CF10M 奥氏体不锈钢固溶处理工艺研究

（共享铸钢有限公司，宁夏 银川 750021）

关键字：CF10M;固溶处理;机械性能;金相

奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中Cr 质量分数约18%、Ni 质量分数约8%～25%、C 质量分数约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni 含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti 等元素发展起来的高Cr-Ni 系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，如加入S，Ca，Se，Te 等元素，则具有良好的易切削性。此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外，如果含有Mo、Cu 等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。此类钢中的含碳质量分数若低于0.03%或含Ti、Ni，就可显著提高其耐晶间腐蚀性能。高硅的奥氏体不锈钢对浓硝酸具有良好的耐蚀性。由于奥氏体不锈钢具有全面的和良好的综合性能，在各行各业中获得了广泛的应用。CF10M 是奥氏体不锈钢的一种，是在304 不锈钢的基础上增加Mo 含量，显著增加其在酸性环境下的抗腐蚀效果。

1 材质及化学成分

CF10M 奥氏体不锈钢材料成分设计如表1 所示。

表1 材质及化学成分（质量分数，%）

CF10M 材料主要用于腐蚀环境中，增加耐腐蚀抗性的主要元素为Cr 元素、Mo 元素，其中Mo 又可增加耐酸性腐蚀抗性，这是其耐腐蚀性显著优于不含Mo 的奥氏体不锈钢的主要原因，但Cr、Mo 元素不易过低，过低会导致耐腐蚀性差，同时影响耐腐蚀性的元素C 含量却不易过高，过高易使Cr 与C结合形成碳化铬，导致晶间贫Cr，加剧腐蚀倾向；Ni是稳定奥氏体化的主要元素之一，Mo 可提高耐酸腐蚀性，加入一定量的Mo 后，容易产生σ 相，因此Ni 需要相应的提高以消除过多的σ 相保证后期热加工过程无脆性相析出。但奥氏体不锈钢中又不能含有太多的铁素体，含有一定量的铁素体（约5%～10%）能够对铸造热裂纹倾向有一定的降低作用，铁素体含量过高易使后期热加工工序产生开裂，其主要原因为奥氏体焊缝枝晶间呈网状连接的铁素体对奥氏体基体的分割严重，导致焊接接头的韧塑性降低，因而在后期的成分设计上需要重点考虑奥氏体不锈钢中铁素体的含量。

奥氏体不锈钢在铸造各序生产，尤其是受热序，需要共同关注：因为含碳且为高合金钢，必然有各种碳化物或其他化合物形成，尤其是在从高温冷却的过程中，冷速如果低于临界冷速，则会有各种碳化物或其他化合物析出，主要分布在晶界上，导致材料变脆。同时，析出物主要以CrxCy 的形式形成，导致基体产生贫Cr，耐蚀性降低，易形成点蚀坑，并降低材料强度，低温使用效果变差。这种临界冷速主要受C 的影响最大，不同的C 含量，临界冷速不同。总的来说，C 含量越低，所要求的临界冷速越慢，析出不良组织的含量也越容易控制。结合碳化物的形成区间（简称C 形图）如图1 所示，当产品要求的强度不是太高的情况下，优先考虑w（C）≤0.03%，此时碳化物析出的临界冷却速度约在5℃/h，大于此冷却速度，基本无碳化物析出，这种速度生产中较易实现，能够有效减少热加工工序上碳化物的析出，对产品更有利。

图1 奥氏体不锈钢中碳化物的形成（C 形图）

根据奥氏体与铁素体形成可能性的经验公式（Cr 当量与Ni 当量比）[1]，结合舍弗勒相图中铁素体含量存在区间及相应的C 含量要求设计出实验所需要的试块成分见表1.

2 力学性能要求

奥氏体不锈钢力学性能要求见表2，奥氏体不锈钢在力学性能上主要表现为低强度高塑韧性，其塑韧性尤表现在低温环境下的冲击性能，如用到低温环境中，通常使用于-150 ℃以下，在如此低的环境下冲击值一般可达到50 J 以上。

表2 CF10M 性能要求

3 试验方案策划

表3 试验方案

固溶处理是奥氏体不锈钢主要的热处理形式，将钢加热到1 000 ℃～1 100 ℃的高温，经保温后使碳化物、σ 相等分解、固溶，可以得到成分均匀的单一的奥氏体组织，然后水淬，使高温的稳定奥氏体一直保持到常温，称为固溶热处理。这种处理的铬镍奥氏体不锈钢，其硬度最低，韧性、塑性最高，耐蚀性能最好，是最佳的使用状态。因CF10M 奥氏体不锈钢在Cr、Ni 的基础上增加了Mo，Mo 所形成的化合物有较高熔点，因此固溶温度要比不含Mo 的奥氏体不锈钢高一些。根据文献介绍及手册查询，对比ZG08Cr19Ni11Mo3 固溶处理温度要求，固溶温度≥1 040 ℃，碳化物溶解，保温时间不宜过长，保温时间依据碳化物含量而定，在较高的固溶温度下较短保温时间内使碳化物充分溶解，并快速通过600 ℃～700 ℃碳化物析出区间，可采用水冷达到快冷的目的。

综合考虑拟定如表3 所示1 050 ℃、1 075 ℃、1 100 ℃三种固溶热处理温度，试块尺寸为170 mm×70 mm×80 mm，拟定2 h、5 h、8 h 三种不同保温时间进行实验。

4 实验结果

4.1 金相组织

将各种条件下得到的试样进行处理，在显微镜下观测其组织情况，金相组织如图2～图5.

4.2 机械性能结果

按照9 种试验方案得到的试样按照GB/T228.1-2010 标准进行拉伸试验，得到的9 组试验结果如表4 所示。

图2 铸态试块金相组织照片

图3 1050℃固溶温度下不同保温时间金相组织照片

图4 1075℃固溶温度下不同保温时间金相组织照片

图5 1100℃固溶温度下不同保温时间金相组织照片

表4 机械性能结果

5 试验结果分析

5.1 金相结果分析

铸态奥氏体不锈钢试块金相组织如图2 所示，含有大量的铁素体、碳化物等不良组织，未做固溶处理，碳化物析出严重，铁素体含量较多。

经过固溶处理，组织显著改善，碳化物及铁素体含量显著降低，且随着固溶处理温度的提高CF10M 奥氏体不锈钢中铁素体的含量逐渐降低，其形貌由骨骼状向光滑的圆点状演变[2]。但在1 100 ℃保温时间在5 h、8 h 上进行保温，组织又存在较多的铁素体，如图5 所示，这种铁素体可能是因温度过高而使钢中析出σ 铁素体，直接影响钢的有关性能，固溶温度较高时奥氏体相向铁素体相转变，铁素体含量逐渐提高[3]，后面机械性能的检测中直接体现为抗拉强度和屈服强度的降低。

经过固溶处理后CF10M 奥氏体不锈钢组织中铁素体含量在10%以内，基本上都在合理范围内，最好的固溶工艺为1 075 ℃×8 h，金相中的铁素体最少且分布均匀呈现圆点分布。

5.2 机械性能分析

从表4 可以看出铸态试块经检测，抗拉强度、塑韧性低于标准要求，经过固溶处理后试块强度、塑韧性均显著高于标准要求，各项力学指标优良，与其组织密切相关，但是过高的固溶温度与较长的保温时间下，组织呈现恶化趋势，导致强度、塑韧性出现降低倾向。

6 结论

1）CF10M 奥氏体不锈钢材质铸态不经过固溶处理，组织存在大量的铁素体及碳化物，经过固态处理各项机械性能指标良好；

2）在本实验条件下选择最佳的固溶热处理工艺为：1 075 ℃×8 h，能够满足力学性能的要求，同时组织中碳化物及铁素体含量最少。