F51双相不锈钢锻造及热处理问题探究

2023-01-03尤永龙贾刚尤传斌

金属加工(热加工) 2022年12期

尤永龙，贾刚，尤传斌

温州冶金机械测试研究所浙江温州 325000

1 序言

F51是我国依照美国标准ASTM A182/A182M—2018的要求引用的、目前在石化阀门行业最常用的高温抗腐蚀双相不锈钢，但国内对这种材料的分析研究还比较薄弱。某大型阀门厂接到美国阀门生产订单，要求材料为F51双相不锈钢，采购苏州某特钢公司生产的钢锭，经锻造+固溶处理后，低温冲击性能不达标，且与标准要求差距较大，为此委托我所分析原因及研究整改方案，且在浙江省科协启动的“千名专家进万企”的永嘉驿站反映的七大亟待解决问题中，也有这样一个问题，于是我所组织专家进行了深入研究。

2 化学成分分析

原材料要求的化学成分及其技术标准要求见表1。

表1中，除标准中规定的元素外，还对一些微量及少量的杂质元素进行了分析，但目前还不清楚这些元素对性能有什么影响。

表1 几种样品的化学成分（质量分数）（%）

试验所取的几个样品如图1所示。

图1 试验试样

3 力学性能检测

经锻造＋1050℃固溶处理后，力学性能检测结果和标准要求见表2。由表2可看出，拉伸性能符合要求，低温冲击性能与标准要求差距较大。

表2 力学性能检测结果

4 金相分析

取冲击试样进行金相分析，结果显示组织偏粗，且奥氏体以条状分布，铁素体中有较多不规则小块状奥氏体出现，条状奥氏体明显长大，奥氏体晶界已形成不规则形状，如图2所示。由此推测发生了组织过热，这种过热的可能来源有3个：一是原始锻造比不足；二是终锻温度太高；三是固溶处理温度过高。

图2 1#试样金相组织

5 锻造和固溶处理工艺

取原始锻件进行充分锻造，始锻温度为1150℃，终锻温度为1000～1050℃，1050℃固溶处理（水冷，水温为25℃），取样进行力学性能试验，结果冲击性能仍不合格，重新将固溶处理温度提高到1080℃，保温6h水冷，冲击性能丝毫没有改善，见表3、表4。

表3 重新锻造和固溶处理工艺

表4 重新锻造和固溶处理后的力学性能

再将两次固溶处理的冲击试样分别进行金相检测，组织明显细化，且组织非常均匀，如图3所示。只是1080℃固溶及长时间加热后，组织略有长大，相邻的奥氏体块重叠成短条状的奥氏体，如图4所示。标准规定的固溶处理温度为1025～1100℃，从两种固溶处理温度形成的组织可看出，标准规定的温度上下限和长时间处理，对金相组织的影响表现为奥氏体长大[1]。

图3 二次锻造＋1050℃固溶金相组织

图4 二次锻造＋1080℃固溶金相组织

6 扫描电镜观察和能谱分析

取3种锻造固溶处理后的冲击试样断口进行扫描电镜观察和能谱分析。

1）断口存在大量的解理面，在解理面上有大量的规则球状物质，其直径为0.1～10μm，如图5所示。由此说明冲击性能差就是球状物质造成的。

图5 冲击试样断口扫描电镜观察

2）对球状物质和基体物质进行能谱分析，结果显示，球状物质和基体的成分没有太大差别，如图6、图7所示（其中C含量高是因表面附着物而造成的，与冲击试样采用低温酒精有关），因此得出的结论是，球状物质不是特殊结构的碳化物（长期试验发现的碳化物是不规则的，成分中除C元素外，还有大量的与碳的亲和力比较强的元素，如W、V、Nb、Cr等）[2]，见表5。因此，造成这种球状物质的原因，从第一个金相组织判断，过热的特征已很明显，按照自由能的原理判断，球状物质极大可能是过烧所致，于是对锻件的过烧进行证明。