迄今, 不锈钢的发展可归纳为以下5 种类型: ( 1) 以提高在苛刻腐蚀环境中的耐蚀性为主。按此目标, 其发展方向是奥氏体不锈钢→高合金奥氏体不锈钢→超级奥氏体不锈钢。这类钢的屈服强度一般在300MPa 以下; ( 2) 以提高强韧性为主, 兼有一定耐蚀性。其发展方向是马氏体不锈钢→沉淀硬化不锈钢。这类不锈钢的局限性是仅具有一般的耐蚀性。( 3) 以改善切削加工性为主而研制的易切削不锈钢。此类钢的力学性能和耐蚀性多属常规等级。( 4) 具有特殊功能的功能型不锈钢。此类钢包括超塑性不锈钢、减振不锈钢、形状记忆不锈钢、无磁不锈钢和耐磨不锈钢等。( 5) 以兼具高的强韧性和优良的耐蚀性为主要目标。其发展方向是铁素体不锈钢→铁素体时效不锈钢→超级铁素体不锈钢→复相不锈钢和超级复相不锈钢。本文所研究的即属此类不锈钢。

      为了研制出一种既具有高的强韧性, 又有优良的耐海水腐蚀性能和良好的可焊性的新型不锈钢, 通过实验室筛选试验, 选择高铬铁素体不锈钢和兼有少量奥氏体的复相不锈钢为研究方向。然而, 高铬铁素体不锈钢存在着475℃脆性、 相脆性、高温脆性、晶粒粗大、延-脆转变及焊态的低韧性等一系列冶金学局限性。为克服这些难点, 处理并解决好高强度与良好的韧塑性、高强度与优良的耐蚀性及焊缝延性与耐蚀性等3 对矛盾, 除精心设计化学成分外, 还在工艺措施上有所突破,从而研制成功符合要求的00Cr27Ni8Mo 3Ti铁素体时效不锈钢。本文拟对该新型不锈钢的研制要点作一简要介绍, 以利于该钢的推广应用及同行之间的交流, 促进不锈钢的发展。

      1　研制思路

      按照现代金属学理论, 把合金的化学组元( 化学成分) 、几何学组元( 空位、位错、晶界、相界) 、组织( 宏观组织、显微组织) 和结构 ( 晶体结构、分子结构和原子结构) 统称为广义的结构。这样, 就有如下关系:

      显然, 通过一系列的工艺技术措施, 创造有益的结构和避免有害的结构乃是获得有用性能的关键。这可表示为:

      上述两种关系便构成我们解决问题的思路。

      研制要点

      2. 1　化学成分设计

      化学成分设计中所考虑的关键问题是在保证高强度和优良耐蚀性的前提下提高材料的塑性和韧性, 尤其是把延性- 脆性转变温度( DBTT ) 降至室温以下。

      表1 示出了新钢种的化学成分设计范围, 高的铬钼含量赋予新钢种优良的耐腐蚀性能。

      图1 示出了铁素体不锈钢的室温韧性、间隙元素( C、N ) 含量和铬含量之间的关系[ 1] 。图中条带左边的合金的DBTT 低于室温, 右边合金的DBTT 高于室温。铬含量愈高( 耐蚀性愈好) , 合金DBT T 在室温以下的C+ N 允许含量愈低。当Cr ≥26%时, 允许的C+ N 含量应达到高纯( C + N ≤0. 02% ) 甚至超纯( C+ N≤0. 01%) 的水平。由于冶炼技术水平的原因, 要满足这一要求是很困难的。因此, 本文没有采取单独降低C 和N 的途径, 而是采取了超低碳氮( C+ N≤0. 03%) 和加钛稳定化相结合的方法。由于钛是一种强碳化物形成元素, 钛的加入使过量的C 和N首先与T i 结合, 既起到了固定有害杂质元素C、N、O 的作用, 又起到了细化晶粒的作用( 钛的化合物小粒子有阻止晶粒长大的作

用) , 从而改善了韧性。

      在加钛的同时, 还适当提高了镍含量, 由普通铁素体不锈钢含镍2%～ 4% 提高到6. 5%～9. 0% 。在组织中引入少量奥氏体 ( fcc) , 由图2 可见块状相沿晶界分布。其中, 相界面可以有效地阻止晶粒长大, 而相则可以起到韧性间层的作用, 阻止裂纹扩展,提高合金的断裂韧性。

      上述措施既使合金的DBTT 降至室温以下( 见表2) , 又解决了生产可行性问题。

      2. 2　有效的工艺措施

      2. 2. 1　双真空熔炼

      30 年代, 人们把铁素体不锈钢的冷脆性 ( DBTT 为100～156℃) 归咎为高铬钢的本质[ 2, 3] , 即高铬是导致冷脆性的原因。近代理论认为, 高铬铁素体不锈钢的冷脆性应归因于杂质元素C、N、O 的影响。文献[ 4] 研究了O、Al、Mn、S、P 含量对25% Cr-3%Mo ( 含0. 003% ～ 0. 005%C, 0. 003% ～0. 006%N ) 合金的DBT T 的影响, 结果表明, 钢中每增加0. 01% 的氧, 使DBTT 升高30℃。图1 对C、N 的影响已作了说明。因此, 保证钢中低的C、N、O 等杂质元素含量是使钢韧化的重要措施。

      表3 示出了曾先后采用过的3 种不同熔炼方法所炼的钢中的杂质含量和夹杂物评级结果。

      由表3 可见, 改进熔炼方法对降低O、N含量及夹杂物级别的显著效果。双真空钢中的O2 含量比非真空钢中的约降低90%。由此, 不能不认为氧是非真空钢电极棒脆性严重的一个原因。也不能不认为其含量降低是双真空钢的韧性得以改善的原因。

      2. 2. 2　低温消除应力退火

      铁素体不锈钢通常所适用的热处理是退火( 从高温处急冷) 。开始, 对50kg , 200kg 钢锭曾分别采用过砂冷和空冷, 效果均好。但后来对1 吨真空感应圆锭( ⊙360mm) 采用空冷时发现钢锭脱模后空冷2h 左右发生了脆断 ( 横向断开) 。为解决此问题, 将熔炼方法改为真空感应加电渣重熔, 但仍未彻底解决问题。另又发现⊙300×320mm 的结晶锭经840℃×5h 炉冷至400℃出炉空冷, 结果良好。但此锭在锻造时700℃装炉升温约40 分钟, 在加热炉内发生爆裂。经失效分析, 发现在开裂钢锭中除O、N 含量较高外, 组织中存在大量V相( 树枝状) , 见图3[ 5] , 这是钢锭爆裂的重要原因。上述不恰当的退火处理导致大量 V相形成是钢锭开裂的内因, 加热速度快造成大的热应力是钢锭开裂的外因。为避免出现上述问题所采取的措施一是进一步改进熔炼方法( 由真空感应加电渣重熔改为双真空熔炼) ; 二是改进退火工艺, 对355mm 双真空圆锭施加适宜的退火工艺, 得到了出乎意料的良好效果。

      2. 2. 3　热加工

      为了突破真空感应加电渣重熔钢锭 ( ⊙300×320mm) 锻造加热时发生爆裂这一技术难点, 除了改进熔炼方法和退火工艺外,还精心设计了锻造工艺( 图4) , 包括加热工艺和变形工艺。具体有以下5 方面的改进: ( 1) 降低入炉温度; ( 2) 降低升温速度, 尽可能降低热应力; ( 3) 缩短保温时间, 防止粗晶化; ( 4) 调整变形工艺, 开锻温度≥1050℃, 停锻温度≥920℃; ( 5) 提高终加工变形度( 约10%) 以细化晶粒。

      上述工艺措施的实施, 成功地完成了圆锭的如下变形过程: ⊙360mm→3002→2502→1802→⊙150×1200mm, 达到了正常钢锭的成品率水平。

      2. 2. 4　热处理工艺

      在实施热处理时, 主要解决了两方面的问题, 一是克服高铬铁素体不锈钢的一系列冶金学局限性问题, 如475℃脆性, ⊙相脆性;二是设计模拟体, 使据此制定的热处理工艺同样能够适用于模拟分段(⊙150×1200mm) 和产品(⊙ 150×4500mm) 。

      图5 示出了0. 12% C-25% Cr -6%Ni-1. 6%Mo 钢对应于冲击值27J 的 o相、á相转变动力学曲线 。由此可以看出, 为了避免这两种脆性倾向, 需要较高的临界冷却速度。试验结果表明, 在o 相析出最敏感区停留时间不能超过0. 5h, 在á相析出的最敏感区停留时间不能超过4h, 在á相和o相的过渡区 ( 525～560℃) 时效4h( 水冷) , 合金在保持良好塑性和韧性的同时强度明显提高。为了进行热模拟, 从经济、方便和有效的原则出发,

      专门设计了模拟体( 图6) 。对模拟体按所制定的工艺进行了热处理, 其力学性能测试结果和按同样工艺处理的⊙150×1200mm 分段的测试结果完全一致, 得到了强韧性的良好配合: o0. 2 835MPa, ob1085MPa, o518% ,∈48% , A ku66J。通过模拟体试验和工艺设计,解决了强韧性良好配合的这一主要矛盾。

      2. 2. 5　焊接工艺

      双真空熔炼的高铬高纯度超低碳氮铁素体时效不锈钢的施焊, 面临着如下问题:

      ( 1) o相脆性,

      ( 2) 导热率低( 相当于碳钢的50% ) , 热膨胀系数大( 与碳钢相同) , 导致焊接收缩应力大, 晶粒粗大, 引起开裂和变形。

      ( 3) 焊缝污染问题。C、N、H、O 等有害杂质进入焊缝, 使接头塑性、韧性和耐蚀性降低, 开裂倾向增大。

      对此, 采取了如下对策:

      ( 1) 采用TIG 低热输入焊接方法来防止过热, 降低相析出倾向和元素烧损。

      ( 2) 采用与母材成分相同的焊接材料以有利于保证焊缝金属的化学成分和组织与母材的相近。

      ( 3) 对焊板进行预先固溶退火处理, 消除原始组织中的脆性相和不均匀性。

      ( 4) 焊前预热。

      ( 5) 采用高纯气体双面保护以防止焊缝污染。

      ( 6) 焊后热处理。这样有利于接头的机械性能与母材相当, 并消除晶间腐蚀倾向。

      ( 7) 优化了工艺参数。00Cr 27Ni8Mo3T i 双真空钢经良好的焊接工艺技术施焊后, 其接头具有合格的力学性能, 如表4 所示, 并兼具和母材相当的耐海水腐蚀性能( 表5) 。

      3　结论

      ( 1) 通过化学成分设计, 研制出一种新型的00Cr 27Ni8Mo3T i 铁素体时效不锈钢。

      ( 2) 该钢经过双真空熔炼, 并施以固溶和时效处理, ⊙150mm 锻棒达到如下力学性能: o0. 2 835MPa, ob1085MPa, o518%, o48%, Ak u66J。

      ( 3) 该钢在热处理状态下具有优良的耐海水腐蚀性能, 在常温海水环境条件下长期使用不会发生局部腐蚀。

      ( 4) 通过化学成分设计和一系列工艺措施的实施, 在克服高铬铁素体不锈钢的冶金学局限性问题、降低大规格材料韧性-脆性转变温度( DBT T) 和解决大锭热加工开裂问题等方面取得了富有成效的进展。