热处理温度对超超级双相不锈钢相组织和微观硬度的影响

张如金，耿方锋，刘仲礼，武 明

（1.烟台玛努尔核电设备有限公司，山东 烟台 264000；2.烟台大学核装备与核工程学院，山东 烟台 264000）

ASTM A790 S32906 双相不锈钢是由荷兰斯塔密卡邦公司和瑞典山特维克公司联合开发的一种Cr29 型超超级双相不锈钢，企业牌号为SAFUREX32906.该材质主要应用于尿素装置上，作为高压汽提塔、高压洗涤器及部分高压耐腐蚀的管道用材[1]。美国材料与试验协会将其列入ASTM A790/A790M 和ASTM A240/A240M 标准中[2-3]。目前，国内还无法批量化生产该材质产品，主要依赖于进口。相关的基础研究也较少。对于双相钢来说，固溶处理对产品的使用性能起至关重要的作用[4]。本文主要研究了固溶热处理温度对ASTM A790 S32906 双相钢两相比例、微观组织及硬度值的影响，为产品热处理工艺的制订，积累基础数据，提供参考。

1 试样制备与方法

试验锭的冶炼方式为电弧炉+AOD 炉。铸造时采用标准基尔试块，碱酚醛树脂，砂型浇注。形状及尺寸如图1 所示。从铸态试锭上切取16 件试块（尺寸为25 mm×25 mm×25 mm），取其中2 件观察铸态下的微观组织。其余试块在N7/H 型马弗炉（最高加热温度1 250 ℃，保温精度±5 ℃）中进行加热处理。在1 120 ℃～1 240 ℃范围每隔20 ℃取2 件试块进行热处理，保温2 h 后快速入水冷却。之后对每个温度下的2 个试块进行加工成尺寸为20 mm×20 mm×20 mm 的金相试样。所有试样经过机械抛光后，采用10%的KOH 溶液，在45 V 电压，3 mA 电流下进行60 s 的电解腐蚀，然后在OLYMPUS BX51U 型金相显微镜下观察微观组织，按照ASTM E562-2011标准测量铁素体体积含量。随后对金相试样进行抛光打磨（保证表面粗糙度Ra≤1.6 μm），采用TH600 布氏硬度机，依据GB/T231.1-2018 测量布氏硬度数值（选用的压头球直径为10 mm，试验压力14.710 kN，保持时间15 s）.

图1 基尔试块及取样示意图

2 试验结果

2.1 化学成分和铸态组织

熔炼后钢水成分如表1 所示。

表1 化学成分（质量分数，%）

铸态组织如图2 所示。

从图2 可以看出，铸态金相组织为枝晶形态明显的白色奥氏体分布在深色的铁素体基体上。奥氏体的枝晶粗大，一次枝晶轴较长，在铁素体基体上呈不均匀分布，晶界比较尖锐。

采用ASTM E562 法测量得到铸态下的铁素体的体积分数为44%.

2.2 热处理温度对微观组织的影响

参照前人研究[4]，选取了1 120 ℃作为起始试验热处理温度。由于ASTM A790 S32906 双相钢的合金元素含量更高，将最高试验温度提高至1 240 ℃.不同固溶处理温度下的金相组织如图3 所示。

由图3 可知，经过固溶处理后，铸态下的奥氏体枝晶逐渐破碎，晶界变得圆润。

图3 S32906 双相钢热处理后的微观组织

不同温度热处理后，其相比例变化情况如表2所示。随着温度的升高，铁素体的体积分数增加。据参考文献可知，当热处理温度超过1 000 ℃时，α相和（α+γ）两相区的边界及（α+γ）两相区和γ 的边界同时向右弯曲[5]。并且随着温度的升高，向右弯曲的程度越大。且前两个相区的边界弯曲程度更大。根据杠杆定律可知，α 相的含量将随着固溶温度的增加而提高。

2.3 热处理温度力学性能的影响

图5 给出了硬度值随热处理温度升高的变化情况。

表2 热处理后铁素体的体积分数

图4 热处理温度对硬度值的影响

硬度值随着热处理试验温度的升高而升高。在1 120 ℃～1 200 ℃范围内，硬度的增幅较为显著。从1 200 ℃开始，增幅变缓，几乎不增加。

3 分析及讨论

3.1 相比例问题

双相不锈钢相比例与其力学性能和抗应力腐蚀性能密切相关。一般认为，当组织中两相含量基本相等时，双相钢具有最佳的性能。当化学成分确定后，热处理温度就决定了产品最终的相比例[5]。因此，通过代入相关参数进行计算，实现对ASTM A790 S32906 双相钢铁素体含量的预测，对今后该钢种成分的调整和热处理温度的选择具有实际意义。选择的计算方式，分别如下。

依据ASTM A800 标准[6]进行了铬当量（Creq）和镍当量（Nieq）的计算，公式如下：

代入试验锭的成分得Creq/Nieq=1.56，对照标准中图表，得到铁素体体积分数在23.30%～46.07%范围内，中线值为32.78%.

文献[4]中提供了00Cr22Ni5Mo3N 双相钢铁素体含量的计算公式，计算过程及结果如下。

代入成分得到镍铬当量值。结合Schaeffer 相图，得出铁素体体积分数约为30%.两种方法得到的铁素体体积分数都远低于铸态下试验测量得到的结果，参考性较小。

为了引入热处理温度的影响，进一步参考了奥氏体线解方程式[3、7]，如公式（5）所示。

代入表1 的成分，计算出在1 120 ℃～1 240 ℃范围内铁素体的含量，如表3 所示。

表3 计算铁素体相体积分数

计算结果表明，铁素体含量随固溶温度的升高而增加，且增幅明显。理论计算值增幅为19.80%.采用ASTM E562 标准测量的值由51.28%增加到60%，增幅为17.00%.

将理论计算铁素体含量和试验测得的铁素体含量与温度的关系列于图5 中，从图中可以看出，ASTM E562 金相法得到的实际结果要高于线解方程的计算结果，差值范围为2.22%～3.92%.当热处理温度为1 140 ℃时，两相的比例接近1：1.铁素体体积分数分别为：线解方程49.34%，ASTEM E562法51.28%.

对铁素体含量与温度的关系进行了拟合结算，结果如下。

奥氏体线解方程：

ASTM E562 法的拟合方程为：

两种方式的理论差值为：

结果进一步表明，两者铁素体含量随温度变化的规律一致。在试验温度范围内，当S32906 双相钢的成分确定后，可以通过奥氏体线解方程来计算预测其铁素体含量，作为制定热处理工艺的参考依据。

图5 铁素体体积分数随热处理温度的变化

4 结论

1）奥氏体线解方程计算的铁素体含量与实际测量结果差别不大，略低于试验测量值。可以作为调整S32906 超超级双相钢成分和制定热处理工艺的依据。

2）固溶热处理可以破碎消除铸态S32906 超超级双相不锈钢铸态下的粗大奥氏体枝晶，使其分布更加均匀，晶界更加圆润。

3）在试验温度范围内，铁素体含量随着固溶温度的升高而增加，铁素体体积分数由铸态的44%左右调整到60%左右。试验温度范围内铁素体含量增幅显著，1 240 ℃固溶处理时铁素体体积分数达60%，比1 120 ℃处理时增加了20.0%.

4）固溶处理温度在1 140 ℃时，铁素体和奥氏体两相比例接近1：1，对于铸造S32906 超超级双相钢的热处理温度可以控制在1 130 ℃～1 150 ℃.

5）S32906 超超级双相钢硬度值随着温度的升高而增加，1 120 ℃～1 180 ℃增幅较大。固溶温度继续升高，增幅变缓，几乎不增加。