904L超級奧氏體不銹鋼試制開發與性能試驗
摘要：利用多功能煉鋼中頻感應熔煉爐在實驗室成功冶煉了904L超級奧氏體不銹鋼并進行了熱軋軋制試驗，對澆鑄后的鑄坯組織和夾雜物進行了分析，并對熱軋板在不同溫度下進行了固溶處理和性能檢測。結果表明，冶煉后的904L鑄坯組織均勻，以粗大長條狀柱狀晶為主，夾雜物分布較少，數量較小；在不同溫度固溶處理后性能存在一定的差異，1120℃固溶處理后組織細小、均勻。
但由于904L屬超低碳、多元素復合作用的高合金材料，冶煉過程中，C、N等不易控制，高合金難以熔煉，易于產生偏析；同時，由于大量的固溶原子會產生固溶強化作用,增大變形抗力；二次相的析出大大降低了鋼的熱加工性,使得鋼在熱加工過程中尤其厚板容易出現分層開裂或表面開裂，熱變形困難。
某中試試驗廠利用200Kg中頻感應熔煉爐成功冶煉了904L不銹鋼，并在450中試軋制試驗機上進行了模擬軋制，檢測了鑄坯低倍組織和夾雜物，對熱軋板進行了固溶實驗和性能檢測。
表1 904L冶煉試驗配料（Kg）
將表1物料加入感應爐坩堝內，進行熔化，待鋼水全部熔清，溫度達到1650℃時進入AOD精煉階段，為保證底吹風口不被堵塞，在爐料熔化過程中風口吹入一定流量的氬氣，之后進行吹氧脫碳操作，吹氧前加入石灰、螢石，并將感應爐電源功率降至較低水平，以維持鋼水溫度基本不下降；同時精煉過程中做好鋼水溫度控制，吹氧脫碳期溫度1650-1700℃，還原期溫度1600-1650℃。實際生產過程中吹氧脫碳溫度在1654-1677℃，還原溫度在1619-1675℃，開澆溫度1574℃。
表2為冶煉后鑄坯最終成份，從冶煉后成分可計算出，鉻當量Creq=%Cr+%Mo+1.5%Si+0.5%Nb=25.6，鎳當量Nieq=%Ni+30%（C+N）+0.5%Mn=27.0，Creq/Nieq=0.95，冶煉達到目標成份要求。根據奧氏體不銹鋼凝固模式，結合Creq=25.8%時的Fe-Cr-Ni合金相圖（圖1），在此成份下其凝固模式應屬于典型的A凝固模式：L—L+γ—γ，鑄坯質量較好。對澆鑄后的鑄坯切樣，鑄坯內部未發現縮孔、夾雜、微裂紋等缺陷，和理論結果一致。
表2 904L冶煉后化學成份（質量分數，%）
圖1 25.8%Cr時的Fe-Ni-Cr相圖
1.2 軋制試驗
軋制試驗在450中試軋制試驗機上進行，試驗坯尺寸為45mm×110mm×175mm，要求試驗坯入爐溫度850℃，然后加熱至1260℃后保溫1h，開軋溫度≥1080℃，終軋溫度≥850℃，采用11道次軋制，總壓下率93%，最大道次壓下率34%。實際軋制過程中軋制力及軋制溫度如圖2所示，從圖中可看出，軋制過程中4-6道次軋制力最大，約為1300-1400KN，開軋溫度1160℃，終軋溫度710℃，未能滿足不低于850℃終軋溫度要求；軋制后，鋼板邊部除有輕微裂紋外，其余表面質量良好，在第二次試驗軋制過程中，進一步優化了軋制工藝，減少了軋制道次，提高了軋制速度，軋制后鋼板邊部裂紋較第一次有了一定的減少。通過此兩次軋制實驗總結可知，在后續軋制試驗過程中可進一步減少軋制道次，提高道次壓下率，減小軋制過程中溫降，提高終軋溫度。
圖2 904L軋制力、軋制溫度與軋制道次關系（a 軋制力 b 軋制溫度）
2.1 鑄坯低倍組織及夾雜物
將904L鑄坯沿厚度方向剖開、打磨、拋光，然后采用鹽酸溶液侵蝕拋光面，觀察板坯的低倍組織，如圖3所示。從圖中可以看出，鑄坯柱狀晶區發達、粗大，呈現出具有同一方向性的連續柱狀枝晶結構，比例大約有90%以上，占比較大，而表面的細晶區和心部的等軸晶區較少，范圍較窄；對鑄坯取樣成分分析基本同表2所示，證實成分分布均勻，未發現偏析現象。圖4為鑄坯中的夾雜物數量及分布，夾雜物尺寸較小、基本在5-10μm，且數量較少。
圖3 904L鑄態低倍組織 圖4 904L鑄坯中夾雜物分布
2.2 鋼板固溶處理實驗結果
對熱軋后鋼板在1060℃、1090℃、1120℃、1150℃等不同溫度下保溫30min進行固溶處理，固溶處理后的性能試驗結果如圖5所示。從圖中看出，隨著固溶處理溫度的變化，904L性能發生一定變化，屈服強度和抗拉強度呈現一定的下降，但變化不是很明顯，延伸率呈現一定的上升，硬度呈現先下降后上升趨勢，但均滿足GB/T4237-2012標準之相關規定，綜合試驗性能來看，在1150℃退火后表現出綜合的力學性能。
圖5 904L熱軋板不同溫度下的性能（a，強度；b,延伸率；c，HV）
2.3 顯微組織
圖6為1120℃固溶處理后904L板的顯微組織，從圖可知，經固溶處理后晶界處的高溫析出相已基本溶解固溶于奧氏體基體中，組織基本全為等軸晶的單一奧氏體組織，有少量孿晶組織出現，但未出現明顯的條帶狀及第二相組織，晶粒均勻，晶粒尺寸在40-50μm之間，晶粒度為5-6級。
圖6 904L熱軋態固溶處理后顯微組織（a，邊部；b，心部）
2）904L鑄坯組織均勻，以粗大長條狀柱狀晶為主，夾雜物分布較少，數量較小；不同溫度固溶處理后性能存在一定的差異，1120℃固溶處理后組織基本全為等軸晶的奧氏體組織，平均晶粒尺寸為40-50μm，晶粒細小、均勻，未出現條帶狀組織。
3）904L合金元素Cr、Mo、N含量高，熱加工過程中變形抗力大，合理控制開軋和終軋溫度，能較好預防和減少軋制后鋼板開裂。
（作者：酒鋼宏興研究院李玉峰等，不銹鋼分會編輯）
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