節(jié)鎳型高氮奧氏體不銹鋼固溶處理加熱過程中的組織演變

 浙江至德鋼業(yè)有限公司對節(jié)鎳型高氮奧氏體不銹鋼進行固溶處理，通過控制加熱溫度和保溫時間，研究高氮奧氏體不銹鋼組織的變化規(guī)律。結(jié)果表明，800℃保溫1小時后微觀組織中出現(xiàn)混晶，在變形組織的晶界處產(chǎn)生細小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒。在900～1050℃，隨溫度的升高，再結(jié)晶晶粒數(shù)量增多，尺寸增大。保溫時間的增長會導(dǎo)致晶粒逐漸長大。在1200℃保溫，晶粒尺寸從保溫0.5小時的70μm增長到保溫1h時的117μm，此時晶粒最為均勻。平均晶粒尺寸隨時間的變化呈拋物線增長，符合Beck方程:D－=105.1t0.45。并根據(jù)試驗得到試驗鋼的最佳熱處理方式為1050～1200℃保溫1小時。

 奧氏體鋼中氮含量大于0.4%時稱其為高氮奧氏體鋼，氮在鋼中可以代替鎳，起到穩(wěn)定和擴大奧氏體區(qū)的作用，大大節(jié)約生產(chǎn)成本。此外，氮的加入在塑性和韌性不發(fā)生明顯降低的同時，提高鋼的強度;而且，隨著氮含量的增加，不銹鋼的耐點蝕和晶間腐蝕能力增強。因為擁有諸多優(yōu)點，高氮奧氏體不銹鋼廣泛應(yīng)用在海洋工程、汽車、發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)等領(lǐng)域，受到科研工作者的廣泛關(guān)注，大量學者對它進行了深入的研究，并取得一定的成就。

 對于高氮鋼的生產(chǎn)工藝，國內(nèi)外的學者已經(jīng)進行了深入的探究，并取得了豐碩的成果，但是對節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼在加熱過程中微觀組織的變化規(guī)律及機理，研究的相對較少。至德鋼業(yè)通過改變加熱溫度和保溫時間，研究節(jié)鎳型高氮奧氏體不銹鋼在不同熱處理條件下的組織和性能變化，并確定合適的固溶處理加熱制度。

一、試驗材料與方法

  1. 試驗材料

  以河鋼集團鋼研總院自行冶煉的高氮奧氏體不銹鋼為試驗材料，使用1噸非真空感應(yīng)爐冶煉850kg的鑄錠，直徑為300mm，具體成分如表所示。鑄錠經(jīng)電渣重熔處理后，鍛造成150mm×150mm方坯。在鍛件心部切取尺寸為20mm×20mm×20mm的試樣，進行試驗。

 2. 試驗方法

  為研究加熱溫度和保溫時間對試驗鋼晶粒尺寸的影響，以不同加熱制度對試驗鋼進行熱處理。放置在箱式電阻爐內(nèi)以相同的功率分別加熱到800、900、950、1000、1050、1100、1150和1200℃，保溫1h后水淬冷卻;在1200℃分別保溫0.5、1、2、3、4和5小時，保溫結(jié)束后采用水冷淬火。將試樣去除表面氧化層，制備金相試樣，觀察試驗鋼微觀組織。

二、試驗結(jié)果與分析

 1. 加熱溫度對微觀組織的影響

 圖為試驗鋼在800～1200℃下保溫1小時的微觀組織。800℃保溫1小時后微觀組織出現(xiàn)混晶，在變形組織的晶界處產(chǎn)生細小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒。部分區(qū)域變形量較大，滿足動態(tài)再結(jié)晶條件，會出現(xiàn)細小的再結(jié)晶晶粒;但是由于溫度相對較低，不能提供足夠的能量使再結(jié)晶晶粒長大，此溫度下動態(tài)再結(jié)晶晶粒數(shù)量較少，尺寸較小。900℃保溫1h，晶粒尺寸變化較小，但是由于溫度的升高，提供的能量更多，再結(jié)晶晶粒數(shù)量增加。在1000℃保溫1小時，晶粒更加均勻。1050℃保溫1小時后，晶粒尺寸變化不大，但是晶粒更加均勻，晶粒尺寸介于30～50μm之間。1100℃下保溫1小時后，再結(jié)晶晶粒尺寸長大趨勢明顯。

 各個溫度下晶粒尺寸分布如圖所示，從圖可看出，在低于1050℃保溫時，隨溫度的升高，直徑大于100μm的晶粒逐漸減少，小尺寸晶粒逐漸增加。在1050℃時，尺寸小于100μm的晶粒達到了85%;大于1050℃后，隨著溫度的增加，大于100μm的晶粒迅速增多，從1050℃的25%增長到1200℃的70%。對鍛態(tài)試驗鋼進行熱處理，不同溫度下的平均晶粒尺寸如圖所示，小于1050℃時，晶粒平均尺寸隨溫度的升高而降低;當溫度大于1050℃后，平均晶粒尺寸增大，從1050℃的47μm迅速增加到1200℃的117.5μm。分析原因，在溫度較低時，細小的再結(jié)晶晶粒開始在原始的晶界處形核。由于存在大量彌散的碳氮化物，這些碳氮化物在再結(jié)晶晶粒晶界處的釘扎作用限制了再結(jié)晶晶粒的長大，因此奧氏體晶粒長大速率比較慢。此外，氮作為合金元素，易在位錯線上偏聚，對位錯的攀移產(chǎn)生拖拽作用。隨著溫度繼續(xù)上升，細小的再結(jié)晶晶粒逐漸增多，此時晶粒多為等軸晶，細小而均勻，組織比較穩(wěn)定，可以穩(wěn)定材料的性能;當溫度繼續(xù)升高，提供更大的能量起伏，碳氮化物慢慢消融，奧氏體再結(jié)晶晶粒吸收更多的能量，克服碳氮化物的釘扎作用，因此晶粒長大速率加快。

 2. 保溫時間對微觀組織的影響

  為研究保溫時間對試驗鋼晶粒尺寸的影響。將試驗鋼加熱到1200℃，分別保溫0.5、1、2、3、4和5小時后水冷，制備金相試樣。圖3為試驗鋼在1200℃下保溫不同時間后的微觀組織。

  由圖可以看出，保溫時間延長，晶粒逐漸長大。1200℃保溫0.5小時，平均晶粒尺寸為70μm;保溫1小時后，平均晶粒尺寸增加到117μm，此時晶粒最為均勻。當保溫時間大于3小時后，平均晶粒尺寸增長趨勢變緩，保溫時間越長，原子擴散越充分，為晶粒長大提供了更多的機會，使晶粒容易長大，其長大的趨勢如圖所示。

三、結(jié)論

 1. 對節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼在800～1050℃范圍內(nèi)進行固溶處理，隨溫度的升高，主要發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，平均晶粒尺寸逐漸減小;當大于1050℃時，再結(jié)晶晶粒克服碳氮化物的釘扎作用，晶粒長大;加熱到1200℃保溫1小時后，晶粒尺寸增大到117.5μm。

 2. 在1200℃時保溫時，保溫時間延長會導(dǎo)致晶粒進一步長大。晶粒尺寸隨保溫時間的變化趨勢符合Beck方程。保溫時間過長，晶粒異常長大。

 3. 適用于試驗鋼的加熱制度為:加熱到1050～1200℃，保溫1小時。