超级奥氏体不锈钢254SMo的均质化工艺研究_史咏鑫.pdf

书书书作者简介:史咏鑫(1989 )，男，工程师;硕士;E-mail:shiyongxin198902126 com;收稿日期:2022-08-19DOI:10 20057/j 1003-8620 2022-00094超级奥氏体不锈钢 254SMo 的均质化工艺研究史咏鑫1，2，李青1，2，钟庆元1，2，田伟1，2，叶强1，2(1 中航上大高温合金材料股份有限公司，邢台 054800;2 河北省特种合金再生工程技术研究中心，邢台 054800)摘要:试验用超级奥氏体不锈钢 254SMo(/%:0 011C，0 30Si，0 46Mn，20 25Cr，17 75Ni，6 13Mo，0 64Cu，0 212N)采用 20 t 电弧炉+AOD+LF 精炼的工艺冶炼，研究了 254SMo 钢的铸态组织，发现枝晶间存在大量的析出相，其临近冒口钢锭头部中心的析出相尺寸最大，且呈网状分布。钢锭经 1 240 8 40 h 均质化处理后，锻造成204 mm 棒材，检验其析出相数量和点腐蚀速率。试验结果表明:随着均质化时间的延长，其析出相尺寸减小，数量减少，钢的点腐蚀性能提高;均质化 12 h+镦粗拔长+均质化 12 h 为最优均质化工艺。关键词:超级奥氏体不锈钢 254SMo;析出相;点腐蚀速率;均质化Study on Homogenization Process of SuperAustenitic Stainless Steel 254SMoShiYongxin1，2，Li Qing1，2，Zhong Qingyuan1，2，Tian Wei1，2，Ye Qiang1，2(1 Avic Shangda Superalloys Company Limited，Xingtai 054800;2 Hebei Engineering esearch Center for Special Alloy egeneration，Xingtai 054800)Abstract:The tested super austenitic stainless steel 254SMo(/%:0 011C，0 30Si，0 46Mn，20 25Cr，17 75Ni，6 13Mo，0 64Cu，0 212N)is melted by 20 t electric arc furnace+AOD+LF refining，the as-cast microstructure of254SMO steel has been studied It is found that there are a large number of precipitates between dendrites，and the precipi-tates in the center of ingot head near hot top are the largest and distributed in a network After homogenization treatment at1 240 for 8-40 h，the ingots are forged to 204 mm bar，the quantity of precipitated phase and pitting corrosion rate areinspected The experimental results show that with the prolongation of homogenization time，the size and quantity of precipi-tates decrease，and the pitting corrosion performanceof steel improves;Homogenization for 12 h+Upsetting and Stretching+homogenization for 12 h is the optimal homogenization processKey Words:Super Austenitic Stainless Steel 254SMo;Precipitated Phase;Pitting Corrosion ate;Homogenization超级奥氏体不锈钢具有高耐腐蚀性能、高力学性能，是不锈钢的重点发展方向。而 254SMo 钢是目前发展较快、产量较多的超级奥氏体不锈钢材料之一，主要应用在石油、化工、造纸、海水处理等多个领域。高的合金比使 254SMo 材料需采用电弧炉+电渣的工艺冶炼，随着各个领域对材料的质量要求越来越严格，价格却要求越来越低，使生产厂家不得不思考采用更加节省成本的生产方式。超级奥氏体不锈钢 254SMo 采用电弧炉冶炼时，在浇注过程中会出现严重的偏析，偏析对材料的加工性能、耐蚀性能和力学性能都会产生不利影响1-3。为了改善材料的偏析程度，钢锭需采用均质化处理。目前对超级奥氏体材料试样的均质化虽有研究4-7，但对于工业生产中的钢锭偏析和均质化的研究还未见报道。试样的偏析程度远低于钢锭，两者的均质化工艺也有本质的区别，本文主要对 254SMo 钢铸锭的偏析行为和均质化进行研究，为钢厂规模生产提供参考。1试验材料与方法1 1254SMo 钢冶炼过程主要参数1 1 1主成分设计1 1 1 1Cr、Mo、N254SMo 钢多用于含 Cl海水等恶劣环境中，对耐点腐蚀性能要求严格。钢的耐点蚀当量数 PEN=Cr%+3 3Mo%+16N%，材料的 PEN 值越高，耐点蚀性能越好。N 元素可以起到增加强度和阻碍金属间相的沉淀析出的作用8，故将 Cr、N 元素高控，但 Mo 元素是易偏析元素，其原子半径较大，均质化难度大，故将 Mo 元素低控。21第 44 卷第 2 期特殊钢Vol 44 No 22023 年 4 月SPECIAL STEELApril20231 1 1 2Ni、CuNi 元素可以提高钢的耐蚀性和抗高温氧化性。Cu 元素的加入可以降低加工硬化倾向，提高产品塑性。但结合材料成本，将 Ni、Cu 元素控制在中下限。1 1 2冶炼锭型锭型越大，其偏析程度越大。之后通过均质化获得均匀的组织，就越困难。故锭型应尽量小，选择冒口尺寸 500 mm、水口尺寸430 mm、高度1 100 mm的 19 吋方锭，每支单重 2 t。1 1 3浇注温度浇注温度越高，过热度越大，钢锭的偏析程度越大;但浇注温度过低，因钢锭补缩差，夹杂物等不易上浮，容易引发冶金缺陷。故结合生产设备能力，选择浇注温度为 1 520 1 530。1 2试验材料试验用 254SMo 钢，采用 20 t 电弧炉+AOD+LF 的工艺进行冶炼，电弧炉主要起熔化钢水的作用，AOD 主要进行氩氧精炼，并粗调成分，采用吹氮气的方式进行 N 合金化，LF 进一步扩散脱氧，精调成分，成分合格后进行浇注。浇注前的钢水成分见表 1。表 1试验 254SMo 钢的化学成分/%Table 1Chemical composition of tested steel 254SMo/%项目CSiMnPSCrNiMoCuNO标准0020 801 0000300 010 1950 2050 17 50 1850600 650050 100018 022试验钢0 0110300 460 024000120 25177561306402120 001 81 3试验与检测在钢锭头部取样，进行成分分析和金相分析。并将钢锭进行不同工艺的均质化处理，锻打成204 mm棒材，在棒材头部的中心位置取样，加工成金相试样和点腐蚀性能试样。利用显微镜和扫描电镜对试样进行分析。并且按照 ASTM G48-2011使用三氯化铁溶液做不锈钢及其合金的耐麻点腐蚀和抗裂口腐蚀性试验的标准方法 中的 A 法进行腐蚀试验，腐蚀时间设定为48 h，温度50，测试材料的点腐蚀性能。2试验结果与分析2 1钢锭凝固偏析现象在 254SMo 钢锭头部的冒口线处切取试片，并在试片的边部、1/2 半径和中心三个位置取样，取样示意图如图 1 所示。通过光谱分析仪检测成分，不同位置合金元素含量如表 2 所示。由表 2 可以看出，三个位置的 Mo 元素差异较大，Cr 元素次之，Ni、Cu 元素差异较小。锭头边部 Mo 含量仅为 5 93%，而锭头中心位置则高达 6 76%，可见 Mo 元素发生了严重的正偏析。正偏析的程度与凝固速度、液体对流以及溶质扩散条件等相关。当凝固较慢时，液体对流相对较强，溶质原子能够向纵深扩散，使剩余液体中的溶质浓度逐渐升高。钢锭浇注后，边部最先凝固，锭头中心处最后凝固，所以锭头中心位置Mo 元素远高于其他位置。图 2 为 254SMo 钢锭锭头边部、1/2 半径和中心的金相组织照片。由图 2 可以看出，钢锭锭头的三图 1254SMo 钢锭取样示意图Fig 1Sampling diagram of 254SMo stee lingot表 2试验钢 254SMo 钢锭的化学成分/%Table 2Chemical composition of tested steel 254SMo in-got/%取样位置CrNiMoCu钢锭边部20 1817745930 64钢锭 1/2 半径20 2717856230 645钢锭中心20 4917876760 655个位置均存在枝晶，枝晶间存在一种特殊的析出相。三个位置出现的析出相特点相同，为白色条带中间夹杂黑色点状颗粒。其中锭头边部的析出相尺寸最小，但数量最多，形状为粒状、短棒状或骨头状;1/2半径位置析出相尺寸增大，形状大都为“人”字形;中心位置析出相已经连接成为网状。通过扫描电镜对析出相进行相成分分析，发现析出相富集了大量的 Mo、Cr 元素，如图 3 和表 3 所示。其中白色条带的 Mo 含量可以达到基体的 3 倍，黑色颗粒状的 Mo 含量达到基体的 2 倍。由此可见，254SMo 钢的析出相主要为 Mo/Cr 的金属间相，以锭头心部最为严重。31第 2 期史咏鑫等:超级奥氏体不锈钢 254SMo 的均质化工艺研究图 2254SMo 钢锭头部临近冒口端的析出相组织形貌:(a)边部;(b)1/2 半径;(c)中心Fig 2Microstructure morphology of precipitates in 254SMo steel ingot head near hot top:(a)edges;(b)1/2 radius;(c)centre图 3254SMo 钢析出相扫描电镜图片Fig 3Scanning electron microscope pictures of 254SMo steelprecipitates表 3254SMo 钢析出相化学成分/%Table 3Chemical composition of 254SMo precipitates/%析出相CrMo黑色点状物27791337白色条带243718452 2材料的耐腐蚀性能254SMo 钢锭中析出相的存在，会影响材料的耐腐蚀性能和加工性能，进而降低使用寿命。为了延长材料的使用寿命，获得均匀一致的组织，应进行均质化处理。为了得到最优的均质化工艺，将同炉号的 6 支钢锭加热到 1 240，分别进行加热时间为0、8、16、24、32、40 h 的均质化处理，之后锻打成204 mm 棒材，终锻温度为 850 900，锻后水冷至室温。在棒材头部切取试片，在试片中心位置取7 mm 27 mm 52 mm 的试块。为消除锻造过程因终锻温度过低而析出的 相，试块先在试验室进行1 150 30 min 的热处理，水冷至室温。之后加工成 5 mm 25 mm 50 mm 的点腐蚀试样，按照标准ASTM G48 中的 A 法进行腐蚀试验，腐蚀温度50，腐蚀时间 48 h，其点腐蚀速率如表 4 所示。表 4254SMo 钢试样的点腐蚀速率Table 4Pitting corrosion rate of 2