 1 0 6 M 一必 / X T x D 1 表2 固溶处理后室内点蚀化学加速试验结果 由表2 看出,经过固溶处理后试样的耐腐蚀能力普 遍有所提高,尤其在10 0 0 、l0 5 0 、11 0 0 ℃固溶处理后 腐蚀率是明显小一些的,而到12 0 0 ℃,腐蚀率数据又有 所回升,原因可能出现d 共析体。 对铸态试样及经过不同温度固溶处理后的试样进行 硬度测试、拉伸和压缩试验,结果如表3 所示。从表3 可 知,试样的最大抗拉强度%、屈服极限以、延伸率6 、断 面收缩率l f ,、硬度等力学性能指标中,经过固溶处理后的 性能均比铸态下有所提高,其中11 0 0 ℃固溶试样力学 性能指标表现优异。接下来取11 0 0 ℃固溶处理的试样, 再进行不同温度时效处理来研究其各项性能指标。 2 .2 时效处理后试样的腐蚀结果和力学性能测试 针对优化出的11 0 0 ℃固溶处理的方案,又分别在 5 0 0 、5 5 0 、6 0 0 ℃三个温度进行时效处理,时效后样品点 蚀化学加速试验结果如表4 所示,力学性能测试结果如 表5 所示。 3 8 E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 万方数据 表3 固溶处理后力学性能试验结果 表4 固溶 时效处理后室内点蚀化学加速试验结果 表5 固溶 时效处理后力学性能测试结果 样品a J M P aa , /M P a6 /%∥%硬度H B 由表4 可以看出,固溶后在5 5 0 ℃和6 0 0 ℃时效的 样品耐腐蚀表现比较好。由表5 可以看出,5 0 0 ℃时效时 的延伸率占和收缩率妒低于其他两个温度时效处理后的 试样,说明5 0 0 ℃时效时的脆性增加,塑性下降。 2 .3 显微组织观察 试样铸态和固溶热处理后腐蚀试验和力学性能测试 比较好的试样的金相显微组织见图l 至图6 。 图I 铸态试样金相组织 图l 中,有层片状组织,这种片状组织称为d 的共 析体,它是在高温熔炼时析出的d 铁素体,d 铁素体是高 温相,在一定的温度下发生y 一占的转变。在平衡条件下, 应该能产生占一y 的逆转变。由于各种原因,不能达到平 衡条件,d 铁素体被保留下来,由于铸态组织中存在这种 6 共析体,降低了钢的韧性和耐蚀性,必须通过适当的热 处理工艺加以消除。此外,图l 还显示了铸态试样中奥氏 体基体中分布着颗粒状的碳化物,其晶界上分布着游离 态的J 铁素体,占铁索体的存在,特别是分布,如呈条带 状,网状分布,既恶化了耐蚀性,又降低了机械性能。因 此,控制6 铁素体的数量、形状和分布,对于充分发挥不 锈钢的综合性能是非常重要的。 图29 5 0 。C 固溶试样金相组织 ● t 图3 1 1 0 0 。C 固溶金相组织5 0 0 从图2 和图3 可以看到,固溶温度由9 5 0 ℃升高至 1 1 0 0 ℃时,碳化物呈减少的趋势,温度超过l1 0 0 ℃时, 有色金属工程2 0 1 2 年第6 期3 9 m 加 0 4 4 ● 4 2 6 7 8巧卯力 0 8 9 钉舶 效效效时时时 ℃ ℃ ℃ O O 0如弱∞ 溶溶溶固固固 ℃ ℃ ℃ O 0 O m m m l l l 四 万方数据 看么企屈工程 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R I N G ∥j 薹 { 。窄 慨甄 图4 1 2 0 0 。C 固溶金相组织 如图4 中看到晶粒会急剧长大,6 铁素体量减少。所以在 11 0 0 ℃固溶处理时,相组成较合理,为避免出现d 共析 体,固溶温度不可高于11 0 0 ℃。力学性能测试也证明了 这一点。 图5 和图6 为试样在1 1 0 0 ℃固溶处理后,又进行不 同温度时效处理后耐腐蚀性和力学性能表现比较好的试 样的金相图片。可见,经过l1 0 0 ℃固溶 5 5 0 ℃时效后 试样晶粒明显细化。细化晶粒,不仅提高了材料的强度 而且也提高了塑性。一方面金属晶粒越细,晶界的总面 积就会越大,金属的强度也会越高。另一方面,细晶粒材 料中的塑性变形分布比较均匀,减少了变形的大程度集 中引起微观裂纹的危险,这样就使材料在断裂前能承受 更多的塑性变形,达到提高材料塑性的目的”1 。 图511 0 0 。C 固溶 5 5 0 。C 时效 图611 0 0 ”C 固溶 6 0 0 。C 时效 在5 5 0 ℃以下温度时效,耐点蚀能力和力学性能测 试都稍有下降。因此样品不锈钢在固溶状态应用于含氯 离子介质时,在力学性能满足要求的前提下,应选用较高 的温度进行固溶处理,以获得良好的耐点蚀性能。不锈钢 在时效状态的强度与耐点蚀性能的最佳配合是在5 5 0 ℃ 左右时效,在实际应用中,当力学性能满足要求时,选用 较低的温度进行时效可以获得较好的耐点蚀性能旧。⋯。 2 .4 试样的电化学极化曲线 l1 0 0 ℃固溶 5 5 0 ℃时效处理后的试样不锈钢在 0 .0 5m o l l LH C I 0 .5m o l /LN a C I 溶液中进行动电位极化曲 线测试。辅助电极为高纯石墨炭棒,参比电极采用饱和 甘汞电极。从自腐蚀电位开始动电位扫描极化{ 贝憾,扫 描速率为1m V /m i n 。 图7 为l1 0 0 ℃固溶 5 5 0 ℃时效处理后样品的阳极 极化曲线。电化学极化曲线,对阳极来说,曲线越陡,极 化率就越大,表示电极过程受阻滞程度越大,进行越困 难,这对防止金属腐蚀越有利。可以看出试验不锈钢的 阳极极化曲线有明显的钝化区,这主要是合金元素铬和 镍等形成c r O ,和M o N i O 。等致密的、抗蚀性好的氧化膜 所致。试验不锈钢在溶液中能够自钝化,随着阳极电位 的增加直接进入了钝化区,表明试验不锈钢有较好的钝 化能力。钝化区钝化电位从一0 .7 5V 到1 .2 3V ,钝化区间 较宽,耐点蚀性较好,说明试样表面钝化膜稳定性也较好。 图7 中观察到试验不锈钢的自腐蚀电位为一0 .1 8V ,点蚀 击破电位为1 .2 3V 。自腐蚀电位和点蚀电位越正说明材 料的耐点蚀性能越好。从图7 中观察到在1 .2V 时电流迅 速增加了,这是由于析氧反应的发生,这再次说明试验 不锈钢具有较好的耐腐蚀能力。试验不锈钢的维钝电流 密度为1 0 。A 到1 0 ‘4 A 之间,比较小,表明在含C l 。的酸 性溶液中,试验不锈钢钝化膜有较高的稳定性,而且它 4 0 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 万方数据 2 - O 1 .5 1 .0 \ g 羽0 5 O O .o .5 .8.7- 6.5- 43.2 l o d i /A 图711 0 0 。c 固溶 5 5 0 。c 时效的阳极极化曲线 的溶解速度变小,提高了钝化膜的耐C 1 ’侵蚀能力,其表 面钝化膜在含氯腐蚀性介质中有更好的保护性能。同时 再次表明试验不锈钢表面钝化膜具有更高的稳定性。 3 结论 研制的新型不锈钢,通过合金元素含量优化、合理 的熔炼工艺以及选择最佳的热处理制度,解决了材料的 强韧性配合,效果良好,基本达到预期要求。 1 经过正交实验优化得出不锈钢试样最佳成分为 2 0 %C r ,1 8 %N i ,6 %M o ,0 .8 %C u ,4 %M n ,0 .5 %S i , 0 .5 %V ,其余为F e 。 2 试验不锈钢分别进行9 5 0 ,l0 0 0 ,1 0 5 0 ,l1 0 0 , 1 1 5 0 ,l2 0 0 ℃固溶处理,保温0 .5h 后水冷,其耐蚀性 和力学性能都较铸态样品有所提高,尤其11 0 0 ℃固溶 处理样品性能表现优异。 3 将l1 0 0 ℃固溶处理后的试样分别进行5 0 0 ,5 5 0 , 6 0 0 ℃的时效处理,保温4h 后油冷,5 5 0 ℃时效试样耐 蚀性和力学性能表现最佳。 4 试验不锈钢最佳热处理方案是l1 0 0 ℃固溶处 理0 .5h 后水冷,再进行5 5 0 ℃时效4h 后油冷。 参考文献 [ 1 】牛靖,董俊明,薛锦,等.高韧性不锈钢F V 5 2 0 B 的析 出硬化行为研究[ J 】铸造技术,2 0 0 6 ,2 7 1 9 2 1 - 9 2 2 . 【2 ] 牛靖,董俊明,付永红,等.F V 5 2 0 B 钢时效组织和力学 性能分析【J 】.热加工工艺,2 0 0 6 。3 5 4 3 3 3 5 . 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