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310S耐熱不銹鋼金相組織和表面缺陷分析

來源:至德鋼業 日期:2019-12-29 04:10:45 人氣:116

  浙江至德鋼業有限公司通過冶煉—軋制—退火酸洗工藝生產310S耐熱不銹鋼卷板,研究其連鑄板坯、軋制態以及退火態金相組織,退火態力學性能和表面缺陷。結果表明:310S耐熱不銹鋼在三種狀態下的組織均為奧氏體相和殘留的高溫鐵素體相,這種高溫鐵素體難以通過熱處理消除;軋制態和退火態金相組織中,厚度方向近表面鐵素體含量少,心部鐵素體含量高;高溫鐵素體的存在不影響產品的力學性能;通過連鑄板坯的精修磨可以避免表面缺陷的產生。


  310S耐熱不銹鋼屬于高鉻、鎳奧氏體型不銹鋼,在氧化性介質中具有優良的性能,同時具有優良的高溫力學性能,廣泛應用于鍋爐、壓力容器、冶金和石油化工行業中。目前國內310S不銹鋼使用量每年大約在幾萬噸左右,但由于該鋼種鋼板生產難度大,對此鋼的研究和生產經驗少、分析檢測也缺乏成熟的經驗,因此國內生產量仍無法滿足市場需求。至德鋼業對310S耐熱不銹鋼連鑄板坯、軋制態以及退火態金相組織、退火態力學性能和表面缺陷進行了研究,以期為工業生產及后續產品使用提供一定的理論指導。


一、生產工藝及試驗方法


   310S耐熱不銹鋼工業試驗的具體工藝流程如下:電爐→AOD轉爐冶煉→LF爐精煉→板坯連鑄→板坯修磨→加熱爐加熱→粗軋機軋制→爐卷軋機軋制→卷取→熱退火酸洗→檢驗、入庫。310S耐熱不銹鋼成分如表所示。取其連鑄板坯(厚度220mm)中心試樣、軋制態以及退火態(厚度6mm)中部試樣,將不同狀態的309S樣品打磨、拋光、腐蝕(HCl+FeCl3溶液)后,采用光學顯微鏡分別對近表面和心部金相組織進行觀察。用拉伸試驗機檢測310S不銹鋼退火后力學性能。用掃描電鏡觀察310S不銹鋼表面缺陷形貌。


二、連鑄坯金相組織


   圖為310S不銹鋼連鑄坯金相組織,從圖可以看出,黑色的鐵素體相分布在奧氏體基體上,用光學顯微鏡自帶的測量軟件測得鐵素體含量為10.1%。對于奧氏體不銹鋼,合金元素的作用可分成兩大類,即鐵素體形成元素和奧氏體形成元素。兩大類元素之間的平衡關系決定了奧氏體中鐵素體含量的多少。根據309S奧氏體不銹鋼的成分,計算鎳鉻當量比如下:鎳當量(%)=wNi+30wC+30wN+0.5wMn=16.67鉻當量(%)=wCr+wMo+1.5wSi=22.99鉻當量/鎳當量=1.38


   根據計算的鎳鉻當量比和Fe-Cr-Ni三元合金平衡相圖,凝固過程為:L—L+γ—L+δ+γ—δ+γ—γ。凝固結晶時,首先從液相析出γ相,而使周圍成為富Cr、貧Ni的區域。溫度繼續下降,根據對應液相的溶質濃度差異,發生L-δ+γ反應,其結果是在γ相周圍形成高溫鐵素體δ,然后γ和δ同時向液相內生長。根據310S耐熱不銹鋼的成分,計算液相線溫度為1435℃,處于γ和δ兩相區。連鑄凝固過程冷卻速率快,導致高溫鐵素體δ來不及轉化為奧氏體相,最終保留到鑄坯中。


三、軋制態金相組織


 310S不銹鋼軋制態試驗斷面處金相組織如圖所示,從圖=可以看出,310S不銹鋼軋制態組織主要為奧氏體加高溫鐵素體,高溫鐵素體在軋制力的作用下呈長條狀分布,而奧氏體組織則出現部分再結晶現象。沿厚度方向,近表面鐵素體含量比心部鐵素體含量低。用光學顯微鏡自帶的測量軟件測得心部鐵素體含量為9.6%,與310S不銹鋼連鑄坯金相組織中鐵素體含量相近。這說明板坯加熱、軋制和后續卷曲過程中沒有發生高溫鐵素體的相變。310S不銹鋼軋制態組織中近表面鐵素體含量低,跟連鑄板坯中鉻偏析有關。310S不銹鋼板坯中柱狀晶十分發達,而柱狀晶生長過程是以逐層凝固的方式,固液界面幾乎呈平面方式向前推進,導致在凝固過程中開始結晶的固相中鉻含量低,后凝固的固相中鉻含量高,因此連鑄板坯近表面鐵素體含量低,心部鐵素體含量高。在后續板坯加熱、軋制和卷曲過程中沒有發生高溫鐵素體的相變,最終在軋制態金相組織中,厚度方向近表面鐵素體含量低,心部鐵素體含量高。


三、退火態金相組織


   310S不銹鋼在1150℃和1160℃退火后的金相組織如圖所示。從圖中可以看出,1150℃退火處理后的組織為鐵素體和再結晶的奧氏體。在高溫退火過程中,奧氏體主要發生再結晶,鐵素體主要以回復為主。退火后的鐵素體形貌跟熱軋態形貌相比,部分拉長的鐵素體發生回復,呈斷續態分布。沿厚度方向近表面鐵素體含量比心部鐵素體含量低。用光學顯微鏡自帶的測量軟件測得心部鐵素體含量為9.3%,說明退火處理對鐵素體含量的影響比較小。1160℃退火處理后的組織跟1150℃退火處理后的組織相比,鐵素體含量沒有發生明顯變化,如圖所示。用光學顯微鏡自帶的測量軟件測得心部鐵素體含量為9.1%,說明高溫鐵素體很難通過熱處理來消除。


四、力學性能


   310S耐熱不銹鋼退火后,頭、中、尾各取1個試樣,用拉伸試驗機檢測力學性能,如表所示。從表可以看出,310S耐熱不銹鋼退火后力學性能滿足標準要求,說明高溫鐵素體的存在不影響產品的力學性能。


五、產品缺陷


   310S耐熱不銹鋼酸洗后,正反面全寬方向無規則發生表面缺陷。主要缺陷照片如圖所示。對表面缺陷進行掃描電鏡觀察如圖所示,從圖可以看出,缺陷部位在放大60倍的情況下,形貌為凹進去的一個小溝槽,周圍沒有異常物質存在;放大200倍后,缺陷部位形貌基本和正常部位一致,缺陷底部沒有發現小裂紋存在。從對缺陷的掃描電鏡觀察結果來看,產生缺陷的主要原因如下:309S奧氏體耐熱不銹鋼連鑄板坯表面的粗糙度影響熱軋過程氧化膜的形貌。目前310S不銹鋼板坯修磨沒有采用精修磨,板坯表面粗糙度大,如圖所示。表面粗糙度大,熱軋過程中產生的氧化膜就不均勻。此外,310S耐熱不銹鋼,在高溫時容易形成Cr2O3和NiO等保護性氧化膜,不容易被去除。這兩個因素導致高壓水除鱗過程中,氧化膜除不干凈,在隨后的軋制過程中,就會加以延伸,在精軋后就會呈現出一定的方向性。到冷軋熱線酸洗的過程中,310S不銹鋼表層殘留的氧化皮被酸洗干凈,就會留下山形痕跡。因此,可以通過連鑄板坯的精修磨來改善熱軋過程氧化膜的形貌,從而有效避免表面缺陷的產生。


  310S體耐熱不銹鋼在三種狀態下的組織均為奧氏體相和殘留的高溫鐵素體相,這種高溫鐵素體難以通過熱處理消除;高溫鐵素體的存在不影響其力學性能。310S不銹鋼連鑄板坯中心試樣、軋制態以及退火態中部試樣中,鐵素體含量分別為10%、9.6%和9.3%,說明軋制和退火處理對鐵素體含量的影響比較小。軋制態和退火態金相組織中,近表面鐵素體含量少,心部鐵素體含量高。通過連鑄板坯的精修磨可以改善熱軋過程氧化膜的形貌,從而避免表面缺陷的產生。


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