固溶处理对高铝310S耐热不锈钢组织和性能的影响

 浙江至德钢业有限公司对铝含量为2%和4%(质量分数)的热轧态310S耐热不锈钢进行不同条件下的固溶处理，用光学显微镜观察了显微组织，用EPMA-1600电子探针分析了组织中各元素分布，并进行了室温拉伸性能测试。结果表明，高铝310S耐热不锈钢在1150℃固溶处理时，随着时间延长晶粒尺寸明显增大，Cr7C3颗粒和Al4C3颗粒含量均大幅度减少，残余的Cr7C3颗粒逐渐聚集长大，并和Al4C3颗粒一起沿晶界呈链条状析出;经1200℃×2小时固溶处理，Cr7C3颗粒完全消失，而Al4C3相少量残余。高铝310S耐热不锈钢合理的固溶处理工艺为:1200℃保温2小时，然后水淬处理，经此工艺处理的试样抗拉强度和屈服强度均高于传统工艺(1150℃×30分钟)。

 奥氏体耐热不锈钢310S因镍(Ni)、铬(Cr)含量高在氧化介质中具有优良的耐蚀性，同时具有良好的高温力学性能，因此它既可用于耐蚀部件又可用于高温部件。常用作炉门、加热炉辊筒、锅炉热分解管道、蒸汽过热器、热交换器、退火箱等。Fe-Cr-Ni合金中加Al、Ti、Nb、Ta等元素，生成的长程有序的金属间化合物提高合金的高温性能，在镍基高温合金中已得到了大量应用。Al与Fe、Ni发生反应可形成一些性能优良的有序金属间化合物，使合金获得更高的蠕变抗性，具有更高的高温强度。

 至德钢业前期研究了铝含量对铸态310S奥氏体耐热不锈钢的组织、力学性能、焊接性能以及高温抗氧化性的影响，发现铝元素的加入使合金表面形成一层致密的三氧化二铝保护膜，高温抗氧化性得到了较大幅度的提升。当铝含量小于6%时合金基体仍然为奥氏体，其力学性能没有明显降低。铝含量大于6%时基体中出现大量铁素体同时合金转变为脆性材料。在此基础上又研究了含铝为2%～6%的热轧态钢板的组织和性能，结果表明310S热轧板材中铝以Al4C3相的形式出现富集，且铝含量越高富集现象越严重，合金综合力学性能明显高于国家标准对310S耐热不锈钢板的要求。

 目前热轧态的310S耐热不锈钢大都经过固溶处理后使用，其目的是: 

   ①. 使热轧过程中析出的碳化物在高温下固溶于奥氏体中以减少晶内贫铬，提高高温耐腐蚀性能。同时将热轧加工产生的少量σ相固溶于奥氏体基体，以避免性能恶化。

   ②. 通过急冷，使固溶了碳的奥氏体保持到室温，减少钢中铁素体的含量。

   ③. 通过固溶参数的调整，对钢的晶粒度进行控制，使钢的组织得到软化，对整个板材的质量有着相当重要的意义。

  浙江至德钢业有限公司本次主要对固溶处理后的热轧高铝310S耐热不锈钢的组织和力学性能进行研究，探索固溶处理工艺对组织和力学性能的影响，为通过固溶处理调控高铝310S耐热不锈钢板材的性能提供理论依据。

一、试验材料与方法

  按表试验合金设计的成分称取Fe、Cr、Ni、Al、Mn、Si、C粉末。放入QM-BP行星式球磨机中混合均匀，球磨机转速为150r/min，用三氧化二铝陶瓷球作为球磨介质，混合8h。把混合后的粉末在钢模中压成20mm×50mm圆柱，在氩气保护下将压成的圆柱在WS-4非自耗真空电弧熔炼炉中熔炼，熔炼电流为250A。熔体在水冷铜坩锅中保温2分钟后关闭电弧，在铜模中凝固，为了保证组织的致密和均匀，每种成分的合金重熔4～6次。将熔炼好的合金打磨掉表面缺陷和氧化皮并在压力机下进行热压开坯，热压温度为1200℃，保温时间30～40分钟，热压压力60～80MPa，道次8～10次，热压总变形量约为60%。把热压后的试样加工成30mm×30mm×4mm的轧制试样，采用微型手动轧机进行轧制;试样轧制温度为1200℃，保温时间5分钟，轧制道次16～20道次，轧制总变形量约为40%，得到厚度为3mm的板材试样。为消除试样在变形和加工时的内应力，各成分合金轧制结束后在400℃下保温2小时进行去应力退火，并将该状态的合金分别编号为1-0，2-0。合金在箱式电阻炉中进行固溶处理，不同固溶处理参数如表所示，冷却方式为水冷。

  将不同参数固溶处理后的合金试样用水砂纸打磨、机械抛光后用FeCl3+盐酸+蒸馏水腐蚀液侵蚀，在Mef3光学显微镜下观察试样的显微组织，利用EPMA-1600电子探针对合金中各元素的分布进行分析。根据国家标准GB/T228－2002《金属材料室温拉伸试验》的技术要求，将固溶后的板材加工成拉伸试样。拉伸试样的尺寸如图1所示，其中标距为10mm，厚度1mm。拉伸实验在微机控制电子式万能材料试验机上进行，最大载荷10t，拉伸速率为0.1mm/min。为保证实验结果的准确性，不同成分分别加工3个拉伸试样，测试结果取平均值。根据每种合金的载荷-位移数据，计算应力σ和其对应的变形量ΔL，再根据ΔL计算出应变ε，绘制工程应力-应变曲线。根据应力-应变曲线，确定各成分合金的屈服强度σ0.2，抗拉强度σb。

二、结果

1. 显微组织

  图为No.1合金(310S+Al2%)固溶处理前热轧态的显微组织图，基体主要由γ基体+白色颗粒状Cr7C3+黑色大颗粒状Al4C3+黑色小颗粒状(Fe，Ni)Al金属间化合物组成。图为No.1合金在1150℃固溶处理30min和6h组织，结合图中合金元素的分布可知，晶粒尺寸随固溶处理时间的增加而增加。颗粒状Cr7C3数量逐渐减少，残留的Cr7C3逐渐长大、聚集并最终在晶界处以链状形式存在。经1150℃固溶处理30分钟后，黑色Al4C3的数量和分布状态并未发生实质性改变。当固溶处理时间增加到6小时后，Al4C3仍以颗粒状的形式存在，但其数量明显减少，沿晶界分布。Cr7C3颗粒数量也减少，但未完全消失，尺寸在20μm左右，明显小于未加铝的310S。

  图为No.2合金(310S+Al4%)固溶处理前热轧态的光学显微组织图，与No.1合金的基体组织一致，区别在于No.2合金中的Al4C3数量明显多于No.1合金，这是由于No.2合金中的Al含量较高所致。图分别为No.2合金在1150℃固溶处理30分钟和6小时的组织，对比可知随固溶处理时间的增加，晶粒尺寸逐渐增加，颗粒状Cr7C3数量逐渐减少直至消失，残留的Cr7C3长大至100μm左右，聚集并最终以沿晶界析出的链状形式存在。Al4C3颗粒随固溶处理时间的变化趋势与No.1合金基本一致。

  比较No.1和No.2合金可知，固溶处理相同时间，2号合金中Cr7C3相的粗化速度明显大于No.1合金。图为No.1合金1200℃固溶处理2小时后EPMA的BEI组织和对应的元素分布图。结合图可知，经过1200℃×2小时的固溶处理后，颗粒状Cr7C3完全消失，Al4C3的含量显著减少。固溶处理效果明显优于1150℃×6小时的固溶处理。这一结果表明，传统的310S耐热不锈钢固溶处理工艺对高铝310S耐热不锈钢板材并不适合，合适的固溶处理温度应为1200℃，固溶处理时间视试样的大小和合金的具体化学成分而定。

 2. 室温拉伸性能测试

 图为不同铝含量310S耐热不锈钢板材经1150℃×30分钟与1200℃×2小时固溶处理前后的工程应力-应变曲线。根据应力-应变曲线确定出No.1和No.2合金固溶处理前后的力学性能参数。由表可知，经1150℃×30分钟固溶，No.1合金固溶后抗拉强度为530MPa，比固溶前降低了15.8%;屈服强度由固溶前的326MPa降低到242MPa;伸长率提升显著，由固溶前44%提升至59.5%，提升幅度35.2%。No.2合金固溶后抗拉强度略有提高，由固溶前的533MPa升高到546MPa，提高幅度在试验误差范围以内，可忽略不计;固溶后屈服强度降低了32MPa，约为10.3%;固溶后伸长率为41%，提高了28.1%。经1200℃×2h固溶处理后，No.1合金固溶后的抗拉强度与屈服强度较固溶前均有小幅降低，伸长率基本保持不变。No.2合金固溶后，抗拉强度提高为591MPa，提升幅度10.9%;屈服强度与伸长率较固溶前变化不大。

 总体来说，合金经1150℃×30分钟与1200℃×2小时固溶处理后，其性能均高于《世界钢合金技术条件与牌号对照手册》中对310S热轧板材的要求。其中经后者工艺处理后的试样抗拉强度和屈服强度均高于前者，而伸长率略有下降。铝含量由2%增加到4%时，固溶合金强度随铝含量增加有升高趋势，而伸长率有所降低。

 3. 分析讨论

 钢中加入铝元素既能降低碳的扩散速度，使碳化物由团聚状向断续的链条状转变，又使部分C原子以Al4C3的形式存在;随铝含量增加，作用更明显，残留Al4C3的数量增多，Cr7C3数量减少。铝是铁素体形成元素，加铝使合金的完全奥氏体化困难，因此，铝含量越高，合金奥氏体化所需的时间延长，碳化物长大越明显，所需的固溶处理时间越长。不同铝含量310S耐热不锈钢经1150℃固溶处理30分钟后，Cr7C3颗粒含量降低，而Al4C3含量变化不明显，可见，高温下Al4C3比Cr7C3具有更高化学稳定性;而固溶时间增至6小时后，颗粒状碳化物均大幅减少，仅少量残余Cr7C3与Al4C3颗粒一起沿晶界呈链条状析出。

 一般来说，固溶处理时合金组元溶入金属基体，使晶格发生畸变，增加位错密度，产生“柯氏气团”，位错要发生滑移，必须克服气团的钉扎作用，增大所需的切应力;且合金组元的原子和位错之间还会产生电交互作用，合金强度得到提升。然而高铝310S耐热不锈钢板材经1150℃固溶处理30分钟后，合金强度降低。这是因为固溶处理后，基体内固溶的合金元素增加的同时，颗粒状碳化物(Cr7C3和Al4C3)的数量减少，固溶强化的效果没有颗粒相强化的效果显著，导致了合金固溶处理后强度的降低。而且由Hall-Patch公式，晶粒越细，枝晶间距越小，屈服强度越高;而晶粒尺寸随固溶温度提高而增大，所以固溶后合金的屈服强度降低。由于大变形量后晶粒内部有非常高的畸变能，固溶处理后，钢中碳化物大量溶于奥氏体基体中，这时弥散的碳化物对位错的钉扎作用有限，而这些畸变能在1150℃保温时迅速释放，破环了稳定位错亚结构，使得加工硬化程度迅速降低。随钢中碳化物溶入基体，钢中塑性极佳的单相奥氏体组织所占比重越来越大，从而提高了310S耐热不锈钢的塑性。

 310S耐热不锈钢板材根据其不同的服役环境需选择合适的固溶处理工艺，以使Cr7C3完全溶于基体，减少晶内的贫铬，使其具有更高的耐蚀性。310S耐热不锈钢板材中铬含量为25%，远高于耐腐蚀材料所需的最低铬含量(13%);并且加入铝后，基体内形成部分Al4C3颗粒，减少了形成Cr7C3颗粒可支配的碳原子，晶内贫铬现象得到较好的抑制。此外，高铝310S耐热不锈钢在高温条件下服役时，材料表面会形成稳定的能显著提高材料高温耐腐蚀能力的三氧化二铝钝化膜。相比之下固溶处理前的高铝310S耐热不锈钢板材具有更高的力学性能，因此，除非服役环境对合金具有更高的耐腐蚀性要求，高铝310S耐热不锈钢一般不需要进行固溶处理。如有必要，推荐固溶处理温度为1200℃，固溶处理时间视合金的具体成分和试样的大小而定。

三、结论

 1. 高铝310S耐热不锈钢经1150℃×30分钟固溶处理后，颗粒状Cr7C3的含量显著减少，Al4C3含量基本不变;经1150℃×6小时固溶处理后，晶粒尺寸明显增大，Al4C3颗粒的含量大幅减少，大部分颗粒状Cr7C3消失，残余的Cr7C3逐渐聚集长大，最终和Al4C3一起沿晶界呈链条状析出;经1200℃×2小时固溶处理后，Cr7C3颗粒完全溶入奥氏体基体，Al4C3颗粒含量大幅减少;

 2. 高铝310S耐热不锈钢合理的固溶处理工艺为:1200℃保温2小时，然后水淬处理。经此工艺处理的试样抗拉强度和屈服强度均高于传统工艺(1150℃×30分钟值，伸长率略有下降。铝含量由2%增加到4%时，固溶合金强度随铝含量的增加有升高趋势，而伸长率有所降低。