304不锈钢管加热后组织机械性能变化分析

 304不锈钢管经金相检验时出现混晶现象，导致钢管的高温性能降低.对钢管热处理工艺、坯料种类和热轧过程中组织变化进行分析，结果表明: 304不锈钢锻坯和连铸坯的种类不同并不会导致组织差异;钢管热轧后出现明显的混晶组织,仅通过传统正火＋回火热处理工艺不能得到最优组织形态.将钢管的非平衡组织先转变为平衡组织,然后进行合理的热处理可有效优化组织均匀性;在同样的热轧工艺参数下,毛管中未出现混晶,而荒管中晶粒却发生了异常长大,则皮尔格轧制阶段为混晶的萌生阶段和改善组织均匀性的重要阶段.

304不锈钢管是目前世界上广泛使用的奥氏体型耐热钢管，是制造热电厂临界机组中金属壁温度不超过600℃的过热器集箱、再热器集箱以及主蒸汽管道、再热蒸汽管道的首选材料。由于长期使用在高温环境中，需要具有良好的抗热应力疲劳失效性能和抗高温蠕变性能,而钢管组织粗大、晶粒不均匀会使得钢管的以上性能大大减弱。在304不锈钢管生产过程中保温时间过长会引起混晶，在正火冷却过程中,在原奥氏体晶界附近析出先共析铁素体,随着冷却的进行,过冷奥氏体转变为粒状贝氏体,其一般容易在粗大的奥氏体晶粒中形成,保温时间越长,奥氏体越粗,粒状贝氏体团越大.部分再结晶区轧制也会产生混晶，热轧过程中的动态再结晶行为是影响热变形晶粒的重要因素,动态再结晶的晶粒中存在着位错变形胞,比静态再结晶晶粒要细的多,这是热加工造成混晶的重要原因之一。某钢管公司生产的304不锈钢管复验时其显微组织不合格,粗晶1级,细晶8级。在对供用户使用的所有钢管进行的金相检验中,发现有大批钢管存在着混晶现象.本文针对产品出现的混晶现象,着眼于解决实际问题,兼顾经济效益与生产效率,提出消除混晶的办法。

  选用某厂皮尔格轧制生产的304不锈钢管，该钢管出现了混晶组织。从出现混晶组织的母体上取条形试样进行热处理实验,采用一系列的正火与回火工艺,观察金相组织,看是否消除了混晶,并把适宜的实验工艺推广到工厂台式炉。同时为了排除坯料种类对实验结果的影响,特此做了锻坯与连铸坯的对比实验.最后对比分析穿孔跟皮尔格轧制两个变形过程的组织,确定出现混晶的工艺阶段。对304不锈钢管组织的影响观察热处理后试样的金相组织，从图中可以发现,正火温度对304不锈钢管的显微组织影响不大,试样均是回火马氏体组织,晶粒均匀,没有出现混晶。

 根据304不锈钢管含碳量可以确定为亚共析钢,一般选用的正火温度为40℃。在加热速率快的情况下，工件温差大,容易出现加热不足。另外，加热速率快,起始晶粒细,也容许采用较高加热温度。同时，为了使合金元素溶入奥氏体中,更好发挥合金元素的作用，将304不锈钢管的正火温度设定为1050℃左右。如果温度太低(低于1000℃)，会导致大量合金元素不能溶入奥氏体中,使钢的淬透性降低;同时耗时太长。不但造成很大的能源浪费,而且增加了304不锈钢管的氧化和脱碳倾向,同时会有铬的复型碳化物，沿晶界析出或造成杂质元素磷,硫的偏聚,使材料发生晶间腐蚀,对后续使用造成的影响比较大.若温度选择太高(超过1100℃)，则在高温下晶界具有流体性质，容易导致晶粒快速长大而造成晶粒粗化,使钢的力学性能下降。304不锈钢管正火后获得的组织不能直接使用，需要进行回火，以降低脆性,提高塑性和韧性,获得强韧性的配合后才能实际使用。材料经不同温度回火后,组织性能不同，304不锈钢管常在600℃左右服役，通常情况下,材料的最终热处理温度要高于服役温度,100℃以上,故选择760℃的高温回火。通过不同温度(1010~1090℃)正火及回火的304不锈钢管的热处理实验结果,可以发现通过重新热处理，304不锈钢管的组织变得均匀,钢管的混晶组织可以消除.于是,选取规格为ϕ559ｍｍ×95ｍｍ的存在严重混晶的304不锈钢管在工厂的台车式热处理炉内进行重新热处理,选用的热处理工艺同图试样工艺。结果发现钢管仍然存在着严重的混晶组织，如图所示。通过台式炉的热处理，304不锈钢管的混晶组织没有消除.由此次实验得到,出现混晶组织的304不锈钢管在实验室热处理炉重新进行热处理，低温短时可以避免再出现混晶，但在生产确认实验时又出现,取存在混晶的304不锈钢管的试样在实验室热处理炉内进行实验.观察改进热处理后试样的金相组织，结果如图所示。从图中可以发现,正火保温时间延长后,在原来出现混晶的区域再次出现混晶,体现出“组织遗传性”的特征.这和正火加热的速率及温区选择密切相关。304不锈钢管的正火加热速率总是缓慢的,在890~940℃温度以上不远的温区，板条马氏体转变为新生奥氏体，新生奥氏体的晶粒尺寸恢复了原动态回复与动态再结晶的晶粒尺寸。

  在更高的温区，新生奥氏体会发生再结晶而使晶粒进一步细化,这个温度已接近304不锈钢管的正火加热温度。因此，304不锈钢管在正火＋高温回火热处理时,原动态回复与动态再结晶的极细或细的晶粒尺寸可能会被遗传。此次实验由于延长了正火保温时间,使得奥氏体晶粒长大,导致粗大的晶粒被遗传.因此,选择适宜的正火温度为1050~1090℃,保温约60分钟，回火温度750~780℃,保温约60分钟。