高钼超级奥氏体不锈钢S31254 无缝管生产工艺研究

丁文炎，蔡黎明，徐伟良

（浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313012）

超级奥氏体主要是为解决原有普通不锈钢耐蚀性（特别是耐点蚀、耐缝隙腐蚀和耐应力腐蚀以及强度偏低等）无法满足客观需求而问世的[1-5]。超级奥氏体不锈钢系指钢中耐点蚀当量PREN值≥40%的那些牌号。

超级奥氏体不锈钢S31254 是一种低C，高Ni、Cr、Mo，具有单一奥氏体组织的不锈钢[6-10]，化学成分要求见表1。S31254 的成分特点使其具有良好的屈服强度、耐点蚀性能及抗应力腐蚀能力，故广泛应用在化工、制碱、造纸、海水处理等一些条件极为严苛的环境[11-16]。但超级奥氏体不锈钢S31254 的合金成分含量较高，尤其含有较高的Cr和Mo，使其在热加工过程中易析出碳化物以及一些金属间化合物。而这些第二相通常会影响钢的耐蚀性能和力学性能[17-20]。故研究S31254 钢在制管过程中的加工特性和金相组织的变化规律对优化生产工艺具有重要的实际意义。

表1 S31254 化学成分（质量分数）要求%

1 原材料冶炼及管坯质量

高合金超级奥氏体不锈钢是高品质特种不锈钢发展的重要方向之一，由于其成分具有高铬、高镍、高钼和高氮等特点，在卤化物的环境中具有极高的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀性能，已逐渐成为Ni基合金和钛合金的代用材料。超级奥氏体不锈钢S31254 棒材（管坯）的生产工艺流程为：电炉冶炼→氩氧脱碳法（AOD）精炼→钢包精炼炉（LF）精炼→模铸→锻造→均质热处理。S31254 不锈钢冶炼的首要任务就是在较高的铬和钼含量下，最大限度地让钢液脱碳。然而，钢中高的Cr 和Mo 含量易使钢在高温状态下析出金属间相，S31254 棒材的析出相是衡量材料偏析程度以及耐腐蚀性能的重要因素，这会影响钢的生产、使用和降低钢的寿命。因此，确保S31254 棒材的组织中无一次析出相是生产的关键。

对经过电弧炉（EF）+AOD 冶炼的管坯进行原材料检验，复验项目包括化学成分、低倍组织、非金属夹杂物、微观金相和晶粒度。本文选定的圆钢经分析，管坯化学成分采用光谱法检测符合技术条件要求，PREN值43.57%；采用气体法对氢、氧元素进行分析，实测氢含量为3×10-6，氧含量为23×10-6；采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）对有害元素及低熔点元素Pb，Sn，Hg，Bi，Zn，As 进行分析，实际测定值均小于0.001%。管坯夹杂物含量A 类为粗系0 级、细系0 级，B 类粗系0 级、细系0.5 级，C 类粗系0 级、细系0 级，D 类粗系0 级、细系1.0 级，非金属夹杂物合计为1.5 级，符合技术条件要求。

对原材料S31254 进行低倍分析。圆钢一般疏松、中心疏松和锭型偏析等级为0.5 级，无目视可见的残余缩孔、夹渣及其余缺陷如柱状晶、裂纹、气泡和折叠等。

对原材料进行金相分析时发现，在圆钢边缘位置存在析出相，如图1 所示，析出相呈现链状分布；对其他S31254 炉号进行分析时，同样存在类似情况，甚至在边缘（图1c）和中心位置（图1d）均存在类似情况。

图1 S31254 圆钢金相组织

对析出相进行电镜（图2）和能谱分析（表2），根据析出相析出位置和形貌，第二相均具有富Cr/Mo 的成分特征，结合相关文献，判定为σ 相。超级不锈钢中的σ 相主要在600～900 ℃析出，沿晶界或者不相干的孪晶界以条状或者胞状分布。

图2 S31254 圆钢电镜示意

表2 S31254 析出相能谱分析

较高的铬、钼含量显著提高超级奥氏体不锈钢和Ni-Cr-Mo 系镍基合金耐蚀性能的同时，也减弱了合金的高温组织稳定性，增强了其高温析出敏感性，特别是Mo 能显著增强金属间相的析出倾向。这些析出相的存在对后续热加工和冷加工制管带来了很大的困难，如不优化工艺甚至会导致管材报废。对原材料进行晶粒度检测，晶粒度等级3.5～5.5级，总体符合要求。

对原材料复验结果进行综合研判，化学成分、低倍组织、非金属夹杂物符合管坯要求，材料存在微观金相析出情况，并且析出相呈链状分布，晶粒度等级总体可控，后续制管存在一定的风险，如加以热加工工艺调整，优化参数，可以进一步试制研究和生产。

2 热挤压工艺研究

由于S31254 不锈钢的合金元素含量较高，变形抗力大，尤其含有较高的Cr 和Mo，使其在热加工过程中易析出碳化物等金属间化合物，而这些中间相的存在通常会影响钢的工艺性、力学性能及耐蚀性。对于超级奥氏体不锈钢制管，优先选择的热加工开坯方式为热挤压开坯，而不用热穿孔。挤压加工工艺的特点是使金属在变形过程中承受三向压缩应力。在这种压应力状态下，对于超级奥氏体不锈钢管来说，能够得到较好的变形、内外表面质量和金相组织。另外，在热加工工艺制定时应避免在高温温度范围内长时间停留，防止材料开裂。

S31254 制管工艺流程：冶炼→锻造→管坯加工→热挤压→［冷轧（成品）→固溶处理→精整→酸洗→检验］（多道次循环直至成品）→包装入库。

热挤压之前的管坯，需要对管坯中心进行钻孔，钻孔工艺在机床上进行，钻孔直径选取合适的参数，为后续热扩孔做准备。热挤压变形工艺采用热扩孔加热挤压两次变形过程。热扩孔加热工艺采用环形炉预热+感应快速加热工艺，对于S31254超级不锈钢，预热温度达到1 000 ℃以上，保证管坯中心温度和近外表面温度符合要求，之后的感应快速加热使得管坯温度迅速达到热扩孔工艺温度，一般控制在1 160 ℃以上。扩孔工艺，采用活动扩孔头和特殊的润滑方式对管坯进行热扩孔，获取壁厚均匀，表面良好的扩孔管坯。扩孔后的管坯需要进行第二次感应加热，补偿坯料在运输辊道上的温度降低，以及符合热挤压的工艺温度需要。对于超级奥氏体不锈钢而言，热挤压加热温度的控制和温度均匀性，以及内外表面的玻璃粉润滑效果至关重要，这也是获得良好挤压荒管的关键。使用新型润滑剂后，金属变形时附加拉应力小，产品产生缺陷概率更低，内外表面质量更好。热挤压时，需选配合适的挤压工模具，保障在高温状态下金属良好的流动，不因工模具的磨损等带来管材内外表面缺陷。热挤压工艺变形量大，可达到90%以上，可以使金属在三向压应力的作用下使晶间结构更紧密，产生缺陷的机会更小，有焊合效应。同时，对于超级奥氏体不锈钢锻坯，本身晶粒度比较粗大，并且存在一定程度的不均匀性，在挤压过程中，晶粒得到充分的破碎，在回复再结晶后得到细化，晶粒度可达到8.5 级以上，为后续的冷加工带来更好的加工条件，S31254 挤压管晶粒度如图3 所示。

本次试制生产的Φ204 mm S31254 管坯，挤压Φ100 mm×8 mm 规格钢管，挤压变形量91%。挤压后的荒管会采用酸洗工艺去除内外表面氧化皮，并精整检验，供后续冷加工。

3 S31254 无缝管冷加工工艺研究

一般，对于S31254 无缝管的生产，挤压管可直接进行冷轧加工，但考虑到圆钢存在析出相，冷轧前需对挤压管进行高温热处理。冷轧工艺至关重要，钢管冷轧在长行程环孔型冷轧管机上完成，由于S31254 材料的冷加工比普通奥氏体不锈钢有更大的初始变形抗力，冷加工变形比相对于奥氏体不锈钢要低一些；因此，对挤压母管制定了3 道次冷轧工艺路线，合理分配每道次的变形量，挤压母管及1～3 道次冷轧工艺参数为：Φ100 mm×8 mm→Φ76 mm×5 mm→Φ45 mm×3.5 mm→Φ25 mm×2.5 mm。可以看出，由于挤压母管规格大，成品规格较小，又是高Mo 材料，因此延伸系数第一道次控制在50%左右，通过冷轧后的高温热处理使中间品组织性能更好，后续道次控制在60%左右。成品轧制过程速度控制在120 次/min 左右，送进量控制在2.0 mm 以下。试验表明，该材料塑性满足大变形量冷轧工艺要求。在每道次冷加工后，对材料进行退火热处理消除加工硬化，恢复材料的塑性。

4 热处理工艺研究

如前所述，S31254 原材料存在一定量的析出相，在热挤压过程中，由于感应加热时间短，无法消除，给冷轧加工带来难题。S31254 析出相模拟计算结果如图4 所示，由图可见S31254 析出相可在1 150 ℃以上通过长时间热处理进行消除。对挤压管进行取样分析，如图5（a）～（b）所示，析出相呈细小链状分布或离散分布。因此，经过研判对挤压管在冷轧前进行额外的一次高温热处理，热处理温度1 200 ℃，保温时间30 min 以上。高温热处理推荐采用箱式高温炉，确保热处理效果和冷却速度。经过高温热处理后，取样进行金相分析，如图5（c）所示，析出相得到充分的回溶，金相组织符合后续加工要求，可按照前述3 个道次冷轧进行试制生产。

图4 S31254 析出相模拟计算

图5 S31254 挤压管金相组织

在每个中间道次冷轧和成品冷轧后，都需要进行充分的固溶热处理，超级奥氏体不锈钢的热处理工艺是保证钢管金相组织、常温力学性能、高温力学性能及耐腐蚀性能等达到技术要求规定的重要环节。由于热处理温度高，时间长，挤压管热处理和中间品热处理可在箱式高温炉中进行，成品热处理推荐采用辊底式光亮热处理炉。

经过热处理工艺试验，结果表明，在一定的加热时间情况下，随着固溶处理温度的升高、时间的延长，S31254 超级奥氏体不锈钢的抗拉强度、屈服强度、硬度随之降低。经综合评判制定S31254 钢管加热温度1 150～1 180 ℃，保温时间5～10 min，保温后快速冷却，钢管的力学性能、金相组织和耐腐蚀性能等均能符合技术条件要求。根据生产实践，固溶冷却时冷却速度达到350 ℃/min 可避免σ相析出。

5 性能分析

产品化学成分满足管材标准ASME SA 213/SA 213M—2017《锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管》的技术条件要求，PREN值为44.09%。钢管的室温拉伸性能包括抗拉强度、屈服强度、延伸率满足技术条件要求（表3），硬度值低于标准值并控制在较低水平有利于后续胀管。工艺试验包括扩口和压扁试验合格。钢管显微组织为奥氏体组织，无碳化物等析出，无σ 相等金属间相析出。钢管按ASTM A 262—2015《检测奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感度的标准规程》E 法进行晶间腐蚀试验，试样为敏化态，在微沸状态下，经过16 h 试验，无裂纹。钢管按照ASTM G 48—2015《使用氯化铁溶液进行不锈钢及其合金的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀试验》A 法进行点腐蚀试验，试验温度50 ℃，试验时间48 h，平均腐蚀速率1.0 g/m2以下，远低于标准小于4.0 g/m2的要求，试样放大20 倍，观察结果为无点蚀。

表3 Φ25 mm×2.5 mm 规格S31254 不锈钢管机械性能

6 结 语

（1） 超级奥氏体不锈钢S31254 棒材（管坯），采用“电炉冶炼+AOD 精炼+LF 精炼”，析出相是衡量材料偏析程度以及耐腐蚀性能的重要因素，确保S31254 无析出相是生产的关键。

（2） 采用“热挤压+冷轧”工艺技术生产S31254不锈钢管材和换热管，工艺先进、合理。钢管表面质量良好，壁厚均匀，综合性能优良；采用三道次冷轧工艺，有利于钢管组织均匀性，钢管表面光洁，尺寸精度高。

（3） 钢管固溶热处理是生产的重要环节，对于挤压母管，采用高温热处理可消除前道工序产生的σ 等析出相。中间道次钢管采用1 150～1 180 ℃加热温度，保温时间5～10 min，保温后以350 ℃/min以上速度快速冷却，钢管的力学性能、金相组织和耐腐蚀性能等均能符合技术条件要求。

（4） 研究S31254 钢在制管过程中的加工特性和金相组织的变化规律，对优化生产工艺具有重要的实际意义。生产制造厂需着重产品质量的提升优化，做到全流程管理，达到高等级要求，以满足在化工、制碱、造纸和海水处理等严苛环境的使用要求。