CD3MN双相不锈钢材质热处理工艺研究

2019-01-17

大型铸锻件 2019年1期

(太原重工股份有限公司，山西030024)

CD3MN是一种强度较高、耐腐蚀性能较好的双相不锈钢。该材质兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，材质的塑性和韧性更高，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高；与奥氏体不锈钢相比，材质的强度高且耐氯化物应力腐蚀明显提高，具有优良的耐点腐蚀性能。本研究在材质实验基础上，进行了热处理工艺优化，并进行了应用。

1 试验材质及试验方案

1.1 试验材料制备

试验用钢为ASME SA-995标准CD3MN双相不锈钢铸造材质，采用真空感应电炉熔炼，材质化学成分见表1。浇注一组基尔试验料，然后分割标示进行热处理试验。

1.2 热处理试验方案

CD3MN双相不锈钢材质的热处理工艺为固溶处理，选择1020℃、1070℃、1120℃、1170℃不同固溶温度的试验方案进行热处理试验。

实验后，按照GB/T228.1进行力学性能试验，采用ASTM E562标准规定进行铁素体含量检测，按照ASTM G48标准进行点腐蚀试验；并按照GB/T228.2进行了100℃、200℃、300℃、475℃的高温力学性能试验。分析确定适合的热处理工艺。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能

CD3MN材质按不同温度固溶处理后，力学性能试验分析数据如表2所示。

从力学性能数据看，在1020～1170℃温度范围，随着固溶温度的提高，抗拉强度呈提高的趋势，伸长率也呈提高的趋势，冲击韧性呈先提高后降低的趋势；1120℃温度固溶处理，抗拉强度和伸长率等性能都较高，达到材质标准要求，此热处理方案较好。

2.2 显微组织分析

材质热处理试验后，进行了显微组织和铁素体含量分析检测，结果见图1、表3。

显微组织分析：固溶处理后显微组织为铁素体+奥氏体双相组织，从1020℃到1170℃，随着固溶温度的升高，铁素体含量呈不断增加趋势；1020℃固溶处理后，铁素体基体上的奥氏体形态以板条状为主；1070℃固溶处理时，板条奥氏体逐渐变为岛状形态，分布开始趋于均匀，铁素体含量为46.06%；1120℃固溶处理时，板条状奥氏体变为小岛状分布于铁素体基体上，铁素体含量为49.02%，奥氏体和铁素体两相比例接近1∶1；1170℃固溶处理时，奥氏体成小岛状弥散分布于铁素体基体上，且奥氏体量减少，铁素体含量达到55%。综合分析固溶温度以1120℃为优。

表1 材质的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical compositions of material (mass fraction, %)

表2 力学性能试验结果Table 2 Test results of mechanical properties

图1 不同固溶温度显微组织分析Figure 1 Microstructure analysis at different solution temperatures

试验方案A1A2A3A4铁素体含量45.6946.0649.0255.26

2.3 点腐蚀性能试验

CD3MN材质不同温度固溶处理后，加工成40 mm×20 mm×4 mm腐蚀试验试样，按ASTM G48方法A进行点腐蚀试验，采用6%FeCl3水溶液进行72 h的点腐蚀试验，不同试验方案点腐蚀速率试验数据见表4。

表4 材质点腐蚀试验数据Table 4 Pitting corrosion test data of material

从点腐蚀试验结果看，在1020～1170℃温度范围，随着固溶温度的提高，点腐蚀速率呈先降低后增加趋势。当1020℃固溶时，由于奥氏体呈板条及不均匀分布，因而耐点腐蚀性能差；当1120℃固溶时，由于奥氏体和铁素体两相比例接近且分布均匀，耐点腐蚀性能较好，点腐蚀速率为0.0148 g/(m2·h)，满足用户小于0.04 g/(m2·h)的要求；当1170℃固溶时，由于奥氏体比例减少，铁素体含量提高，两相分布不再均匀，因而耐点腐蚀性能下降。

图2 材质高温处理显微组织照片Figure 2 Microstructure pictures of material at high temperature heat treatment

试验编号试验温度℃Rp0.2MPaRmMPaA%Z%A3-1A3-2A3-3A3-4A3-52010020030047542638132329025066356053755653242.538.533.534.536.071.074636164

2.4 CD3MN材质高温性能试验

选择力学性能及耐点腐蚀性能较好的试验方案A3(1120℃固溶处理)的试验料，进行了室温及100℃、200℃、300℃、475℃高温力学性能对比试验，高温力学性能试验数据见表5；并对高温力学性能试验后试验料进行了显微组织分析，见图2。

2.4.1 材质高温力学性能试验

从高温拉力性能试验结果分析看，材质屈服强度随着试验温度的提高呈下降的趋势，300℃时屈服强度降低到290 MPa，降低到性能标准要求70%以下；475℃时屈服强度降低到250 MPa，降低到标准性能要求的60%；理论上此材质的使用温度在300℃以下，因此CD3MN材质铸件在使用及铸造过程中都要注意控制工件的温度。

2.4.2 材质高温显微组织分析

从不同温度试样金相分析看：固溶处理后，奥氏体的形态由铸态板条大部分变为岛状形态，分布较均匀；固溶+200℃及300℃保温拉力试验，奥氏体形态趋于圆滑，趋于均匀弥散；固溶+475℃保温处理，奥氏体形态更加圆滑，同时在铁素体基体内产生少量富铬的α′相析出，α′相为脆性组织，表现为力学性能严重下降，表现出475℃脆裂现象。所以CD3MN材质使用时一般要求在300℃以下。

3 生产应用

CD3MN属高强度、塑韧性能好、耐蚀性能好双相不锈钢材质。在总结CD3MN材质热处理试验基础上，确定材质的铸造、热处理、清理等生产工艺及关键工序控制重点，并进行了生产应用。目前已完成泵体、泵盖、导叶体、CAP1400核电用泵叶轮室和喇叭口等20余套大型电站循环水泵CD3MN材质铸件的生产，按照优化的热处理工艺处理，铸件的力学性能、铁素体含量和点腐蚀性能全部达到ASME SA-995标准和用户的特殊技术要求，并通过用户的复验。通过系列CD3MN材质大型双相不锈钢泵类铸件的生产，在双相不锈钢铸钢材质的生产方面积累了宝贵的经验，拓宽了企业的产品领域，为企业的转型发展创造了良好的条件。