410不锈钢材料零下29℃低温冲击性能稳定化锻造工艺研究

杨代贵 冯进 任俊宝 吴伟民

摘 要：AISI 410马氏体不锈钢材料是性价比理想的耐FF级酸性工况的石油设备制造材料，但其低温脆性的局限性影响了它在低温工况的应用。在炼钢、锻造和热处理过程中产生的高温δ铁素体相是根本原因，文章对不同锻造温度下δ铁素体相的产生进行了试验和分析，最终找到了一种最适宜的锻造温度，可以稳定地制造适用于零下29℃低温工况的410材料。

关键词：410不锈钢；-29℃低温冲击；δ铁素体相；锻造工艺

中图分类号：TG316 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）01-0097-05

Abstract： AISI 410 Martensitic stainless steel is an ideal material for the manufacture of petroleum equipment which is resistant to FF-class acid condition， but its low temperature brittleness limits its application in low temperature condition. The high temperature δ ferrite phase produced in the process of steel-making， forging and heat treatment is the fundamental reason. In this paper， the formation of δ ferrite phase at different forging temperatures is tested and analyzed， and finally the most suitable forging temperature is found. The 410 materials suitable for working at 29 ℃ below zero temperature can be stably manufactured.

Keywords： 410 stainless steel； -29 ℃ low temperature impact； δ ferrite phase； forging process

前言

AISI 410材料因为其较高的强度、良好的耐腐蚀能力而在石油设备上得到了广泛使用，被认为是FF级酸性工况性价比较好的材料。但是其低温脆性的局限性影响了它在加拿大、俄罗斯等亚寒带和寒带气候地区的应用。为了扩大410材料的使用范围，有必要对410材料的脆性机理和热加工工艺进行研究。

本文通过在不同的锻造温度下对410锻件进行了试制，用冲击试验和金相试验的方法，对410材料在不同锻造温度下δ铁素体的形成进行了分析，以揭示δ铁素体相影响410材料低温脆性的本质，从而减少在锻造过程中出现δ铁素体的可能性。

1 410材料的化学元素和作用

表1为世界某著名石油设备制造商的材料化学成分要求。

C是不銹钢中的主要元素之一，也是马氏体不锈钢中的重要强化元素，它强烈地促进奥氏体的形成，但碳在钢中极易和其它合金元素如Cr生成（Cr·Fe）23C6。并在晶界处析出，造成晶界贫铬，导致不锈钢的晶界腐蚀敏感性。

Cr是不锈钢中最重要的合金元素，它能溶入铁素体中，扩大铁素体区，缩小和封闭奥氏体区。Cr易与碳生成Cr7C3、Cr23C6等两种碳化物。

Ni是增大奥氏体稳定性和扩大奥氏体区，缩小铁素体和（铁素体+奥氏体）区的元素，它也是形成奥氏体的元素，加入适量的Ni可得到单一组织奥氏体不锈钢。Ni减少δ铁素体的含量。

Mn的作用和Ni相似，能扩大奥氏体区，提高奥氏体的稳定性，但价格便宜，常用来代替贵重元素Ni。

C、Fe和Cr在不锈钢中的存在方式：由于它们各自的化学反应能力，其存在方式为游离态、化合物态FeC3和Cr23C6。C的原子量12，Fe的原子量为56，Cr的原子量52。在FeC3中C和Fe的重量比为（56*1）/（12*3）=1.56：1；在Cr23C6中Cr和C的重量比为（52*23）/（12*6）=16.61：1。由于410材料中含量只有010-0.15%，而Cr含量为11.5-13.5%，Fe含量高达84%以上，在形成FeC3和Cr23C6后，存在大量的游离Fe和Cr，同时由于C、Fe和Cr的化学反应能力不是特别强，一部分C没有参与化学反应，以游离态的形式存在于铁素体的间歇固溶体中。

δ铁素体的形成机理：间歇固溶体中的C、Fe和Cr等游离态元素，当加热到一定温度时，发生化学反应形成化合物FeC3和Cr23C6析出，造成此处的间歇固溶体“贫碳”“贫铬”，变成不含强化元素C和Cr的铁素体。“素”者，顾名思义，什么强化元素都没有，因此铁素体的强度很低。同时Cr23C6的强度和硬度很高、脆性很大，加上“木桶理论”中的短板效应，δ铁素体所在位置材料的强度很低、脆性很大。

2 合格410原材料，不同锻造温度下材料机械性能和δ铁素体含量变化的试验研究

2.1 锻造原材料的准备

为了完成这项研究，首先需要确定410原材料是合格的。我们采用了电渣重熔钢锭，其生产流程为：电炉冶炼+真空精炼+电渣重熔（EF-VD-ESR）。

原材料进行了检验，成分偏析、夹杂、疏松等的合格率100%，可不考虑它们的不利影响。

从钢厂提供的质量证明书可以看到其H含量一般都小于1.8PPm，因此锻后热处理只考虑消除锻造应力、稳定组织、降低硬度等即可，而不用担心白点的产生。

由于电渣重熔钢锭从钢水浇注、凝固直至冷却过程跨越的温度区间非常大，δ铁素体是必然会产生的，在对原材料进行准备时，需要确定其不存在过量的块状δ铁素体。为此进行了图1 410原材料100倍金相组织检查，发现了δ铁素体，我们认为在可接收范围内。图1为410原材料100倍金相组织检查情况。

2.2 锻造加热温度的试验设计方案

为了确定锻造加热温度对最终性能的影响，我们对合格的410原材料，分别采用1000℃、1080℃、1130℃和1080℃四种初始锻造温度。同时，为了防止试验结果的随机性，每种温度下分别锻造了三个试块。在经过相同的热处理后（按NACE MR0175规范[1]规定的温度进行正火+两次回火），按ASTM A370标准[2]加工试样并进行拉伸试验，按ASTM E23标准[3]进行冲击试验，按ASTM E10标准[4]进行布氏硬度试验，按ASTM E112标准[5]进行晶粒度检查和金相组织检查，结果如表2。

表2为合格的410电渣锭进行不同锻造温度锻造后性能试验结果。

性能试验结果表明，1180℃加热锻造的试块，低温冲击韧性都不合格，而初锻温度1130℃的试块，11个试块全部合格，并且锻造温度越低，冲击值越高越均匀。

图2为不同锻造温度下试样的金相组织照片。

为了揭示低温冲击试验不合格的本质，我们对全部14组冲击试样进行了100倍金相组织检验，见图2同锻造温度下试样的金相组织照片，所有的试样都发现了δ铁素体，但是1180℃初锻的试样，δ铁素体明显粗大，这说明锻造加热温度高于1150℃以后，原材料本身带来的δ铁素体会长大，这是因为附近晶格中C、Fe和Cr等游离态元素，当加热到1150℃以上温度时，发生化学反应形成化合物，析出后的基体变成了新的δ铁素体。

3 不合格410原材料（δ鐵素体含量超过15%），不同锻造温度下材料机械性能和δ铁素体含量变化的试验研究

选用了δ铁素体含量超过15%的同一炉号410原材料4块，在1080℃和1150℃两个不同初锻温度下进行锻造，以验证初锻温度的变化是否可以改变材料机械性能和δ铁素体含量，结果表明无论锻造工艺参数如何改变，热处理后组织中δ铁素体的含量依然较多，虽然热后晶粒度达到5-6级，低温冲击值依然较低，见表3不合格的410原材料进行不同锻造温度锻造后性能试验结果和图3不合格的410原材料进行不同锻造温度锻造后金相检测结果。

表3为不合格的410原材料进行不同锻造温度锻造后性能试验结果。

图3为不合格的410原材料进行不同锻造温度锻造后金相检测结果。

4 不同炉号的试块原材料中δ铁素体含量对最终性能的影响

选用了不同炉号410原材料4块，其中2块δ铁素体含量合格，另2块不合格。在1080℃的相同初锻温度下进行锻造，结果表明合格原材料锻造的试块，性能和δ铁素体含量仍然合格；不合格原材料锻造的试块，性能和δ铁素体含量仍然不合格。见表4 合格原材料锻造的试块锻造后性能仍然合格，不合格原材料锻造的试块锻造后性能仍然不合格；图4合格原材料锻造的试块锻造后δ铁素体含量仍然合格，不合格原材料锻造的试块锻造后δ铁素体含量仍然不合格。

表4为合格原材料锻造的试块锻造后性能仍然合格，不合格原材料锻造的试块锻造后性能仍然不合格。

图4显示了合格原材料锻造的试块锻造后δ铁素体含量仍然合格，不合格原材料锻造的试块锻造后δ铁素体含量仍然不合格。

5 结束语

上述试验结果表明，控制δ铁素体含量是解决410材料在零下29℃低温冲击性能稳定性问题的关键。如果原材料本身具有较高的初始δ铁素体含量，则无论锻造和热处理温度如何变化，都无法解决低温脆性问题。其次是不适当的锻造初始锻造温度，也会导致原先合格的410材料δ铁素体含量增大。因此，为了生产优质耐零下29℃低温冲击的410锻件，锻造厂应选择合适的钢厂，并实施严格的进货检验；其次实施严格的内部锻造过程控制，选择合适的锻造工艺，严格控制锻造的初锻温度。

参考文献：

[1]NACE MR0175/ISO15156.石油天然气工业-石油天然气生产硫化氢环境使用材料[S].

[2]ASTM A370.钢制产品机械性能试验标准试验方法和定义[S].

[3]ASTM E23.金属材料带缺口棒材的冲击试验方法[S].

[4]ASTM E-10.金属材料布氏硬度标准试验方法[S].

[5]ASTM E112.确定平均晶粒度的标准试验方法[S].