鎳對SUH409L熱軋卷組織與性能的影響

王志軍

（1.山西太鋼不銹鋼股份有限公司 技術中心，太原 030003；2.太原鋼鐵（集團）有限公司 先進不銹鋼材料國家重點實驗室，太原 030003）

SUH409L不銹鋼因具有優良的成形性能和高溫耐蝕性能，被廣泛應用于汽車排氣系統零部件的制造，而SUH409L不銹鋼熱軋中厚卷（板）主要用于制造汽車排氣系統的密封連接件——法蘭.由于我國地域遼闊，南北緯度跨度大，寒冷地區冬季的極端溫度可達到-40℃以下，故汽車排氣系統用法蘭除要承受發動機和高溫高速燃燒廢氣的高頻振動及排放廢氣的腐蝕性外，還要承受-40～900℃的大溫差所導致的變形［1-3］.這就對汽車排氣系統用法蘭的力學性能，尤其是在低溫環境下的沖擊韌性提出了更高的要求.本文中在相同退火工藝下，分析研究鎳添加量（質量分數，下同）對SUH409L不銹鋼熱軋卷退火后的組織和性能的影響，以期為提高SUH409L不銹鋼的沖擊韌性提供理論指導.

1 實 驗

1.1 實驗試樣及制備

本實驗選用典型SUH409L不銹鋼（Ni添加量為0），以及在此成分基礎上Ni添加量分別為0.59%，0.92%的3種材料.具體成分如表1所列.

表1 3種試樣的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical compositions of three samples（mass fraction） %

實驗試樣的生產工藝流程如下：先采用90 t K-OBM-S爐進行粗煉，隨后采用VOD＋LF精煉模式將成分控制在要求范圍內，通過立彎式連鑄機生產出200 mm×1 250 mm的連鑄坯，經表面修磨后，利用熱連軋將鑄坯軋制成厚度為10 mm的熱軋卷.在熱軋卷上取若干300 mm×50 mm的長條試樣（垂直于軋制方向），采用箱式電加熱爐模擬退火.3種材料均采用750℃＋保溫20 min＋空冷的退火工藝.

1.2 實驗試樣分析

依據《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》（GB／T229—2020），使用ZBC-300B型號沖性能試驗機測試退火處理后的試樣（7.5 mm×10 mm×55 mm，V形口）在室溫（25℃），0和-40℃下的沖擊韌性；依據《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》（GB／T228.1—2010），使用100 kN電子拉伸試驗機測定試樣的強度及伸長率；依據《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》（GB／T4340.1—2009），使用FV-700A型號維氏硬度計測定試樣的硬度；對金相試樣進行打磨拋光，經FeCl3＋HCl混合酸溶液侵蝕后，利用光學顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）對試樣進行組織觀察.

2 實驗結果

2.1 試樣的金相組織和掃描電鏡觀察組織形貌

圖1為3種試樣的金相組織圖.從圖中可看出，試樣1＃為典型軋制態組織.這是由于試樣1＃不含Ni，其在《耐熱不銹鋼和鋼帶》（JIS G4312：2019）中給出的最低參考退火溫度為780℃，且有研究發現厚度為10 mm的SUH409L熱軋卷需經850℃退火才可獲得良好的組織性能和力學性能［4］，故在該實驗溫度下試樣1＃達不到最低回復和再結晶的溫度.當SUH409L添加不同含量的Ni后，退火組織發生了改變，試樣2＃發生了明顯的回復現象，并出現部分再結晶晶粒［見圖1（b）］；而試樣3＃隨著Ni添加量的增大，出現完全回復的再結晶晶粒［見圖1（c）］.

圖1 3種試樣的金相組織圖Fig.1 Metallographic structure of three samples

圖2示出了試樣2＃和3＃的掃描電鏡（SEM）圖及能譜分析結果.由圖可知：試樣2＃可觀察到帶狀組織傾向，并在晶界和晶內發現大量的細小顆粒狀物質，能譜分析結果顯示其為碳化物；試樣3＃的組織呈不規則塊狀鐵素體分布，在晶內也存在細小顆粒狀的碳化物，但碳化物數量明顯減少.其中，試樣3＃的磷含量偏高，這是由高溫下的磷偏聚析出后與金屬間化合物結合所致.

圖2 試樣2＃和3＃的掃描電鏡圖和能譜分析結果Fig.2 Scanning electron micrograph and energy spectrum analysis results for samples 2＃and 3＃

2.2 試樣的沖擊韌性

圖3 示出了3種試樣在室溫（25℃），0及-40℃下的沖擊韌性.從圖中可看出，隨著Ni添加量的增大，3種試樣的沖擊韌性大幅提高，特別是-40℃下的低溫韌性得到顯著改善.

圖3 3種試樣在不同溫度下的沖擊性能Fig.3 Impact energy of three samples at different temperatures

2.3 試樣的力學性能

3種試樣的厚度均為10 mm，其力學性能如表2所列.試樣1＃主要為軋制態組織，故強度和硬度均較高，伸長率較低.隨著試樣中Ni添加量的增大，再結晶的溫度降低，與試樣1＃相比，試樣2＃和3＃基體的抗拉強度和硬度均得到提高，伸長率也得到提高，這表明試樣的塑性得到了改善.

表2 試樣的力學性能Table 2 Mechanical properties of the samples

3 討論與分析

Ni是強穩定奧氏體且擴大γ相區奧氏體形成的元素.它不僅能使點A1下降［5-7］，還能使鐵素體、奧氏體及碳化物的共存溫度降低.隨著鐵素體鋼中Ni添加量的增大，回復和再結晶的溫度降低，其組織變化見圖1.可以發現，在一定實驗溫度下，試樣2＃僅完成回復并未完成再結晶，而試樣3＃再結晶程度較高.

有研究結果表明［8-9］，Ni的加入會導致大量細小的碳化物在晶界或晶粒邊緣析出.在細化晶粒的同時，碳化物與位錯的相互作用會阻礙位錯運動，起到析出強化的作用，以此提高基體的強度和硬度.但隨著Ni添加量的增大，回復和再結晶的溫度降低，細小碳化物數量減少，再結晶晶粒的大小對基體強度將起主導作用.因此，與試樣2＃相比，試樣3＃基體的強度提高而硬度下降.

Wu等［10］研究發現，添加Ni可獲得優異沖擊功的主要原因是Ni降低了鐵素體的轉變溫度，同時還增加了針狀鐵素體的比例，使得高Ni鋼中大角度晶界的比例增加、有效晶粒的尺寸減小.陳廣生等［11］認為，隨著Ni添加量的增大，Ni原子會降低位錯與間隙原子的交互作用，從而可以改善晶體的應力場、減少晶格畸變，以及降低晶界處的應力敏感性，最終達到改善材料沖擊韌性的目的.魏廣升等［4］研究發現，鋼的沖擊韌性隨鎳含量的增大而提高，主要是由于鋼的組織由單一鐵素體變為雙相組織.這與試樣1＃，2＃，3＃隨著Ni添加量的增大所呈現的沖擊韌性的變化相一致.

同時，SUH409L不銹鋼中Ni添加量的增大會促進碳的擴散，使細小碳化物在晶界或晶內大量析出，材料的沖擊韌性也因此得到大幅提高.其主要原理是在受力條件下，晶界區可以通過碳化物細小顆粒間的相對滑移來松弛應力集中，從而提高合金的沖擊韌性［12］.隨著Ni添加量的進一步增大，鐵素體中回復和再結晶的晶粒會進一步變小，碳化物的數量也在逐漸減少，沖擊韌性持續增強［13-15］.這與試樣2＃，3＃的檢測結果相吻合：試樣2＃在實驗退火工藝下強度和沖擊韌性受組織處于回復期所制約，大量細小顆粒狀碳化物沉淀析出，對基體起到強化作用；而試樣3＃在實驗退火工藝下完成回復和再結晶過程，其基體的強度和沖擊韌性均得到提高，此時鎳的細晶強化起到關鍵作用.

4 結 論

（1）SUH409L不銹鋼隨著Ni添加量的增大，在相同退火溫度下沖擊韌性得到大幅提高，尤其是低溫沖擊韌性.

（2）添加Ni后，在SUH409L不銹鋼熱軋態組織回復階段，對強度及沖擊韌性起主要作用的是晶界和晶內析出的細小碳化物.

（3）添加Ni后，在SUH409L不銹鋼熱軋態組織完成回復和再結晶后，對強度及沖擊韌性起關鍵作用的是鎳的細晶強化.