固溶處理對(duì)316L不銹鋼管組織和性能的影響

 316L不銹鋼管（00Cr17Ni14Mo2）屬于美國(guó)20世紀(jì)70年代AISI300奧氏體不銹鋼管系列產(chǎn)品。它是經(jīng)典的18-8（Cr-Ni）不銹鋼管成分改型合金，是為改善耐腐蝕性能而發(fā)展的一種Cr-Ni-Mo型超低碳不銹鋼管。由于其優(yōu)良的耐海水腐蝕、耐晶間腐蝕性能和高溫力學(xué)性能，被廣泛用于管道、換熱器、高溫螺栓的制造和醫(yī)用材料，是目前應(yīng)用較為廣泛的奧氏體不銹鋼管。

 目前熱軋態(tài)的316L不銹鋼管要經(jīng)過(guò)固溶處理才能交付使用，其目的是使熱軋過(guò)程中析出的碳化物在高溫下固溶于奧氏體中，通過(guò)急冷使固溶了碳的奧氏體保持到常溫，減少鋼中鐵素體含量；通過(guò)固溶參數(shù)的調(diào)整，可以對(duì)鋼的晶粒度進(jìn)行控制，使鋼的組織得到軟化，對(duì)整個(gè)板材的質(zhì)量有著相當(dāng)重要的意義。由于固溶處理過(guò)程中溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度等因素，對(duì)組織均勻性、力學(xué)性能和耐蝕性都有很大的影響。因此準(zhǔn)確制定合理的固溶處理工藝參數(shù)對(duì)316L不銹鋼管生產(chǎn)非常重要。至德鋼業(yè)對(duì)316L不銹鋼管固溶處理工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)力學(xué)性能、鐵素體含量、拉伸斷口的分析，探究了固溶處理工藝參數(shù)對(duì)組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，為改善316L不銹鋼管的性能提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

一、實(shí)驗(yàn)材料和方法

  實(shí)驗(yàn)用材料為18mm厚的316L不銹鋼管熱軋板材，其的主要化學(xué)成分如表所示。

 316L不銹鋼管熱軋板材按GB/T228-2002加工成厚度為4mm的拉伸試樣，在箱式電阻爐中進(jìn)行固溶處理。將熱軋態(tài)不銹鋼管分別在950、1000、1050和1100℃溫度下進(jìn)行固溶處理，保溫時(shí)間選擇6、12、18、30和45分鐘，冷卻方式分別為水冷和霧冷。

 金相試樣采用FeCl3鹽酸溶液腐蝕；組織觀察在OLYMPUS-BX51M正置金相顯微鏡上進(jìn)行，并配套中國(guó)科儀SiscIAS6.0金相分析軟件；室溫力學(xué)性能測(cè)試在微機(jī)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（CMT4105）上進(jìn)行；硬度測(cè)試采用洛氏硬度法；采用LEICA-S440i型掃描電鏡（SEM）進(jìn)行斷口分析。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

 1. 固溶溫度的影響

  圖為316L不銹鋼管在不同固溶溫度下，保溫30分鐘，水淬處理后的顯微組織?？梢钥闯?，熱軋態(tài)316L不銹鋼管為晶粒細(xì)小的組織，隨著固溶溫度的提高，晶粒逐漸長(zhǎng)大，晶粒尺寸逐漸均勻。溫度低于1050℃時(shí)，晶粒尺寸增大的幅度較??；溫度高于1050℃時(shí)晶粒明顯粗化。由此可知，固溶溫度過(guò)高將直接導(dǎo)致晶粒粗大。

 圖是在不同固溶溫度下，保溫30分鐘，水淬處理對(duì)316L不銹鋼管的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能的影響?？梢钥闯觯捕群涂估瓘?qiáng)度隨著固溶溫度的升高，呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，當(dāng)溫度高于1000℃時(shí)，又有小幅度的上升。溫度高于1050℃之后又急劇下降。這是因?yàn)闊彳垜B(tài)的316L不銹鋼管受到熱加工硬化的影響，硬度和強(qiáng)度較高。加熱溫度升高的過(guò)程中發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶以及晶粒長(zhǎng)大使得強(qiáng)度下降，同時(shí)由于在熱加工過(guò)程中組織產(chǎn)生的碳化物或σ相分解固溶到奧氏體中，使得材料的抗拉強(qiáng)度和硬度升高。鑒于這幾種強(qiáng)化和軟化疊加對(duì)材料組織共同作用，所以強(qiáng)度大小出現(xiàn)上述現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)固溶處理后加工硬化的現(xiàn)象消失，材料組織得到了軟化，溫度越高，軟化程度越大。伸長(zhǎng)率δ隨著溫度的升高而增大，當(dāng)固溶溫度高于1050℃時(shí)，上升的趨勢(shì)放緩。伴隨著固溶溫度的升高，奧氏體的含量增大，碳化物的固溶效果越好，所得到的組織塑性越好。如果溫度過(guò)高，會(huì)造成晶?？焖匍L(zhǎng)大，其伸長(zhǎng)率的增長(zhǎng)會(huì)減緩，甚至?xí)陆怠?/span>

 2. 保溫時(shí)間的影響

  316L不銹鋼管在不同的保溫時(shí)間下進(jìn)行固溶處理后（1050℃，水冷）得到的組織，如圖3所示，其中圖為熱軋態(tài)組織。隨著保溫時(shí)間的增加，組織中晶粒逐漸增大，并且當(dāng)保溫時(shí)間大于30分鐘時(shí)晶粒尺寸將是原始晶粒組織的3～4倍；組織逐漸均勻，晶界處析出物減少。

  晶粒度的大小對(duì)316L不銹鋼管性能影響非常大。晶粒粗大的316L不銹鋼管在成形時(shí)會(huì)發(fā)生破裂、表面粗糙、敏化顯著導(dǎo)致晶間腐蝕惡化等現(xiàn)象。因此在生產(chǎn)中盡量選擇晶粒大小合適的組織。

  圖為不同保溫時(shí)間（1050℃，水冷）對(duì)316L不銹鋼管力學(xué)性能的影響。可以看到，隨著保溫時(shí)間的增加，316L不銹鋼管的硬度呈下降趨勢(shì)。當(dāng)保溫時(shí)間小于12分鐘時(shí)，硬度為72HRB以上；當(dāng)保溫時(shí)間大于12分鐘后硬度下降明顯，18分鐘時(shí)不足70HRB，下降幅度較大。熱軋態(tài)的316L不銹鋼管由于加工硬化的影響，硬度較高。經(jīng)過(guò)固溶處理后加工硬化的現(xiàn)象消失，材料組織得到了軟化。

  未經(jīng)固溶處理的試樣的屈服強(qiáng)度最高達(dá)245MPa，而經(jīng)過(guò)固溶處理后的屈服強(qiáng)度都有所下降。當(dāng)保溫時(shí)間小于18分鐘時(shí)，屈服強(qiáng)度在220MPa上下波動(dòng)，對(duì)比原始試樣屈服強(qiáng)度下降了25MPa左右；當(dāng)保溫時(shí)間大于30分鐘時(shí)，屈服強(qiáng)度呈明顯的下降趨勢(shì)，尤其當(dāng)保溫時(shí)間為45分鐘時(shí)屈服強(qiáng)度已小于200MPa，對(duì)比原始試樣屈服強(qiáng)度下降了20%。

  同樣，未經(jīng)固溶處理的試樣的抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到585MPa，而經(jīng)過(guò)固溶處理后的抗拉強(qiáng)度都有所下降。當(dāng)保溫時(shí)間小于18分鐘時(shí)，抗拉強(qiáng)度變化區(qū)間為545MPa至565MPa，相比原始試樣抗拉強(qiáng)度下降了30MPa左右；而當(dāng)保溫時(shí)間大于30分鐘后抗拉強(qiáng)度不足540MPa，相比原始試樣抗拉強(qiáng)度下降了45MPa。在6～18分鐘時(shí)間段由于固溶強(qiáng)化，回復(fù)及再結(jié)晶等多方面因素，強(qiáng)度的范圍出現(xiàn)了微小的波動(dòng)。

  隨著保溫時(shí)間的增加，316L不銹鋼管的伸長(zhǎng)率呈上升趨勢(shì)，且大于未經(jīng)固溶處理試樣的伸長(zhǎng)率，但是保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，晶粒的長(zhǎng)大引起伸長(zhǎng)率會(huì)下降。

  綜上可知，當(dāng)固溶溫度為1050℃，保溫6分鐘是比較理想的固溶保溫時(shí)間，與以往經(jīng)驗(yàn)相符，即316L不銹鋼管進(jìn)行固溶處理時(shí)合理的保溫時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式。固溶處理后的316L不銹鋼管，若再進(jìn)行適當(dāng)?shù)臅r(shí)效處理，力學(xué)性能會(huì)更加優(yōu)越。

 3. 冷卻速度的影響

  由于316L不銹鋼管中碳含量小于0.02%，試樣厚度又超過(guò)3mm，所以應(yīng)該用水冷或者是噴霧冷卻，這樣不至于產(chǎn)生敏化熱效應(yīng)。表是在1050℃保溫6分鐘然后分別霧冷和水冷得到的力學(xué)性能指標(biāo)。由表可以看出冷卻速度越快其硬度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率越大，水冷的效果要明顯好于噴霧冷卻。

 4. 固溶處理對(duì)鐵素體含量的影響

 圖是未經(jīng)過(guò)固溶處理與經(jīng)過(guò)1050℃保溫6分鐘后水冷處理后試樣的鐵素體形態(tài)和分布的比較。將以上兩種試樣分別經(jīng)過(guò)鹽酸酒精侵蝕后，利用SISCIASV6.0金相圖像分析軟件測(cè)量其鐵素體的含量。由圖可知，經(jīng)過(guò)固溶處理后的316L不銹鋼管試樣中鐵素體的含量明顯減少，由固溶處理前的10%降低到處理后的6%，可見(jiàn)合理的固溶處理工藝能夠有效地減少鐵素體的含量。

 5. 固溶處理對(duì)斷裂機(jī)制的影響

 316L不銹鋼管拉伸斷口與主應(yīng)力呈45°角并且斷口表面呈纖維狀，顏色灰暗。這與韌性斷裂宏觀表象相符，明顯的屬于韌性斷裂。圖所示為固溶處理前、后316L不銹鋼管試樣斷口的SEM照片，其中圖為未經(jīng)過(guò)固溶處理處理，圖為經(jīng)過(guò)1050℃×6分鐘×水冷固溶處理。由圖6可以看出，都是典型的韌性斷口，韌窩形狀為等軸韌窩。經(jīng)對(duì)比可知，未經(jīng)過(guò)固溶處理的組織，韌窩密集不均勻，韌窩尺寸較小；而經(jīng)過(guò)固溶處理的組織均勻，韌窩相對(duì)較少且尺寸相對(duì)較大。韌窩的尺寸越大（平均直徑越大，深度越深），材料的塑性就越好。由此看來(lái)，316L不銹鋼管經(jīng)過(guò)固溶處理后的韌性要明顯比未經(jīng)過(guò)處理的韌性好。

三、結(jié)論

 隨著316L不銹鋼管固溶溫度的提高，強(qiáng)度指標(biāo)明顯下降，伸長(zhǎng)率急劇增加，當(dāng)溫度超過(guò)1050℃時(shí)伸長(zhǎng)率增加趨勢(shì)變得緩慢；隨著保溫時(shí)間的增加，其強(qiáng)度指標(biāo)逐漸下降，伸長(zhǎng)率在保溫30分鐘內(nèi)變化不大，當(dāng)保溫時(shí)間超過(guò)30分鐘伸長(zhǎng)率迅速增加；水冷要比霧冷得到的綜合力學(xué)性能優(yōu)越；

 厚度為4mm的316L不銹鋼管最佳的固溶處理工藝為：1050℃保溫6分鐘，然后水淬處理。經(jīng)過(guò)此固溶處理后其試樣內(nèi)部組織均勻、晶粒大小適中、鐵素體含量減少，力學(xué)性能明顯改善，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度達(dá)到565MPa和220MPa，伸長(zhǎng)率高達(dá)64.5%，硬度為73.1HRB。固溶后拉伸試樣斷口呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂，韌性明顯高于熱軋態(tài)產(chǎn)品。