27%Cr 鐵素體不銹鋼微觀組織及析出行為研究

楊光， 朱曉雷， 彭春霖， 廖相巍， 劉志明， 范思鵬

（1. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009；2. 鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

27%Cr 鐵素體不銹鋼屬高Cr 不銹鋼，其在氯化物介質(zhì)中的腐蝕性能優(yōu)異， 媲美超級(jí)奧氏體不銹鋼和鎳基合金；疲勞強(qiáng)度和硬度較高，可以應(yīng)對(duì)海水、泥沙的腐蝕和沖刷；抗震性能優(yōu)于鈦管，且管端不易發(fā)生微生物污堵；導(dǎo)熱性能良好，線膨脹系數(shù)與碳鋼相接近，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性，是濱海電站凝汽器冷卻管管材的最佳選擇[1-2]，更是國(guó)家海洋工程領(lǐng)域重大裝備用鋼的重點(diǎn)品種。自2003 年以來，以寶鋼、太鋼為代表的企業(yè)開始著力于海洋工程領(lǐng)域不銹鋼的系統(tǒng)研發(fā)，在基礎(chǔ)研究、工藝和品種開發(fā)方面取得一定進(jìn)展。

高Cr、Mo 含量提高耐腐蝕能力的同時(shí)， 也加速了σ、χ、Laves 等敏感中間相析出， 降低材料塑韌性，導(dǎo)致軋制中易出現(xiàn)開裂和黏結(jié)問題，生產(chǎn)難度較大， 目前該品種在我國(guó)普及應(yīng)用程度不高[3]。Qu 等[4]研究指出，高Cr、Mo 鐵素體不銹鋼厚度超過5 mm 時(shí)具有明顯的厚度脆性；Lu 等[5]對(duì)27Cr-4Mo-2Ni 鋼的研究結(jié)果表明，σ 相比χ 相和Laves相對(duì)塑韌性的危害都大；Andrade[6]研究了熱處理制度對(duì)28Cr-4Ni 不銹鋼析出行為的影響，發(fā)現(xiàn)850 ℃下會(huì)析出σ 相和MgZn2型的Laves 相。 目前的研究多針對(duì)熱處理制度等對(duì)該鋼種微觀組織及析出行為的影響，對(duì)軋制工藝參數(shù)影響研究較少。本文對(duì)不同初軋溫度下27%Cr 鐵素體不銹鋼熱軋板的微觀組織及析出行為進(jìn)行研究，希望給生產(chǎn)提供一定參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

采用50 kg 真空感應(yīng)爐冶煉3 爐次27%Cr 鐵素體不銹鋼，使用鋁粒和硅鈣復(fù)合脫氧，冶煉結(jié)束后澆鑄成錠，澆注溫度1 560 ℃，實(shí)驗(yàn)鋼主要成分見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Main Compositions in Experimental Steel （Mass Fraction） %

材料去除表面氧化鐵皮后取中部80 mm 高鑄錠，熱鍛后空冷。 分別在1 220、1 120、1 020 ℃下保溫1 h，6 道次（30-21-14-9-6.5-6）軋制成6 mm 軋板，終軋溫度不低于970 ℃，軋后水冷。

沿?zé)彳埌遘堉品较驅(qū)挾?/2 處取金相試樣及SEM 用試樣， 以濃度為10%的草酸溶液作為腐蝕液，用穩(wěn)壓電源在3.0 V 下對(duì)試樣腐蝕60～90 s。 采用Olympus 光學(xué)顯微鏡金相組織觀察，采用ZEISS掃描電鏡結(jié)合能譜儀形貌觀察和成分定性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 平衡相圖

合金成分體系、 制造工藝參數(shù)等對(duì)鋼的組織及析出物行為有重要影響。 對(duì)于27%Cr 鐵素體不銹鋼來講， 高Cr、Mo 含量致使其析出物除常規(guī)NbTi（CN）以外，還易析出σ、Laves 等相。σ 相是富Cr 硬脆相，主要受Cr、Mo 元素?cái)U(kuò)散、晶粒取向及尺寸、固溶溫度的影響[7]；Laves 相通常富Mo、Nb，具體指（Fe，Cr）2（Nb，Mo，Si），其中元素Si 具有穩(wěn)定Laves 相的作用，Laves 相隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)可以部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相[8]。

采用Thermol-calc 對(duì)27%Cr 鐵素體不銹鋼進(jìn)行了平衡相圖計(jì)算， 不同C 含量下的平衡相圖及析出相質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度變化關(guān)系如圖1 所示，其中 BCC_A2 為鐵素體，F(xiàn)CC_A1 為奧氏體，F(xiàn)CC_A1#2 為TiNb（CN）。

圖1 不同C 含量下的平衡相圖及析出相質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度變化關(guān)系Fig. 1 Temperature-dependent Relationship between Equilibrium Phase Diagram and Mass Fraction of Precipitated Phase at Different C Content

圖1（a）中，以w（C）為0.01%為例，隨著溫度下降，液相中逐漸析出TiNb（CN），溫度繼續(xù)下降會(huì)析出σ 相和Laves 相， 可以看到27%Cr 不銹鋼全溫度范圍均為鐵素體組織，且無相變反應(yīng)。 由圖1（b）看出TiNb （CN）、σ 相、Laves 相的開始析出溫度分別為1 490 、987 和877 ℃。

2.2 軋制組織

圖2 為不同初軋溫度下27%Cr 不銹鋼熱軋板的微觀組織。 由圖2 可知，1 020 ℃時(shí)為典型的條帶狀鐵素體組織，晶粒沿軋向被完全拉長(zhǎng)，晶內(nèi)存在剪切帶，其與軋向呈一定角度。剪切帶是儲(chǔ)存形變能量的重要區(qū)域，隨著溫度的升高，發(fā)生了輕微的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，出現(xiàn)部分拉長(zhǎng)的鐵素體組織，但大部分組織仍然保持條帶狀。

圖2 不同初軋溫度下27%Cr 不銹鋼熱軋板的微觀組織Fig. 2 Microstructures in 27% Cr Hot Rolled Stainless Steel Sheet at Different Rough Rolling Temperatures

當(dāng)溫度達(dá)到1 220 ℃時(shí)， 出現(xiàn)了更多拉長(zhǎng)的鐵素體組織， 鐵素體晶粒有形成等軸狀晶粒的趨勢(shì)。整體上看，隨著溫度的升高，微觀組織中的“黑點(diǎn)”逐漸減少（Ti（CN）在光學(xué)顯微鏡下呈金黃色），推測(cè)“黑點(diǎn)”為某種有害析出物，有待進(jìn)一步觀察。而隨著初軋溫度的升高， 鐵素體晶粒會(huì)逐漸發(fā)生再結(jié)晶。顯然較低的初軋溫度有利于抑制再結(jié)晶，但低溫也使材料更傾向于析出有害相。

熱軋是決定產(chǎn)品性能、表面質(zhì)量以及能否順利進(jìn)行冷軋的關(guān)鍵工序。 分析認(rèn)為，初軋溫度越低，越易產(chǎn)生位錯(cuò)塞積、交割和纏結(jié)，形變儲(chǔ)存能越高，使得材料的自由能升高，條帶狀鐵素體在熱力學(xué)上處于亞穩(wěn)態(tài)，有向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。 當(dāng)初軋溫度上升，條帶狀鐵素體周圍開始出現(xiàn)小的晶粒，鐵素體組織逐漸被拉長(zhǎng)。 另外，初軋溫度較低（1 020 ℃、1 120 ℃）時(shí)，材料內(nèi)部存在大量的σ 相和Laves 相可能會(huì)以拖拽晶界和阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的形式抑制材料向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變， 從而減緩材料的回復(fù)和再結(jié)晶。

2.3 析出相

在不同初軋溫度熱軋板相同位置取樣， 采用草酸電解法進(jìn)行腐蝕并作SEM 分析，不同初軋溫度下典型析出相形貌及能譜如圖3 所示。

圖3 不同初軋溫度下典型析出相形貌及能譜Fig. 3 Appearance and Energy Spectrum of Typical Precipitated Phase at Different Rough Rolling Temperatures

由圖3（a）看出，初軋溫度為1 220 ℃時(shí)，晶界和晶內(nèi)發(fā)現(xiàn)TiNb（CN），并未發(fā)現(xiàn)其他析出相。TiNb（CN）可以穩(wěn)定鋼中C、N，實(shí)現(xiàn)不銹鋼的超純化，同時(shí)減少不銹鋼中（Cr，F(xiàn)e）23C6、（Cr，F(xiàn)e）7C3、CrN 等碳氮化物的析出。 另外，存在于晶界的TiNb（CN）還可以通過釘扎晶界起到細(xì)化晶粒的作用[9]。 由圖3（c）看出，初軋溫度為1 120 ℃時(shí)，晶界和晶內(nèi)開始析出有害相，晶內(nèi)相多呈棒狀和橢圓狀，尺寸較大，晶界處析出相呈現(xiàn)為形狀不規(guī)則， 大小不一的島狀分布。 由圖3（e）看出，當(dāng)溫度降低至1 020 ℃時(shí)，有害析出相明顯增多，且廣泛分布于晶界和晶內(nèi)，晶界處析出相基本呈網(wǎng)狀分布，晶內(nèi)析出相的數(shù)量密度明顯增加。

對(duì)典型析出物的成分進(jìn)行分析。 由圖3 能譜結(jié)果看出，晶界處析出相Cr 含量達(dá)32.53%，遠(yuǎn)高于基體， 晶內(nèi)析出相Mo 含量達(dá)12.18%，Nb 含量為7.05%，同樣遠(yuǎn)高于基體，結(jié)合相圖計(jì)算以及相關(guān)文獻(xiàn)，判定晶界、晶內(nèi)分別為σ 相和Laves 相。

分析認(rèn)為，隨著初軋溫度的降低，C、N 在鋼中的溶解度急劇減小， 與Cr、Mo 等元素結(jié)合形成（Fe、Mo、Cr）23C6，富含Cr、Mo 的析出物會(huì)造成晶界和基體的貧Cr 和貧Mo， 從而影響材料的耐晶間腐蝕性能。與此同時(shí)，析出相過多還會(huì)影響熱軋板卷的卷曲效率。σ 相和Laves 相的析出位置并非任意的，根據(jù)第二相理論，晶界、位錯(cuò)以及堆垛層錯(cuò)是析出相的良好形核點(diǎn)，σ 相和Laves 相在這些位置形核可以抵消畸變能量。

3 結(jié)論

（1） 由不同C 含量下的平衡相圖計(jì)算得出，隨著溫度的降低，27%Cr 鐵素體不銹鋼中依次析出TiNb（CN）、σ 相、laves 相，析出溫度分別為1 490 、987 和877 ℃。

（2） 對(duì)于27%Cr 鐵素體不銹鋼來說，較低的初軋溫度利于抑制再結(jié)晶，也會(huì)使材料傾向于析出有害相，因此優(yōu)選初軋溫度可以在抑制再結(jié)晶的同時(shí)避免27%Cr 熱軋板析出σ 相、Laves 中間相。 富Cr的σ 相常析出于晶界， 富Mo 的Laves 相常析出于晶內(nèi)。 本研究范圍內(nèi)優(yōu)選的初軋溫度為1 220 ℃。