二次固溶对304不锈钢金相组织的影响_张健.pdf

2023年 第4期 热加工64热 处 理Heat Treatment二次固溶对304不锈钢金相组织的影响张健1，王清智1，李燕21.国家再制造机械产品质量监督检测中心（山东）山东泰安 2710002.泰安古河随车起重机有限公司 山东泰安 271000摘要：对三种304固溶态奥氏体不锈钢进行二次固溶处理以观测其对金相组织的影响。经过处理后发现，二次固溶虽然可有效降低奥氏体不锈钢中铁素体的含量，但在铁素体含量下降的同时晶粒度会增大，且二次固溶无法解决固溶态奥氏体不锈钢晶间腐蚀的问题。关键词：不锈钢；奥氏体；铁素体；晶间腐蚀1 序言304不锈钢作为奥氏体不锈钢，具有良好的耐腐蚀性、耐热性、低温强度、无磁性，以及优良的塑性和韧性，便于冷加工成形，因此在工业领域，如汽车、酿酒、制糖等领域应用广泛。根据不同的要求，其常用的热处理工艺主要有：固溶处理、稳定化处理和去应力处理等。其中，固溶处理后硬度适中，耐蚀性稳定，便于机械加工，是应用最广泛的奥氏体不锈钢处理工艺。笔者在工作中遇到三种出问题的304不锈钢材料，均为固溶酸洗钢板，当初怀疑出现的问题与其固溶状态有关，故本文根据标准参数进行了二次固溶，研究二次固溶对304不锈钢组织的影响。2 试样描述试样A厚度20mm，在旋压过程中表面出现微裂纹，加工成拉伸试样拉伸后表面同样出现微裂纹；试样B厚度4mm，在存储糖蜜的过程中发生腐蚀开裂；试样C厚度1.5mm，用于焊接工艺评定，经草酸电解后在晶界发现大量腐蚀坑。2.1 试样A原始状态试样A厚度20mm，其在旋压加工中发现钢板表面出现微裂纹，在拉伸试验中同样发现表面微裂纹。采用10%草酸电解观测其金相组织，发现钢板以奥氏体为主，在平行钢板厚度方向有大量的细长线状组织（见图1），并且发现沿线状组织周围有许多黑点，采用NaOH电解抛光，发现白色基体存在大量网状、线状组织，颜色呈棕褐色（见图2），说明此类线状、网状组织是-铁素体组织1，含量在10%左右。在SEM观测下，发现黑点是沿铁素体和奥氏体交界面出现的大量腐蚀坑，且铁素体有尖锐外棱（见图3），说明铁素体在此钢板中会导致耐蚀性下降。图1 试样A金相组织（草酸电解）图2 试样A铁素体组织（NaOH电解）2.2 试样B原始状态试样B厚度4mm，发生腐蚀开裂，经草酸电解发现沿钢板长度方向有大量线状组织，钢板腐蚀开裂方向与线状组织分布方向同向（见图4），放大后发现其主要组织为奥氏体组织。带状组织经NaOH2023年 第4期 热加工65热 处 理Heat Treatment电解腐蚀后发现同样为铁素体组织（见图5），与试样A相比，铁素体状态复杂，有的比试样A更细、更长，有的为点状，含量在8%左右。经草酸电解后在SEM下观测，在部分铁素体周围发现大量腐蚀坑，铁素体同样有尖锐外棱（见图6），说明铁素体在此钢板中会导致耐蚀性下降，但是试样B的腐蚀坑比试样A小，在光学显微镜下难以观测。图4 试样B金相组织（草酸电解）图5 试样B铁素体组织（NaOH电解）图6 试样B腐蚀坑2.3 试样C原始状态试样C厚度最薄（1.5mm），原本用于焊接工艺评定，进行草酸电解后发现，所有晶粒均分布着腐蚀坑，但晶界内的孪晶界无此现象（见图7）。在SEM下观测发现，除孪晶界外，晶界上密布凹坑，且深浅不一，大部分为浅坑（见图8）。3 二次固溶处理后状态将3个试样，按GB/T 42372015推荐的奥氏体不锈钢热处理要求，采用以下工艺进行固溶处理：1060保温45min后快速水冷。3.1 试样A二次固溶后状态试样A经过二次固溶处理后进行草酸电解，金相组织如图9所示。从图9可发现，相对于原始状态，晶粒度略有升高，由6级上升为7级，但是孪晶大量消失，带状铁素体大量减少，基体剩余少量短棒状铁素体，铁素体含量下降到2%。SEM下观测，铁素体外形圆钝、短粗（见图10），不像原始状态一样有尖锐外棱，周围无腐蚀坑出现。图9 试样A二次固溶后组织（草酸电解）图10 试样A二次固溶后铁素体组织3.2 试样B二次固溶后状态试样B经过二次固溶处理后进行草酸电解，金图3 试样A腐蚀坑图7 试样C金相组织（草酸电解）图8 试样C腐蚀坑2023年 第4期 热加工66热 处 理Heat Treatment相组织如图11所示。从图11中可发现，相对于原始状态，带状铁素体全部消失，虽然为纯奥氏体组织，但是晶粒度明显变化，由4级上升为6级。图11 试样B二次固溶后组织（草酸电解）3.3 试样C二次固溶后状态试样C经过二次固溶处理后进行草酸电解，金相组织如图12所示。从图12可发现，相对于原始状态，晶界上仍然发生腐蚀，沿晶界存在大量点状腐蚀坑，晶粒内孪晶界无腐蚀坑，虽然与原始状态相同，但晶粒变大，晶粒度由5级上升为8.5级。图12 试样 C二次固溶后组织（草酸电解）4 分析讨论3个试样组织二次固溶前后的对比见表1。由于采用了同一个参数处理不同厚度钢板，所得出的最终结果不同：试样A厚度最厚，晶粒度变化最不明显，还残存部分铁素体组织；试样B厚度居中，晶粒度变化明显，且铁素体完全消失；试样C厚度最薄，晶粒度变化大，但是草酸电解下晶界腐蚀的现象仍然存在。试样A、B试验结果表明，二次固溶可有效降低奥氏体不锈钢内铁素体的含量，甚至生成纯奥氏体钢，但厚度较大的钢板可能需要适当提高温度、延长保温时间才能达到与薄板相似的效果。试样C试验结果表明，当原始固溶钢板中已经出现晶间腐蚀的情况下，二次固溶无法解决此问题。通常认为奥氏体不锈钢晶间腐蚀是晶界贫铬所致2，3，即在敏化温度区间停留导致Cr23C6沿奥氏体晶界析出，消耗了大量的Cr元素，而Cr在奥氏体中扩散速率很慢，导致晶界附近损失的Cr没有得到补充，从而形成贫铬区；固溶可以明显降低不锈钢的敏化度4，降低晶间腐蚀倾向，钢板原始状就属于固溶，存在晶间腐蚀说明冷却过程中存在敏化现象，正常工艺下水冷的速度已经足够快，因此二次固溶无论水冷还是其他冷却方式，在敏化温度的停留时间不会有更大幅度的缩短，故无法解决腐蚀问题。5 结束语1）虽然二次固溶可以显著降低奥氏体不锈钢中铁素体的含量，避免铁素体与奥氏体之间的腐蚀坑出现，但在铁素体含量下降的同时晶粒度会增大。2）二次固溶无法解决固溶态奥氏体不锈钢晶间腐蚀的问题。参考文献：1 全国钢标准化技术委员会不锈钢中-相面积含量金相测定法：GB/T 133052008S北京：中国标准出版社，20092 CHOWDHURY S G，SINGH RThe influence of recrystallized structure and texture on the sensitization behaviour of a stable austenitic stainless steel(AISI 316L)JScripta Mater，2008，58：1102-11053 KINA A Y，SOUZA V M，TAVARES S M，et alMicrostructure and intergranular corrosion resistance evaluation of AISI 304 steel for high temperature serviceJMateCharact，2008，59：651-655 4 张根元，吴晴飞固溶处理温度对304奥氏体不锈钢敏化与晶间腐蚀的影响J腐蚀与防护，2012，33（8）：695-69820221219表1 二次固溶前后变化 试样ABC板厚/mm2041.5铁素体含量由10%下降到2%；形态由带状变为短棒状含量由8%下降到0 晶粒度由6级上升为7级由4级上升为7级由5级上升为8.5级腐蚀坑铁素体附近腐蚀坑消失 铁素体消失、腐蚀坑消失晶 界 腐 蚀 坑处理后仍存在