超级双相不锈钢材质CE3MN 的试验研究

2023-05-20雷鹏飞卫心宏梁燕春

铸造设备与工艺 2023年2期

雷鹏飞，卫心宏，周彤，梁燕春

（太原重工股份有限公司，山西太原 030024）

超级双相不锈钢CE3MN（材质代号2507），属第三代铸造双相不锈钢材质。与一般双相不锈钢相比，CE3MN 材质具有更高的强度性能，更好的耐孔隙腐蚀、耐缝隙腐蚀和耐应力腐蚀等性能，尤其是在含氯化物的海水中有较强的抗腐蚀能力，广泛应用于核电泵阀、海工装备及石油化工类等设备中关键铸件的制造。CE3MN 材质显微组织为奥氏体和铁素体双相组织，在铸造过程中双相合理比例控制存在较大的难度；材质铸造过程中易析出脆性相组织，裂纹倾向严重，生产存在极大质量风险，为此进行了材质的试验研究，确定了较为合理的材质生产工艺控制技术。

1 CE3MN 材质试验方案

1.1 材质冶炼和试样制备

CE3MN 是ASME SA995 标准的一种双相不锈钢材质，为满足抗腐蚀性能及力学性能要求，对CE3MN 材质的化学成分范围进行了内控；并初步确定点蚀当量值（PEN=%Cr+3.3%Mo+16%N）控制在40～43 范围；采用氮化铬合金增氮，使用50 kg 真空感应炉进行材质的熔炼试验，化成分的内控范围和试验值见表1.

表1 化学成分内控要求和试验结果（质量分数，%）

按照试验方案，采用真空熔炼--充氩气浇注的工艺，同一炉试验钢水浇注一组基尔试块，然后按照表2 确定的工艺控制试验方案对比试验，制备相关试块，以备进行理化性能试验分析。

1.2 材质固溶处理试验工艺

CE3MN 材质的热处理工艺为固溶处理，确定固溶处理温度为1 120 ℃，为了控制高温淬水引起的变形及裂纹问题，固溶后预冷到1 050 ℃，进行水冷处理，热处理试验工艺如图1 所示。

图1 CE3MN 材质热处理试验工艺

1.3 材质工艺控制试验方案

CE3MN 材质在400 ℃～500 ℃温度范围内长时间加热或慢速冷却，会因富铬铁素体内相变出现脆化，即产生475 ℃脆性；在600 ℃～850 ℃温度范围内长时间加热或慢速冷却，在高温铁素体内会析出富铬的σ 脆相，易产生开裂缺陷。为了确定预防材质脆裂性产生的控制措施，选择三种试验方案，进行对比试验；再根据试验确定的较优方案，处理一组试块进行高温性能试验，试验方案见表2.

表2 CE3MN 材质工艺控制实验方案

实验后，按照GB/T 228.1 和GB/T 228.2 标准进行力学性能和高温力学性能试验，按照GB/T 13298标准进行显微组织分析，按照标准ASTM E562 标准进行铁素体含量检测，按照ASTM G48 标准进行点腐蚀试验，对试验结果分析，确定适合的材质生产控制工艺。

2 试验结果分析

2.1 不同试验方案力学性能试验

力学性能试验数据如表3 所示，数据表明：（1）方案a1，强度性能较高，伸长率较低，接近为脆性材质；（2）方案a2 和a3，经1 120 ℃温度固溶处理，抗拉强度和伸长率都达到了材质标准要求，证明固溶工艺合适；（3）综合比较方案a2，材质浇注后950 ℃以上落砂+快冷到室温+1 120 ℃固溶处理，各项力学性能最好，为优选的方案。

表3 力学性能试验数据

2.2 显微组织和铁素体含量分析

CE3MN 材质按不同实验方案进行实验，进行显微组织分析和铁素体含量检测，分析结果见表4 和图2.从分析结果看，材质固溶处理试验后，显微组织为铁素体+奥氏体，铁素体含量控制在45%～55%范围。

表4 CE3MN 材质铁素体含量试验数据

图2 CE3MN 不同试验方案显微组织分析

从显微组织分析看：（1）方案a1 的显微组织为奥氏体+铁素体+部分σ 相，组织严重不均匀，性能表现为塑性性能非常低，证明常规铸造过程易产生脆裂；（2）方案a2 的显微组织为，在铁素体基体上均匀分布着岛状及板条状，铁素体含量53.48%，奥氏体/铁素体比例接近50%，材质的强度性能和伸长率都较高，为较好的工艺控制方案；（3）方案a3 的显微组织为，在铁素体基体上分布着规律的板条状奥氏体组织，铁素体含量55.1%，性能满足要求，伸长率性能略低，为第二选择的工艺控制方案。

2.3 材质的点腐蚀试验

测定孔隙腐蚀性能指标主要试验方法为点腐蚀率试验。试块试验后，按ASTM G48 方法A 进行点腐蚀试验，试验结果见表5，a2 方案的点腐蚀速率较低为0.001 3 g/（m2·h），a3 试验方案的点腐蚀速率为0.001 6 g/（m2·h），试验证明CE3MN 材质的点腐蚀速率极低，具有良好的耐腐蚀性能。

表5 CE3MN 材质点腐蚀试验数据

2.4 材质的高温性能试验

2.4.1 CE3MN 材质高温力学性能试验

为了确定材质在不同温度条件保温或缓冷的组织变化，模拟进行了材质的高温性能试验。对同一熔炼炉及固溶处理的试块，分别升温到150 ℃、300 ℃、475 ℃、750 ℃保温后进行高温力学性能对比试验，试验结果见表6.

表6 CE3MN 材质高温力学性能试验数据

从高温拉力性能试验结果分析看：（1）屈服强度随着试验温度的提高呈下降的趋势，300 ℃试验时屈服强度降低到407 MPa，低于性能标准要求80%；因此材质的使用温度在300 ℃以下；（2）750 ℃试验时屈服强度降低84 MPa，只有标准要求的16%，远低于标准性能要求。分析认为，材质在750 ℃长时间加热试验过程中，可能析出脆性组织，在试样高温拉伸试验过程受拉应力的情况下，发生脆裂而脆断。

2.4.2 CE3MN 材质高温金相组织对比分析

CE3MN 材质不同温度保温后高温力学性能试样显微组织分析见图3.

从显微组织分析看：（1）方案b1 的显微组织形态分析如图3（b1），与图2（a2）比较变化不大；方案b2，如图3（b2），显微组织中奥氏体形态趋于圆滑，更加均匀弥散。（2）方案b3，随试验温度提高，如图3（b3），显微组织中奥氏体形态更加圆滑，同时在铁素体基体内会因富铬发生相变而脆化，即产生475 ℃脆性，表现为力学性能有一定下降。（3）方案b4，750 ℃高温性能试样显微组织如图3（b4），奥氏体形态更加圆滑及粗大，同时在铁素体基体内一定量富铬的脆性组织析出，称为σ 脆相组织，σ 相是一种铁、铬原子比例相等的铁—铬金属间化合物，晶体结构为正方晶系，有磁性，硬而脆，表现为力学性能严重下降及耐腐蚀性能下降，材质很容易产生脆裂现象。

图3 CE3MN 材质高温性能试样显微组织分析

3 分析与讨论

本材质试验是CAP1400 循环水泵项目进行的前期材质试验研究，试验证明，CE3MN 是一种强度高、耐点腐蚀性能非常好的双相不锈钢材质。同时CE3MN 材质保持有铁素体不锈钢的475 ℃脆性，特别在750 ℃（600 ℃～850 ℃）区域，以较慢速度冷却或升温及保温，析出σ 脆性组织，易产生严重的脆裂缺陷，是材质铸造生产的主要技术难点。针对材质的技术难点，通过工艺控制试验和高温性能试验，确定CE3MN 生产措施：

1）熔炼方面要严格化学成分内控，控制点蚀当量PEN 在40～43 范围，保证材质耐腐蚀性能及降低开裂风险。

2）铸造过程要采用高温落砂快速冷却到工艺要求的温度以下，预防材质475 ℃脆性区和750 ℃（600 ℃～850 ℃范围）σ 脆性相析出区脆裂缺陷的产生。

3）浇冒口切割温度控制在300 ℃以下，可采用热输入量低的电弧气刨方法，防止局部开裂；较大冒口要求固溶处理后切割。

4）固溶热处理过程中，注意采用合理工艺措施，如升温快速通过475 ℃和750 ℃区域，1 120 ℃固溶后可预冷到1 050 ℃水冷等，防止变形开裂。

5）焊补过程，严格控制热输入量，控制层间温度在150 ℃以下，防止焊接开裂及焊补区域组织变化。