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双相不锈钢管的金相组织和耐腐蚀性能与制造时热处理方法有什么关系

作者:admin 来源:原创 日期:2016/4/11 1:33:47 人气:143

   奥氏体不锈钢管因具有许多优良性能,应用广泛,但使用中危害性最大的是容易发生局部腐蚀。而且由于合金元素Ni的储存量日益下降,使其价格猛涨,因此,如何减少镍的消耗,已成为冶金学家和铸造工作者最先考虑的问题。铁素体系不锈钢管能够在某种程度上弥补奥氏体系不锈钢管的缺点,但铁素体不锈钢管的塑韧性低,机械加工性和可焊性较差,为此,新型不锈钢管种的研究主要集中在发展综合性能良好的铁素体一奥氏体双相不锈钢管上。这种双相钢具有一系列的优点,如能较好地抵抗应力腐蚀、点蚀和晶间腐蚀,因此能够弥补奥氏体钢抗局部腐蚀性能较差的缺点,并且这种钢的屈眼强度高,约为奥氏体不锈钢管的2倍.而塑性和韧性比铁素体钢的好,并且有优良的铸造性能和焊接性能。目前,世界各国虽然公认双相不锈钢管是有希望的钢种,但是对这类钢的详细研究报道很少,特别是铸造双相不锈钢管的报道更为少见。我们开发研制的低镍双相不锈钢管,经过适当的热处理后,具有比含钼、铜的高镍铬不锈钢管更好的耐蚀性和成本低的特点。

1钢的冶炼及热处理

1.1钢的冶炼

    试验钢均在中频感应电炉中采用不氧化法熔炼.冶炼过程分两步进行.第一步是用电弧护采用氧化法冶炼工业纯铁,以降低铁的碳、磷和硫量,第二步是在中频感应电炉中冶炼试验钢.所用金属护料包括工业纯铁、徽碳铬铁、电解镍、电解铜、钼铁等,此外采用铝粉、硅铁粉作为脱氧剂。

1.2钢的热处理

    为研究不同的热处理工艺对钢的组织与耐蚀性的影响,找出试验钢的最佳热处理规范,对低镍铸造双相不锈钢管进行了如下的热处理:950℃X2h水淬,1 050℃X2h水淬,1 150℃X2h炉冷至1 040℃X0.5h水淬.K合金(Cr24Ni20Mo2Cu3钢)为性能优良的对比试验用材料,其热处理工艺采用1000℃X 2 h水淬的固溶处理。

    此外,为了研究敏化处理对试验钢耐晶间腐蚀性能的影响,对低镍铸造双相不锈钢管和K合金分别进行了550 ℃X2 h空冷和650℃X2h空冷的敏化处理.热处理均在箱式电炉中进行。

2试验钢的金相组织

    采用金相显徽镜,X-射线衍射及电子探针相结合的方法,研究了不同热处理状态下的低镍铸造双相不锈翎的相的种类、形态和成分,其金相组织见图1,X-射线衍射结果见图2,电子探针的定量分析结果见表2。

    由图2可见,低镍铸造双相不锈钢管的x-射线衍射谱图中只有α和γ两个峰值,这与金相照片所观察的结果是一致的.图1(a)为试验钢的铸态组织,具有较为明显的树枝状形态;试验钢经950 ℃固溶处理.由于加热温度较低,奥氏体没有发生太大变化,仍有树枝态存在.这主要是γ相分布不均所致;当固溶温度提高至1 050℃时,γ相弥散且较均匀分布,而固溶温度继续提高至1 150℃时,相的形态和分布与1 050℃时的差别不大。1 150℃固溶处理后在1 040℃又保温一段时间,其目的一方面是防止结构复杂、壁厚不均的铸件(如叶轮)淬火开裂;另一方面是使γ相进一步均匀化。

    采用电子探针对各相中的合金元素进行定量分析表明,Ni, Cu, Mn富集在γ相中;Mo,Cr富集于α相中。

3试验钢的均匀腐蚀性能

    试验钢的腐蚀试验数据见表3,所列数据为三块试样的平均值。耐腐蚀性能等级按五级标准评定。

    由表3可见,铸造双相钢的耐均匀腐蚀性能(在40%,60℃条件下)远高于生产上通用的耐酸性能优良的K合金,其腐蚀速率可降低一个数量级.试验结果还表明,适当热处理还有提高耐蚀性的效果,1050℃固溶处理时其均匀腐蚀速率最低,1150℃固溶处理的耐蚀性亦很好,这主要是Y相适量且均匀弥散分布的结果。

4试验钢的晶间腐蚀

    本试验采用GB 1223-75《不锈钢管晶间腐蚀试验方法》中的“T”法。经敏化处理的试样放入溶液后加热至沸腾,时间为24 h,然后将试样清洗、烘干、称量,计算其晶间腐蚀速率。

    试验钢未发生明显的晶间腐蚀现象,只在γ相上出现一些授蚀坑。在不同的热处理条件下,试验钢晶间腐蚀速度差别不大,而K合金的耐晶间腐蚀性能远低于低镍双相钢的.由表4晶间腐蚀速率数据可知,有近两个数量级之差.但在金相显傲镜下观察,仅有些短小的腐蚀沟与坑,并没形成对晶粒的全部包围,说明K合金也具有一定的抗晶间腐蚀能力,而双相钢抗晶间腐蚀性能更为优异,特别是该钢经1 050℃固溶处理后的敏化试样,了相适童、细小且弥散均匀分布,耐蚀性最好,1 150℃时次之.由于存在适量的奥氏体〔成为双相钢),这对提高其抗晶间腐蚀能力是十分有利的。因为在铁素体基体上存在适量奥氏体时,增加了晶界和相界面积,因而可降低单位面积上的碳化物沉淀量;此外,小块奥氏体的存在.可以减少在铁素体晶界形成连续的晶界沉淀物.从腐蚀观点看,主要影响因素是奥氏体在基体内均匀分布.因此,铸造双相不锈钢管由于第二相的均匀分布,防止了晶界碳化物成为连续的网状,这是双相钢具有优良的耐晶间腐蚀性能的主要原因。而K合金为全奥氏体不锈钢管,经敏化处理后可在奥氏体晶界析出连续的碳化物,且含Ni量高,对奥氏体固溶碳不利,也易析出碳化物。此外,Cr在奥氏体内扩散比在铁素体内慢,使奥氏体内易形成贫Cr区,故其抗晶间腐蚀性能较双相钢差。

5试验钢的点蚀性能

    由于试验钢为铸造双相不锈钢管,故合金元素在α相和γ相中的分布有很大不同.电子探针定量分析表明,Cr和Mo富集于α相中。而Cr和Mo均是有效的抗点蚀元素,因此,在具有铁素体和奥氏体两相混合组织中,铁素体对奥氏体有电化学保护作用,所以经1 050℃固溶处理的双相钢其有较好的抗点蚀性能,950℃固溶处理温度低,除γ相不均匀分布外,还由于晶界吸附的不均匀性和结构的不均匀性,致使其点蚀趋势增大。K合金虽然没有明显的选择性腐蚀,但其抗点蚀元素Mo含量低于双相钢的,故其抗点蚀性能不如双相钢好,但仍有较高的抗点蚀能力。

6结论

    (1)含有α和γ2相的铸造不锈钢管随着固溶热处理温度的提高和保温时间的延长,了相趋于弥散均匀分布;

    (2)合适的热处理工艺为1 050 ℃X 2 h水冷的固溶处理,此时双相钢中γ相适量(约30%)且均匀分布,使钢具有较好的耐均匀腐蚀、晶间腐蚀和点蚀性能;

    (3)该双相钢比K合金的耐均匀腐蚀、晶间腐蚀与抗点蚀性能均为优异。而且成本低。因此,低镍铸造双相不锈钢管是一类很有发展前途的钢种。