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冶炼方法对0Cr12Mn5Ni4Mo3Al高强不锈钢棒力学性能和组织的影响

来源:至德钢业 日期:2018-04-14 23:11:00 人气:1104

研究了使用真空感应炉+电渣重熔工艺代替原有的电炉+炉外精炼(LF)+电渣重熔工艺对0Cr12Mn5Ni4Mo3Al高强度不锈钢不同规格棒材的力学性能和组织的影响。结果表明,使用新工艺得到的钢材更为洁净,组织中保留有适量的残余奥氏体;与旧工艺小规格棒材相比,新工艺得到的大规格棒材在保持或提高抗拉强度的同时,优化了屈强比,提高了塑韧性,冲击吸收功提高了40~60J;适当调节w(Cr)eq/w(Ni)eq比以及采用合理的锻造、轧制工艺,可以消除棒材组织中-铁素体的不利影响,更大限度地发挥材料潜力。

0Cr12Mn5Ni4Mo3Al是开发于20世纪70年代的一种节镍型半奥氏体沉淀硬化不锈钢。该钢在时效态具有马氏体型沉淀硬化不锈钢的高强度,在固溶态又具有较高的塑韧性,可进行成形加工和焊接,因此在航空工业中用于制造在腐蚀环境下工作的重要结构件、导管、接头等[1]。随着航空工业的进一步发展,新的服役条件要求材料具有高强高韧、高耐蚀性、复杂零件的良好加工性等多方面性能[2]。该钢在某厂一直使用电炉+炉外精炼(LF)+电渣重熔的冶炼工艺,其棒材产品在使用中多次发现存在非金属夹杂物等级过高的问题。在钢材加工成形中也容易由于w(Cr)eq/w(Ni)eq比控制不严格和锻轧温度过高等因素导致-铁素体体积分数过高,分布形态不理想等缺陷。本文从改变冶炼工艺为真空感应+电渣重熔、优化热加工和热处理工艺等方面出发,研究了如何降低工业生产0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不锈钢棒中非金属夹杂物,改善钢中的-铁素体含量、形态和分布,扩大棒材规格等问题。

1试验材料及方法

1.1试验材料

试验使用的0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不锈钢棒取自某厂成品棒材,规格为20mm,冶炼方法为30t电炉+炉外精炼(LF)+电渣重熔。经改进后新工艺生产的棒材,冶炼方法为6t真空感应炉+电渣重熔,规格为40mm70mm70mm120mm120mm4种棒材均在电渣重熔后经锻造开坯、热锻成形或热轧,达到规定的尺寸要求。

1.2试验方法

14种规格试验材料的化学成分(质量分数)。将4种规格0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不锈钢进行热处理,热处理制度为:1050固溶1h,空冷后直接进行-78深冷处理8h,然后520保温2h时效处理。检测各规格棒材的力学性能,进行金相组织、扫描电镜的观察研究,并测定棒材中的奥氏体体积分数等。

2试验结果及讨论

2.1力学性能

4不锈钢棒经热处理后的抗拉强度、屈服强度、伸长率、面缩率、冲击吸收功值如表2所示。

由表2可以看出,使用电炉+炉外精炼(LF)+电渣冶炼的原20mm棒材的抗拉强度虽然较高,但其屈服强度过高,屈强比高,冲击吸收功极低,塑韧性指标较差。而用真空感应炉+电渣新工艺冶炼的40mm70mm70mm120mm120mm棒材在抗拉强度提高或保持不变的前提下,适当降低了屈服强度,获得了理想的屈强比,材料的冲击吸收功获得很大提高,塑韧性得到很大改善。

2.2金相组织观察

对4种棒材经热处理后的金相组织和相应的冲击断口进行观察,如图1所示。由表3及图1可见,4种棒材的金相组织中,基体均为马氏体和残余奥氏体,并在此基体上分布一定数量的-铁素体;20mm原棒材由于w(Cr)eq/w(Ni)eq过高,热处理后残余奥氏体的体积分数极低,-铁素体的体积分数较高且呈连续条带分布,割裂和削弱了基体,这是造成其冲击吸收功较低的主要原因,其冲击断口也显示了解理断裂的特征。其余3种棒材的-铁素体的体积分数较少,且呈独立岛状或条块状分布,对基体的割裂和削弱作用较小,其冲击吸收功较高,冲击断口呈韧窝或韧窝+少量解理的形貌。其中,120mm120mm棒材虽然在热处理后残余奥氏体的体积分数最高,冲击断口的韧窝最为细小,但钢中的非金属夹杂物略多,其冲击吸收功较其余2种棒材稍有下降。

2.3非金属夹杂物等级评定

4种棒材的非金属夹杂物等级进行了评定,结果如表4所示。可见,较20mm小规格原棒材而言,新工艺生产的较大规格棒材总的夹杂物级别数之和相对较低,新棒材在尺寸放大之后还能够具有较好的夹杂物水平,这主要应归功于选用精料以及真空感应炉+电渣重熔的新冶炼工艺,使钢材更为洁净。

3结论

1)采用真空感应炉+电渣重熔冶炼的0Cr12Mn5Ni4Mo3Al高强度不锈钢棒(规格为40mm70mm70mm120mm120mm)与电炉+炉外精炼(LF)+电渣重熔的棒材(规格为20mm)相比较,组织中夹杂物控制较好,成品棒材经典型工艺(1050固溶,-78深冷处理,520时效)热处理后,组织中残余奥氏体体积分数适当,在抗拉强度未发生明显下降的基础上,优化了屈强比,提高了材料的塑韧性。不仅优化了材料性能,而且扩大了棒材规格。

2)在钢的成分区间内适当调节w(Cr)eq/w(Ni)eq,并采用正确的锻轧加热温度,可以有效控制0Cr12Mn5Ni4Mo3Al钢棒材中-铁素体体积分数和分布形态,提高材料性能。

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