热处理对21-6-9钢性能及显微组织影响

包翠敏 庄春瑜 陈 蕊 谭朝鑫*/沈阳鼓风机集团股份有限公司

热处理对21-6-9钢性能及显微组织影响

包翠敏 庄春瑜 陈 蕊 谭朝鑫*/沈阳鼓风机集团股份有限公司

0 引言

随着国民经济的持续发展及能源结构的调整，我国大量应用清洁能源液化天然气（LNG Liquefied Natural Gas）是必然的发展趋势。在LNG的长途运输过程及站点储藏期间，为了保持LNG的液化状态，需要使用压缩机对气化部分天然气进行压缩重新液化，并输送回储藏罐。LNG压缩机作为LNG运输和存储过程中的必备装置，在眼下及未来一段时间里有着相当广阔的市场前景。LNG压缩机与常规压缩机的重要区别之一在于其压缩介质温度低（-163℃），故此对制备压缩机用材料的低温性能要求很高[1-4]。

21-6-9钢（又称HR-2钢）是综合性能优异的一种铁基单相高强度奥氏体不锈钢，是LNG压缩机用良好的低温材料。由于在室温及低温状态下，21-6-9钢都会保持稳定的奥氏体状态，无相变发生，因此具有优异的低温韧性和抗裂纹扩展能力，是一种性能优异的低温结构材料。该钢种的合金化元素为Cr、Ni和Mn，这些元素除了起到稳定奥氏体的作用外，还可起到固溶强化的作用。特别需要指出的是，21-6-9合金中添加了一定量的元素N（0.2-0.34 wt.%），这是一种强固溶强化元素，可显著提高合金的加工硬化能力和室温力学性能。通过热处理工艺参数调整，21-6-9钢可进一步优化其组织及性能，目前关于热处理对21-6-9钢显微组织结构及性能影响鲜有报道。本文旨在研究单相高强度21-6-9奥氏体不锈钢的热处理机制及各项热处理参数对其组织和性能的影响[5-6]。鉴于21-6-9钢为固溶强化奥氏体，时效处理过程中没有沉淀强化相析出，故此本工作重点研究固溶处理工艺参数对材料性能的影响，而对时效温度影响的研究，旨在考虑该材料在工程应用过程中焊后消应力时，可能涉及到该处理过程。

1 试验方法

试验所用材料采用电炉加电渣重熔冶炼技术取自300mm×150mm×25mm的锻板。其化学成分范围及荧光光谱实测成分如表1所示。

表1 21-6-9钢的化学成分表（质量分数，%）

从锻板上取下试样，并对其进行热处理，具体工艺如表2所示。

表2 21-6-9钢的热处理工艺参数表

热处理后对试样进行性能分析，拉伸试验按GB/T228-2010标准进行，冲击试验按GB/ T229-2007标准进行。晶粒度测定按国标GB6394-2002金属平均晶粒度测定法规定进行。

利用MVC1000B型显微硬度计对试样进行硬度测试（载荷为300g，加载时间为15s）；利用Nikon-MA100型的金相显微镜进行光学显微分析。

2 结果分析

2.1固溶处理温度对21-6-9钢显微组织及性能影响

固溶处理温度（见表2中编号1～6）对力学性能的影响见图1～3。

由图1可以看出，抗拉强度和屈服强度表现为一种缓慢下降的趋势，抗拉强度总的下降幅度不超过10%；屈服强度总的下降幅度不超过15%。屈服强度与抗拉强度之间相差较大，屈强比约为0.6，在工程使用中为相对安全的材质。塑性指标随固溶温度的升高，变化不大、表现出具有良好的塑性。

图2显示固溶温度升高，其低温冲击吸收能量不断提高，可见固溶温度对低温冲击吸收能量影响较大。当固溶温度提高到1 200℃时，低温冲击吸收能量有明显提升，是由于研究材料的冶炼工艺决定的。电炉熔炼后电渣重熔的冶炼工艺满足了该材料较低的价格适于工程大规模推广使用的特性，同时引入显微组织中较多的条带状碳化物第二相（EDS能谱分析显示为Fe，Cr的碳化物）（见图3），而固溶温度提高到1 200℃，材料中明显的第二相溶解。大量第二相明显降低材料低温冲击吸收能量，而较高固溶温度下第二相在溶解后，其低温冲击吸收能量提高约70%。

显微硬度变化见图4，显示固溶温度的变化对材料硬度影响很小，变化幅度约20HBW。

表3为固溶温度对晶粒度及具体晶粒尺寸的影响。可见，当固溶温度不高于1 100℃时（对应样品编号1-4），晶粒度大于5，晶粒尺寸适中。固溶处理温度进一步升高，晶粒度明显下降，晶粒粗大化现象严重。为便于观察，将固溶温度为1 050℃和1 200℃的材料显微组织形貌列出，见图3所示。晶粒长大的主要驱动力为晶界的界面能，在晶界能的驱动下，晶界迁移，界面自由能下降，发生晶粒长大，因此，晶粒长大与晶界迁移机制有关，而晶界迁移速度与温度有明显的依赖关系[7-8]。

表3 不同热处理后21-6-9钢的晶粒尺寸

总之，固溶处理是为了溶解基体内碳化物及γ'相等以获得均匀过饱和固溶体同时获得适宜的晶粒度。固溶温度过高为晶粒快速生长提供驱动力，易诱发晶粒粗大化，对材料在中温及低温工况使用中的综合性能有不利影响。1 050℃固溶处理得到的21-6-9钢显微组织晶粒细小且均匀，同时具有良好的综合力学性能，为适宜固溶处理温度。

2.2固溶冷却方式对21-6-9钢组织、性能的影响

改变固溶处理的冷却方式，研究冷却方式对21-6-9钢显微组织与性能的影响：水冷，油冷，强制风冷及空冷。对经不同固溶冷却方式处理后21-6-9钢的强度和塑性进行分析，并对其低温（-196℃）冲击吸收能力及硬度进行测试，结果见表4。可以看出，当固溶冷却方式不同时，抗拉强度、屈服强度随着冷却速度的加快或减慢（冷却方式不同直接对应冷却速度不同）变化趋势并不明显。

表4 不同冷却方式固溶处理的21-6-9钢性能测试结果

不同的固溶冷却方式对断后伸长率、断面收缩率影响较小；对低温（-196℃）冲击吸收能量有一定影响，空冷和油冷处理后，材料低温冲击吸收能量较水冷和强制风冷的冲击吸收能量低20J，但数值均在较好的工程可使用范围内；当选择固溶冷却速度较慢的空冷、强制风冷和油冷进行热处理时，显微硬度相对较水冷后的硬度均值低20HBW，即冷却速度对显微硬度影响亦较弱。

表5为固溶冷却方式对晶粒度影响。冷却速度较快的水冷有利于保持较小的晶粒尺寸，而其他冷却方式由于冷却速度较慢，晶粒尺寸一定程度上长大。

表5 不同冷却方式固溶处理的21-6-9钢晶粒尺寸

通过研究固溶冷却方式对21-6-9钢组织与性能的影响发现，由于21-6-9钢为固溶强化单相奥氏体材料，没有明显的析出相存在，故此冷却方式对材料力学性能影响较小，但是较快的冷却速度有利保持细小而尺寸均匀的晶粒状态，即固溶冷却选择水冷比较适宜。

2.3时效温度不同对21-6-9钢显微组织及性能影响

表6为时效温度对力学性能影响，可看出随着时效温度升高，抗拉强度及屈服强度变化幅度小且没有明显的变化趋势；且均具有良好的断后伸长率和断面收缩率，整体随着时效温度升高呈现很小幅度下降；时效温度对硬度影响不明显。总之，

21-6-9钢这类奥氏体单相不锈钢，时效过程中没有析出相形成，故时效温度对材料强度、塑性以及硬度没有明显影响。

表6 1050℃保温2h水冷后不同温度时效的21-6-9钢性能测试结果表

图5为时效温度对低温冲击吸收能量的影响，可以看出随着时效温度的升高，低温冲击吸能量整体呈下降趋势，当时效温度升高到650℃，冲击吸收能量明显降低，以至于无法满足工程使用要求。

图6 为固溶态以及固溶后经700℃时效的显微组织。图中对应固溶态（编号3）显微组织中晶界上没有明显析出物，而经过700℃固溶后晶界布满了细小的白色颗粒（经650℃时效后的显微组织与此相似），能谱分析为C-Cr化合物。细小的C-Cr化合物形成网状订扎在奥氏体晶界上，明显增加材料脆性。与图5中冲击吸收能量曲线特性相吻合。图中条带状颗粒相由该合金所采用的冶炼工艺引入。

表7为经不同时效温度处理后的晶粒度，可以看出：时效温度对晶粒度影响并不明显，晶粒度基本都在6左右。表明时效温度较低无法为晶粒生长提供驱动力。

表7 1050℃保温2h水冷后不同温度时效的21-6-9钢晶粒尺寸表

总之，时效温度对21-6-9钢强度、塑性、硬度以及晶粒度等影响不明显，但时效温度达到650℃时，该钢种的低温冲击吸收能量接近工程应用规定的下临界值区（≥27J）。在工程中使用21-6-9钢难免涉及焊接工艺，需要对该材料焊接后进行消应力等处理，消应力温度不要超过600℃。

3 结论

通过对比研究固溶处理温度、固溶冷却方式、时效处理温度等热处理参数对21-6-9钢性能及显微组织的影响，得出以下结论。

1）随着固溶处理温度的不断升高（从950℃到1 200℃），强度缓慢下降，其塑性及显微硬度变化趋势不明显，但低温韧性明显提高；当其固溶温度为1 050℃时，材料晶粒细小且均匀。

2）固溶冷却方式对该钢种的强度影响较小，经不同固溶冷却方式处理得到的材料塑性与低温韧性都较好；当固溶冷却方式选择水冷时，材料晶粒大小均匀且晶粒度级别较高。

3）时效处理温度（从350℃到700℃）对强度、塑性、硬度以及晶粒度等的影响都不明显，但对其低温韧性影响显著：随着时效温度的升高，低温韧性明显下降，当时效温度升高到650℃时，该钢种的低温韧性指标接近工程应用标准规定的下临界值区。故在工程中对焊接后21-6-9钢进行消应力处理时，应该确保消应力温度不超过600℃。

综上所述，经适当的热处理工艺21-6-9钢可获得良好的力学性能，使其在超低温工况用压缩机机壳、隔板等部件有着良好的应用前景。

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：热处理工艺对单相高强度21-6-9奥氏体不锈钢显微组织及力学性能影响显著。本文在固定其他热处理工艺参数情况下，分别对固溶处理温度，固溶冷却方式，时效处理温度进行研究，结果表明：固溶温度对21-6-9钢低温韧性及晶粒尺寸影响显著，1050℃是其最佳固溶处理温度；固溶冷却方式对其力学性能影响不明显，但对其晶粒尺寸有较大影响，其中水冷处理方式能够使21-6-9钢得到尺寸均匀且细小的晶粒组织；时效温度对其低温韧性存在影响，表现为时效温度过高（≥600℃）会导致低温韧性明显下降。经过适当的热处理工艺处理，实现21-6-9钢屈服强度不低于438MPa，断口伸长率47%，断口收缩率不低于75%，同时具有良好的塑性及低温韧性。

21-6-9钢；固溶温度；时效温度；冷却方式；LNG压缩机

Influence of Heat Treatment on Properties and Microstructure of21-6-9

Bao Cui-min Zhuang Cun-yu Chen Rui Tan Chao-xin Chen Wei/Shenyang Blower Works Group Corporation

21-6-9 steel;solution treatment; aging temperature;cooling method;LNG compressor

TH142；TH452

A

1006-8155（2016）06-0062-05

10.16492/j.fjjs.2016.06.0132

*本文其他作者：陈炜/沈阳鼓风机集团股份有限公司

2016-04-21辽宁沈阳110869

Abstract:Heat treatment strongly affects the microstructure and mechanical properties of 21-6-9 steel.In this work,the effect of solution temperature,solution cooling method, and aging temperature was investigated with the other heat treatment parameters fixed. Results show that solution temperature strongly affects the cryogenic ductility and grain size of 21-6-9 steel,and 1050℃is the optimal solution temperature.Solution cooling method doesn't show significant effect on the mechanical properties of 21-6-9 steel,but water cooling treatment induces homogenous and fine crystal grains.Aging temperature higher than 600℃results in noticeable low cryogenic ductility of 21-6-9 steel.21-6-9 steel can reach to the levels of Rs no less than 438MPa,A and Z no less than 47%and 75% respectively,aswell aswith good plasticity and cryogenic ductility.