410不銹鋼材料零下29℃低溫沖擊性能穩定化鍛造工藝研究

楊代貴 馮進 任俊寶 吳偉民

摘 要：AISI 410馬氏體不銹鋼材料是性價比理想的耐FF級酸性工況的石油設備制造材料，但其低溫脆性的局限性影響了它在低溫工況的應用。在煉鋼、鍛造和熱處理過程中產生的高溫δ鐵素體相是根本原因，文章對不同鍛造溫度下δ鐵素體相的產生進行了試驗和分析，最終找到了一種最適宜的鍛造溫度，可以穩定地制造適用于零下29℃低溫工況的410材料。

關鍵詞：410不銹鋼；-29℃低溫沖擊；δ鐵素體相；鍛造工藝

中圖分類號：TG316 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）01-0097-05

Abstract： AISI 410 Martensitic stainless steel is an ideal material for the manufacture of petroleum equipment which is resistant to FF-class acid condition， but its low temperature brittleness limits its application in low temperature condition. The high temperature δ ferrite phase produced in the process of steel-making， forging and heat treatment is the fundamental reason. In this paper， the formation of δ ferrite phase at different forging temperatures is tested and analyzed， and finally the most suitable forging temperature is found. The 410 materials suitable for working at 29 ℃ below zero temperature can be stably manufactured.

Keywords： 410 stainless steel； -29 ℃ low temperature impact； δ ferrite phase； forging process

前言

AISI 410材料因為其較高的強度、良好的耐腐蝕能力而在石油設備上得到了廣泛使用，被認為是FF級酸性工況性價比較好的材料。但是其低溫脆性的局限性影響了它在加拿大、俄羅斯等亞寒帶和寒帶氣候地區的應用。為了擴大410材料的使用范圍，有必要對410材料的脆性機理和熱加工工藝進行研究。

本文通過在不同的鍛造溫度下對410鍛件進行了試制，用沖擊試驗和金相試驗的方法，對410材料在不同鍛造溫度下δ鐵素體的形成進行了分析，以揭示δ鐵素體相影響410材料低溫脆性的本質，從而減少在鍛造過程中出現δ鐵素體的可能性。

1 410材料的化學元素和作用

表1為世界某著名石油設備制造商的材料化學成分要求。

C是不銹鋼中的主要元素之一，也是馬氏體不銹鋼中的重要強化元素，它強烈地促進奧氏體的形成，但碳在鋼中極易和其它合金元素如Cr生成（Cr·Fe）23C6。并在晶界處析出，造成晶界貧鉻，導致不銹鋼的晶界腐蝕敏感性。

Cr是不銹鋼中最重要的合金元素，它能溶入鐵素體中，擴大鐵素體區，縮小和封閉奧氏體區。Cr易與碳生成Cr7C3、Cr23C6等兩種碳化物。

Ni是增大奧氏體穩定性和擴大奧氏體區，縮小鐵素體和（鐵素體+奧氏體）區的元素，它也是形成奧氏體的元素，加入適量的Ni可得到單一組織奧氏體不銹鋼。Ni減少δ鐵素體的含量。

Mn的作用和Ni相似，能擴大奧氏體區，提高奧氏體的穩定性，但價格便宜，常用來代替貴重元素Ni。

C、Fe和Cr在不銹鋼中的存在方式：由于它們各自的化學反應能力，其存在方式為游離態、化合物態FeC3和Cr23C6。C的原子量12，Fe的原子量為56，Cr的原子量52。在FeC3中C和Fe的重量比為（56*1）/（12*3）=1.56：1；在Cr23C6中Cr和C的重量比為（52*23）/（12*6）=16.61：1。由于410材料中含量只有010-0.15%，而Cr含量為11.5-13.5%，Fe含量高達84%以上，在形成FeC3和Cr23C6后，存在大量的游離Fe和Cr，同時由于C、Fe和Cr的化學反應能力不是特別強，一部分C沒有參與化學反應，以游離態的形式存在于鐵素體的間歇固溶體中。

δ鐵素體的形成機理：間歇固溶體中的C、Fe和Cr等游離態元素，當加熱到一定溫度時，發生化學反應形成化合物FeC3和Cr23C6析出，造成此處的間歇固溶體“貧碳”“貧鉻”，變成不含強化元素C和Cr的鐵素體。“素”者，顧名思義，什么強化元素都沒有，因此鐵素體的強度很低。同時Cr23C6的強度和硬度很高、脆性很大，加上“木桶理論”中的短板效應，δ鐵素體所在位置材料的強度很低、脆性很大。

2 合格410原材料，不同鍛造溫度下材料機械性能和δ鐵素體含量變化的試驗研究

2.1 鍛造原材料的準備

為了完成這項研究，首先需要確定410原材料是合格的。我們采用了電渣重熔鋼錠，其生產流程為：電爐冶煉+真空精煉+電渣重熔（EF-VD-ESR）。

原材料進行了檢驗，成分偏析、夾雜、疏松等的合格率100%，可不考慮它們的不利影響。

從鋼廠提供的質量證明書可以看到其H含量一般都小于1.8PPm，因此鍛后熱處理只考慮消除鍛造應力、穩定組織、降低硬度等即可，而不用擔心白點的產生。

由于電渣重熔鋼錠從鋼水澆注、凝固直至冷卻過程跨越的溫度區間非常大，δ鐵素體是必然會產生的，在對原材料進行準備時，需要確定其不存在過量的塊狀δ鐵素體。為此進行了圖1 410原材料100倍金相組織檢查，發現了δ鐵素體，我們認為在可接收范圍內。圖1為410原材料100倍金相組織檢查情況。

2.2 鍛造加熱溫度的試驗設計方案

為了確定鍛造加熱溫度對最終性能的影響，我們對合格的410原材料，分別采用1000℃、1080℃、1130℃和1080℃四種初始鍛造溫度。同時，為了防止試驗結果的隨機性，每種溫度下分別鍛造了三個試塊。在經過相同的熱處理后（按NACE MR0175規范[1]規定的溫度進行正火+兩次回火），按ASTM A370標準[2]加工試樣并進行拉伸試驗，按ASTM E23標準[3]進行沖擊試驗，按ASTM E10標準[4]進行布氏硬度試驗，按ASTM E112標準[5]進行晶粒度檢查和金相組織檢查，結果如表2。

表2為合格的410電渣錠進行不同鍛造溫度鍛造后性能試驗結果。

性能試驗結果表明，1180℃加熱鍛造的試塊，低溫沖擊韌性都不合格，而初鍛溫度1130℃的試塊，11個試塊全部合格，并且鍛造溫度越低，沖擊值越高越均勻。

圖2為不同鍛造溫度下試樣的金相組織照片。

為了揭示低溫沖擊試驗不合格的本質，我們對全部14組沖擊試樣進行了100倍金相組織檢驗，見圖2同鍛造溫度下試樣的金相組織照片，所有的試樣都發現了δ鐵素體，但是1180℃初鍛的試樣，δ鐵素體明顯粗大，這說明鍛造加熱溫度高于1150℃以后，原材料本身帶來的δ鐵素體會長大，這是因為附近晶格中C、Fe和Cr等游離態元素，當加熱到1150℃以上溫度時，發生化學反應形成化合物，析出后的基體變成了新的δ鐵素體。

3 不合格410原材料（δ鐵素體含量超過15%），不同鍛造溫度下材料機械性能和δ鐵素體含量變化的試驗研究

選用了δ鐵素體含量超過15%的同一爐號410原材料4塊，在1080℃和1150℃兩個不同初鍛溫度下進行鍛造，以驗證初鍛溫度的變化是否可以改變材料機械性能和δ鐵素體含量，結果表明無論鍛造工藝參數如何改變，熱處理后組織中δ鐵素體的含量依然較多，雖然熱后晶粒度達到5-6級，低溫沖擊值依然較低，見表3不合格的410原材料進行不同鍛造溫度鍛造后性能試驗結果和圖3不合格的410原材料進行不同鍛造溫度鍛造后金相檢測結果。

表3為不合格的410原材料進行不同鍛造溫度鍛造后性能試驗結果。

圖3為不合格的410原材料進行不同鍛造溫度鍛造后金相檢測結果。

4 不同爐號的試塊原材料中δ鐵素體含量對最終性能的影響

選用了不同爐號410原材料4塊，其中2塊δ鐵素體含量合格，另2塊不合格。在1080℃的相同初鍛溫度下進行鍛造，結果表明合格原材料鍛造的試塊，性能和δ鐵素體含量仍然合格；不合格原材料鍛造的試塊，性能和δ鐵素體含量仍然不合格。見表4 合格原材料鍛造的試塊鍛造后性能仍然合格，不合格原材料鍛造的試塊鍛造后性能仍然不合格；圖4合格原材料鍛造的試塊鍛造后δ鐵素體含量仍然合格，不合格原材料鍛造的試塊鍛造后δ鐵素體含量仍然不合格。

表4為合格原材料鍛造的試塊鍛造后性能仍然合格，不合格原材料鍛造的試塊鍛造后性能仍然不合格。

圖4顯示了合格原材料鍛造的試塊鍛造后δ鐵素體含量仍然合格，不合格原材料鍛造的試塊鍛造后δ鐵素體含量仍然不合格。

5 結束語

上述試驗結果表明，控制δ鐵素體含量是解決410材料在零下29℃低溫沖擊性能穩定性問題的關鍵。如果原材料本身具有較高的初始δ鐵素體含量，則無論鍛造和熱處理溫度如何變化，都無法解決低溫脆性問題。其次是不適當的鍛造初始鍛造溫度，也會導致原先合格的410材料δ鐵素體含量增大。因此，為了生產優質耐零下29℃低溫沖擊的410鍛件，鍛造廠應選擇合適的鋼廠，并實施嚴格的進貨檢驗；其次實施嚴格的內部鍛造過程控制，選擇合適的鍛造工藝，嚴格控制鍛造的初鍛溫度。

參考文獻：

[1]NACE MR0175/ISO15156.石油天然氣工業-石油天然氣生產硫化氫環境使用材料[S].

[2]ASTM A370.鋼制產品機械性能試驗標準試驗方法和定義[S].

[3]ASTM E23.金屬材料帶缺口棒材的沖擊試驗方法[S].

[4]ASTM E-10.金屬材料布氏硬度標準試驗方法[S].

[5]ASTM E112.確定平均晶粒度的標準試驗方法[S].