多元合金化双相铸造不锈钢Cr22Ni5Mo4Cu3

多元合金化双相铸造不锈钢Cr22Ni5Mo4Cu3.5的组织与性能秦紫瑞郭宁郭珊潘国强摘要试验结果表明，所研制的Cr22Ni5Mo4Cu3.5钢，经1050℃×2h水冷固溶处理后，具有良好的耐均匀腐蚀性能，较好的抗晶间腐蚀与抗点蚀能力。此外，新型钢还具有良好的综合力学性能和工艺性能。关键词双相铸造不锈钢StructureandPropertiesofMulticomponentDuplex-PhaseCastStainlessSteelCr22Ni5Mo4Cu3.5QinZiruiandGuoNing(DalianUniversityofTechnology,Dalian116023)GuoShanandPanGuoqiang(DalianAcidProfPumpWorks)AbstractTheexperimentalresultsshowthatthedevelopedsteelCr22Ni5Mo4Cu3.5solidsolutiontreatedat1050°Cfor2h,watercooled,hasexcellentuniformcorrosionresistance,andbetterintergranularandpittingcorrosionresistance.Thenewsteelhassatisfiedsyntheticmechanicalpropertiesandshopprocessingcharacteristic.MaterialIndexDualPhase,Cast,StainlessSteel新型钢Cr22Ni5Mo4Cu3.5是由α和γ两相组成的双相铸造不锈钢，它兼有奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢的优点，又可弥补两者各自的不足，而成本又较低，具有广阔的应用前景。新型铸造不锈钢的显微组织设计为在铁素体(α)基体上使其分布有适量的奥氏体(γ)，根据性能的要求，调整其α与γ的组成比。这种双相不锈钢兼有铁素体钢和奥氏体钢的双重特性，奥氏体的存在，提高了钢的塑韧性与可焊性；铁素体基体使钢具有较高的强度和良好的抗局部腐蚀(即晶间腐蚀、点蚀与缝隙腐蚀)能力。并且，双相铸造不锈钢的成本较低［1］。1钢的冶炼及热处理1.1钢的冶炼新型Cr22Ni5Mo4Cu3.5钢在150kg的中频感应电炉中采用非氧化法冶炼。所用金属炉料为本厂自制的工业纯铁，金属铬、金属钼、电解镍、电解铜、金属锰、75%硅铁等，脱氧剂采用Al粉和SiCa粉的混合剂。由于试验钢中含有较高的Cr、Ni、Mo、Cu等合金元素，为保证钢水质量，在冶炼过程中采取了先后不同的加料次序，大功率冶炼，熔渣保护及脱氧等一系列措施，从而获得了高的冶炼质量，新型钢Cr22Ni5Mo4Cu3.5和对比钢号的化学成分见表1。表1试验钢的化学成分/%Table1Chemicalcompositionsofsteelstested/%钢号CSiMnP、SCrNiMoCuFeCr22Ni5Mo4Cu3.50.020.680.450.0222.065.343.693.50余量C150.042.030.750.0319.9112.4610.083.01余量316L0.030.720.780.0319.8212.652.19-余量304L0.030.840.860.0318.348.34--余量注：C15钢为上海材料研究所等单位研制的耐点蚀性能优良的钢种。各种试验钢均浇注了Φ35mm×150mm和15mm×15mm×150mm耐蚀性试棒和基尔试块并测试了其铸造性能。1.2钢的热处理为了保证新型不锈钢具有良好的耐蚀性，其热处理均采用固溶处理，使其碳化物和金属间相能最大限度地固溶于基体中，为此，除C15钢采用1100℃×2h水冷处理外，其余3种钢均采用1050℃×2h水冷固溶处理。此外，晶间腐蚀用试块是在固溶处理后又进行了650℃×2h空冷敏化处理，使其在此温度下钢中的碳化物和金属间相充分析出，以保证其试验结果用于实际生产中的可靠性。试验钢的热处理均是在箱式自动控温的电炉中进行。2新型钢的试验2.1均匀腐蚀试验采用分析纯试剂及去离子水配制的试验介质为“10%NaClO+4%NaCl”，腐蚀率采用全浸试验失重法测得，采用恒温水浴控制试验温度为45±1℃，浸泡时间为48h。试验结果为3个试样的平均值。2.2晶间腐蚀试验试样尺寸为10mm×10mm×5mm，在其一面焊上导线，对面留出1cm2试验表面，其余部分均用聚苯乙烯镶嵌，将试验表面细磨并抛光，用丙酮脱脂，以试样为阳极，铂板为阴极，接通电路后，将其放入盛有10%草酸溶液的容器内，按试样1A/cm2的电流密度，通电时间均为90s。然后取出试样冲净并吹干，在金相显微镜下观察并拍摄试样的浸蚀部位，以评定试验钢的晶间腐蚀倾向。2.3点蚀试验点蚀试验采用“不锈钢三氯化铁腐蚀方法”，试验介质为10%FeCl3+HCl溶液(100gFeCl3+900ml0.05molHCl配制)，试验温度35℃，试验时间为24h，采用失重法计算试验钢点腐蚀率，其结果为3个试样的平均值。2.4工艺性能试验新型钢Cr22Ni5Mo4Cu3.5采用同心三螺旋线装置测定钢液的流动性。该法特点是保证3条螺旋线在相同成分、同一浇注温度和相同铸型条件下测试。其结果为3条螺旋线流动长度的平均值。采用双试棒热裂—线收缩仪测定新型钢的抗热裂性能与线收缩率。以热裂力和热裂温度来判别试验钢的热裂倾向。以试棒冷凝至室温的绝对收缩值与试棒原长的比值百分率确定试验钢线收缩率的大小。将试验钢加工成试片，采用同材质的焊条，不经预热，在氩气保护条件下进行焊接，并将焊接的试片进行拉断试验。3试验结果及分析3.1金相组织观察与分析由图1可见，新型铸造双相不锈钢的铸态组织粗大，两相分布不均匀，而且形态不规则。该钢经1050℃×2h水冷固溶处理后，粗大的铸态组织明显细化与均匀化。X射线衍射结果表明，两相组织为α+γ组成，即在α基体上分布一定量的γ相。经固溶处理后的钢，γ相有减少的趋向。对比钢号均为奥氏体不锈钢，基体上存在有不等量的碳化物与δ铁素体相。图1新型钢Cr22Ni5Mo4Cu3.5的金相组织×400，(a)铸态；(b)固溶Fig.1MicrostructureofnewsteelCr22Ni5Mo4Cu3.5,×400.a-Casting;b-Solidsolutiontreated电子探针测定新型钢中的α相和γ相的化学成分见表2。表2电子探针测定的新型钢Cr22Ni5Mo4Cu3.5的相成分/%Table2PhasecompositionsofnewCr22Ni5Mo4Cu3.5steelanalyzedbyelectronmicroprobeanalyzer/%名称CrNiMoCuFeα相29.203.056.751.2558.75γ相18.858.902.084.6863.49由表2可见，各种合金元素在固溶化处理的新型钢的两相中的分布是不同的。铁素体形成元素Cr、Mo在α相中富集，而奥氏体形成元素Ni、Cu在γ相中富集。3.2均匀腐蚀试验钢的均匀腐蚀试验结果见表3。表3试验钢的均匀腐蚀Table3Uniformcorrosionrateofsteelstested钢号腐蚀速度/g.m-2.h-1等级Cr22Ni5Mo4Cu3.50.06691C150.05201316L0.30142304L0.82382注：腐蚀介质10%NaClO+4%NaCl，温度45℃由表3可以看出，研制的新型铸造双相不锈钢具有与性能优良的C15钢相当的耐均匀腐蚀性能，而对比材料316L好于304L，但二者的腐蚀速度明显大于新型钢。这是由于新型钢中含有较高的Cr和Mo，较低的C，钝化能力强，在钢的表面可形成含有Cr、Mo的氧化物薄膜，均匀而致密，具有良好的保护作用，致使钢的腐蚀速度较小，而且Ni、Cu元素富集于膜的底部，更进一步提高了膜的稳定性。C15钢与新型双相不锈钢相比较而言，虽然Cr低但Mo高，所以也具有优良的耐蚀性，但由于Ni、Mo均较昂贵，所以C15钢的成本明显高于新型钢。3.3晶间腐蚀试验钢的晶间腐蚀照片见图2。由图2可见，试验钢抗晶间腐蚀能力从强到弱的次序为：新型双相不锈钢→C15钢→316L→304L。这是由于新型钢含有很低的C和较高的Cr，不会形成低于Taman限的贫Cr区，同时由于双相钢的特点，除晶界外还有许多相界，这样更不能形成网状碳化物沿晶界分布的趋势，而且沉淀量少而分布分散。此外，双相钢晶粒细化也是一个有益的因素。图2试验钢的晶间腐蚀形貌×250a-Cr22Ni5Mo4Cu3.5;b-C15;c-316L;d-304LFig.2Intergranularcorrosionmorphologyofsteelstested,×250a-NewsteelCr22Ni5Mo4Cu3.5;b-steelC15;c-316L;d-304L3.4点蚀试验钢的点蚀试验结果见表4。对所试验的钢种，新型钢的抗点腐蚀性能最好，其次是C15钢，与新型钢相差无几；316L明显好于304L，但后两种钢与前两种钢的点腐蚀率相差幅度较大。新型钢的点蚀坑小而少，316L钢的点蚀坑大而深，且数量也较多。新型钢的点蚀坑多出现在γ相和两相的交界处，这是因为α相中富集抗点蚀元素Cr、Mo,所以在Cr、Mo含量低的γ相和γ-α相界处发生选择性腐蚀而形成点蚀源［3］，点蚀孔产生后，沿γ相发展，优先腐蚀γ相。而对于C15钢、316L或304L奥氏体不锈钢来讲，点蚀多发生在晶界、夹杂或含抗点蚀元素较低的析出相附近的贫Cr、Mo区域中，点蚀一旦出现并迅速发展而形成较大的浸蚀坑，有些坑底还存留有许多腐蚀产物。表4试验钢的点蚀结果Table4Pittingcorrosionrateofsteelstested钢号试验介质温度/℃时间/h点蚀率/g.m-2.h-1Cr22Ni5Mo4Cu3.510%FeCl3+HCl35240.463C1510%FeCl3+HCl35240.488316L10%FeCl3+HCl35241.304304L10%FeCl3+HCl35242.0013.5力学性能试验钢的力学性能试验结果见表5。表5试验钢的力学性能Table5Mechanicalpropertiesofsteelstested钢号σb/MPaδ/%ψ/%aK/J.cm-2HBCr22Ni5Mo4Cu3.575042.544.080.5210C1562036.035.578.0185316L51035.432.875.2130304L46536.834.672.4128由表5可见，新型钢具有较高的强度和良好的塑韧性以及适宜的硬度，完全可满足制造泵、阀门、管道和各种设备等多种产品的要求。3.6工艺性能新型钢Cr22Ni5Mo4Cu3.5经多次在中频感应电炉和电弧炉中的冶炼试验表明，其冶炼工艺容易掌握，可采用常规铬镍不锈钢的冶炼工艺。试验钢的铸造性能测试结果见表6。表6试验钢的铸造性能Table6Castingpropertiesofsteelstested钢号浇注温度/℃热裂力/N热裂温度/℃线收缩率/%流动性/mmCr22Ni5Mo4Cu3.5150069512501.801400C15150061013101.821305316L150057512901.841220304L150055012601.851210由表6可见，新型钢具有热裂温度低和热裂力较大等特点，表明其热裂倾向小，线收缩率较小和较好的流动性，说明该钢具有良好的铸造性能。此外，新型钢经焊接性能试验结果表明，断裂发生在母材部分，而焊缝和热影响区仍旧完好，未观察到有明显裂纹和微裂纹出现。4结论(1)新型双相不锈钢的铸态组织为在铁素体(α)的基体上分布有一定量的奥氏体(γ)。该钢经1050℃×2h水冷固溶处理后，其组织明显细化与均匀化，奥氏体(γ)相有减少的趋向。(2)新型钢Cr22Ni5Mo4Cu3.5在10%NaClO+4%NaCl复合介质中，45℃温度下，具有优良的耐均匀腐蚀