904L超級奧氏體不銹鋼試制開發(fā)與性能試驗(yàn)
摘要：利用多功能煉鋼中頻感應(yīng)熔煉爐在實(shí)驗(yàn)室成功冶煉了904L超級奧氏體不銹鋼并進(jìn)行了熱軋軋制試驗(yàn)，對澆鑄后的鑄坯組織和夾雜物進(jìn)行了分析，并對熱軋板在不同溫度下進(jìn)行了固溶處理和性能檢測。結(jié)果表明，冶煉后的904L鑄坯組織均勻，以粗大長條狀柱狀晶為主，夾雜物分布較少，數(shù)量較小；在不同溫度固溶處理后性能存在一定的差異，1120℃固溶處理后組織細(xì)小、均勻。
但由于904L屬超低碳、多元素復(fù)合作用的高合金材料，冶煉過程中，C、N等不易控制，高合金難以熔煉，易于產(chǎn)生偏析；同時，由于大量的固溶原子會產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用,增大變形抗力；二次相的析出大大降低了鋼的熱加工性,使得鋼在熱加工過程中尤其厚板容易出現(xiàn)分層開裂或表面開裂，熱變形困難。
某中試試驗(yàn)廠利用200Kg中頻感應(yīng)熔煉爐成功冶煉了904L不銹鋼，并在450中試軋制試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了模擬軋制，檢測了鑄坯低倍組織和夾雜物，對熱軋板進(jìn)行了固溶實(shí)驗(yàn)和性能檢測。
表1 904L冶煉試驗(yàn)配料（Kg）
將表1物料加入感應(yīng)爐坩堝內(nèi)，進(jìn)行熔化，待鋼水全部熔清，溫度達(dá)到1650℃時進(jìn)入AOD精煉階段，為保證底吹風(fēng)口不被堵塞，在爐料熔化過程中風(fēng)口吹入一定流量的氬氣，之后進(jìn)行吹氧脫碳操作，吹氧前加入石灰、螢石，并將感應(yīng)爐電源功率降至較低水平，以維持鋼水溫度基本不下降；同時精煉過程中做好鋼水溫度控制，吹氧脫碳期溫度1650-1700℃，還原期溫度1600-1650℃。實(shí)際生產(chǎn)過程中吹氧脫碳溫度在1654-1677℃，還原溫度在1619-1675℃，開澆溫度1574℃。
表2為冶煉后鑄坯最終成份，從冶煉后成分可計(jì)算出，鉻當(dāng)量Creq=%Cr+%Mo+1.5%Si+0.5%Nb=25.6，鎳當(dāng)量Nieq=%Ni+30%（C+N）+0.5%Mn=27.0，Creq/Nieq=0.95，冶煉達(dá)到目標(biāo)成份要求。根據(jù)奧氏體不銹鋼凝固模式，結(jié)合Creq=25.8%時的Fe-Cr-Ni合金相圖（圖1），在此成份下其凝固模式應(yīng)屬于典型的A凝固模式：L—L+γ—γ，鑄坯質(zhì)量較好。對澆鑄后的鑄坯切樣，鑄坯內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)縮孔、夾雜、微裂紋等缺陷，和理論結(jié)果一致。
表2 904L冶煉后化學(xué)成份（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）
圖1 25.8%Cr時的Fe-Ni-Cr相圖
1.2 軋制試驗(yàn)
軋制試驗(yàn)在450中試軋制試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)坯尺寸為45mm×110mm×175mm，要求試驗(yàn)坯入爐溫度850℃，然后加熱至1260℃后保溫1h，開軋溫度≥1080℃，終軋溫度≥850℃，采用11道次軋制，總壓下率93%，最大道次壓下率34%。實(shí)際軋制過程中軋制力及軋制溫度如圖2所示，從圖中可看出，軋制過程中4-6道次軋制力最大，約為1300-1400KN，開軋溫度1160℃，終軋溫度710℃，未能滿足不低于850℃終軋溫度要求；軋制后，鋼板邊部除有輕微裂紋外，其余表面質(zhì)量良好，在第二次試驗(yàn)軋制過程中，進(jìn)一步優(yōu)化了軋制工藝，減少了軋制道次，提高了軋制速度，軋制后鋼板邊部裂紋較第一次有了一定的減少。通過此兩次軋制實(shí)驗(yàn)總結(jié)可知，在后續(xù)軋制試驗(yàn)過程中可進(jìn)一步減少軋制道次，提高道次壓下率，減小軋制過程中溫降，提高終軋溫度。
圖2 904L軋制力、軋制溫度與軋制道次關(guān)系（a 軋制力 b 軋制溫度）
2.1 鑄坯低倍組織及夾雜物
將904L鑄坯沿厚度方向剖開、打磨、拋光，然后采用鹽酸溶液侵蝕拋光面，觀察板坯的低倍組織，如圖3所示。從圖中可以看出，鑄坯柱狀晶區(qū)發(fā)達(dá)、粗大，呈現(xiàn)出具有同一方向性的連續(xù)柱狀枝晶結(jié)構(gòu)，比例大約有90%以上，占比較大，而表面的細(xì)晶區(qū)和心部的等軸晶區(qū)較少，范圍較窄；對鑄坯取樣成分分析基本同表2所示，證實(shí)成分分布均勻，未發(fā)現(xiàn)偏析現(xiàn)象。圖4為鑄坯中的夾雜物數(shù)量及分布，夾雜物尺寸較小、基本在5-10μm，且數(shù)量較少。
圖3 904L鑄態(tài)低倍組織 圖4 904L鑄坯中夾雜物分布
2.2 鋼板固溶處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果
對熱軋后鋼板在1060℃、1090℃、1120℃、1150℃等不同溫度下保溫30min進(jìn)行固溶處理，固溶處理后的性能試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖中看出，隨著固溶處理溫度的變化，904L性能發(fā)生一定變化，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)一定的下降，但變化不是很明顯，延伸率呈現(xiàn)一定的上升，硬度呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，但均滿足GB/T4237-2012標(biāo)準(zhǔn)之相關(guān)規(guī)定，綜合試驗(yàn)性能來看，在1150℃退火后表現(xiàn)出綜合的力學(xué)性能。
圖5 904L熱軋板不同溫度下的性能（a，強(qiáng)度；b,延伸率；c，HV）
2.3 顯微組織
圖6為1120℃固溶處理后904L板的顯微組織，從圖可知，經(jīng)固溶處理后晶界處的高溫析出相已基本溶解固溶于奧氏體基體中，組織基本全為等軸晶的單一奧氏體組織，有少量孿晶組織出現(xiàn)，但未出現(xiàn)明顯的條帶狀及第二相組織，晶粒均勻，晶粒尺寸在40-50μm之間，晶粒度為5-6級。
圖6 904L熱軋態(tài)固溶處理后顯微組織（a，邊部；b，心部）
2）904L鑄坯組織均勻，以粗大長條狀柱狀晶為主，夾雜物分布較少，數(shù)量較?。徊煌瑴囟裙倘芴幚砗笮阅艽嬖谝欢ǖ牟町悾?120℃固溶處理后組織基本全為等軸晶的奧氏體組織，平均晶粒尺寸為40-50μm，晶粒細(xì)小、均勻，未出現(xiàn)條帶狀組織。
3）904L合金元素Cr、Mo、N含量高，熱加工過程中變形抗力大，合理控制開軋和終軋溫度，能較好預(yù)防和減少軋制后鋼板開裂。
（作者：酒鋼宏興研究院李玉峰等，不銹鋼分會編輯）
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