新型奧氏體不銹鑄鋼的固溶處理
奧氏體型鋼按合金化系列，除Mn-Al系類(lèi)型外，主要還有Cr-Ni系（普通奧氏體不銹鋼）、Cr-Ni-Mn-Mo-N系。我國(guó)現(xiàn)有的Cr-Ni系奧氏體鋼主要用于有腐蝕性的化學(xué)介質(zhì)（主要是各類(lèi)酸），要求能耐腐蝕，雖然生產(chǎn)工藝成熟，配套材料較完備，但由于對(duì)強(qiáng)度要求不高，相對(duì)船舶用鋼的強(qiáng)度要求偏低，且一般的奧氏體鋼在低溫下會(huì)產(chǎn)生馬氏體相變而引起脆性。因此，我國(guó)現(xiàn)有的Cr-Ni系奧氏體不銹鋼不能滿足船舶材料的使用要求。ZG0Cr21Ni13Mo3NbN鋼是一種新型的高性能奧氏體鋼，強(qiáng)度在450MPa以上，成分設(shè)計(jì)采用的是超低碳Cr-Ni-Mn-Mo-N系，基本的設(shè)計(jì)思路為：以Cr、Ni為主要合金元素，降低鋼中碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）到0.05%以下，以保證鋼的焊接性，并防止晶間腐蝕；通過(guò)氮強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度，彌補(bǔ)降碳引起的強(qiáng)度損失，還可提高奧氏體的穩(wěn)定性，改善耐蝕性能；加入Mo、Si提高鋼的抗點(diǎn)蝕和抗應(yīng)力腐蝕性能；添加Nb等穩(wěn)定化元素，防止鋼的晶間腐蝕；加入Mn提高N的溶解度，有利于含N鋼的熔煉。同成分系鑄鋼的性能也具有較高的力學(xué)性能，但其顯微組織受固溶溫度的影響比較敏感。本文從固溶溫度對(duì)ZG0Cr21Ni13Mo3NbN鋼顯微組織的影響著手，簡(jiǎn)略分析兩者之間的關(guān)系。
1．試驗(yàn)材料
試驗(yàn)用ZG0Cr21Ni13Mo3NbN鑄鋼采用50kg感應(yīng)電爐熔煉，化學(xué)成分見(jiàn)表1。試驗(yàn)用試樣尺寸為Φ30mm×40mm。固溶處理設(shè)備為高溫箱式爐。
試驗(yàn)方法是將試樣在1050~1150℃保溫一定時(shí)間并在水中冷卻，以觀察試樣在不同固溶溫度下的組織。
2．試驗(yàn)結(jié)果及分析討論
（1）鑄態(tài)組織 圖1為此鋼澆注后的鑄態(tài)金相。從圖中可以看到，此鋼的鑄態(tài)組織中，除了主要的奧氏體基體外，在晶界和晶內(nèi)還存在有彌散碳化物和δ鐵素體，而且沿晶界析出的要比沿晶內(nèi)析出的多。鑄態(tài)下鋼中鉻和碳結(jié)合生成碳化物，造成晶界貧鉻，使之抗晶間腐蝕性能極差，鋼的韌性也下降，同時(shí)由于存在少許鐵素體，不能滿足對(duì)100%奧氏體的使用要求，所以鑄態(tài)奧氏體不銹鋼不能直接使用，必須通過(guò)固溶處理，使之轉(zhuǎn)變?yōu)?00%奧氏體，以提高其抗晶間腐蝕性能及其他性能要求。
圖1 鑄態(tài)金相組織 100×
（2）固溶工藝的初步選擇ZG0Cr21Ni13Mo3NbN是一種新型的奧氏體不銹鋼，其沒(méi)有一種固定的熱處理規(guī)范。本試驗(yàn)使用箱式電爐加熱，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，500℃裝爐升溫到1050℃，按1～2min/mm進(jìn)行保溫。熱處理后其金相組織如圖2所示。
圖2 1050℃固溶金相組織 500×
由圖2可以看出，此鋼經(jīng)1050℃固溶后，其組織仍為奧氏體基體上分布著彌散碳化物和δ鐵素體。與圖1相比，彌散碳化物與δ鐵素體并未完全消失，在晶界和晶內(nèi)仍然存在有彌散碳化物和δ鐵素體，這與鑄態(tài)組織相差無(wú)幾。采用GB/T 1574—1995《定量金相手工測(cè)定方法》測(cè)定其中的δ鐵素體含量為4.7％。
為驗(yàn)證金相分析結(jié)果，采用掃描電子顯微鏡觀察圖2 A點(diǎn)處的能譜，得到如圖3及表2的結(jié)果。由表2可知，該組織確為δ鐵素體，它與奧氏體基體相比， Cr含量偏高，而Ni含量偏低，說(shuō)明此種固溶處理基本沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。下一步將對(duì)固溶工藝進(jìn)行改變，以期得到100％的奧氏體組織。
圖3 A點(diǎn)處的能譜
（3）改進(jìn)后的熱處理工藝 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，合金元素在α和γ兩相中分配是不同的，α相中富集了鐵素體形成元素，而γ相中富集了奧氏體形成元素，且分配系數(shù)不是恒定的，是隨著加熱溫度和相比例的變化而改變的。一般情況下，隨固溶溫度的提高，合金元素會(huì)逐漸趨向于平衡，即α相中的Cr、Mo、Si含量逐漸降低，Ni、Cu含量逐漸升高。由此說(shuō)明，固溶處理溫度低或保溫時(shí)間過(guò)短，都會(huì)使鋼中δ鐵素體不能有效地進(jìn)行擴(kuò)散及碳化物分解。因此，根據(jù)此種指導(dǎo)思想，分別制訂了兩種熱處理工藝規(guī)范：1100℃及1150℃固溶處理，按2～3min/mm進(jìn)行保溫。
1）1100℃固溶處理結(jié)果 1100℃固溶處理之后，此種新型奧氏體鋼的金相組織如圖4所示，組織為奧氏體+δ鐵素體。與圖2相比較，可以明顯看出提高固溶溫度后，δ鐵素體的含量已經(jīng)有了明顯的減少，且彌散碳化物已經(jīng)基本消失（即使存在，其含量也已相當(dāng)少，僅為2.3％）。由此也可以說(shuō)明，提高固溶溫度對(duì)該鑄鋼的奧氏體化是有幫助的，但是其中的鐵素體還沒(méi)有完全消失，因此，有必要進(jìn)行更高溫度的固溶處理。
圖4 1100℃固溶金相組織 100×
（2）1150℃固溶處理結(jié)果 1150℃固溶處理之后，此種新型奧氏體鋼的金相組織如圖5所示，組織為奧氏體+少量碳化物。可以明顯地看出，提高固溶溫度后，δ鐵素體已經(jīng)有明顯消失，而且彌散碳化物大量減少。通過(guò)對(duì)其性能檢測(cè)，完全滿足指標(biāo)要求。
但若再升高溫度，奧氏體組織會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)大，這將不利于此鋼性能的保證。因此，我們認(rèn)為此鑄鋼的最佳熱處理工藝規(guī)范為1150℃，按2～3min/mm保溫。
圖5 1150℃固溶金相組織 100×
通過(guò)工藝試驗(yàn)，我們掌握了奧氏體ZG0Cr21Ni13Mo3NbN鋼一系列工藝特性，積累了一些熱處理經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)于該材料今后的使用和推廣，有一定的指導(dǎo)意義和實(shí)際使用價(jià)值。
3．結(jié)語(yǔ)
固溶溫度越高，ZG0Cr21Ni13Mo3NbN鋼中彌散碳化物與δ鐵素體越少，當(dāng)固溶溫度為1150℃，按2～3min/mm保溫時(shí)，其析出相可以全部固溶到奧氏體基體中，從而得到單一的奧氏體組織。
固溶冷卻水溫和轉(zhuǎn)移時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制，過(guò)高的水溫和過(guò)長(zhǎng)的轉(zhuǎn)移時(shí)間均會(huì)影響固溶處理的效果。
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