0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管退火溫度及性能影響

OCr21Ni6Mn9N鋼是一種氮強化鉻鎳錳系奧氏體不銹鋼,其奧氏體組織穩定,具有優良的耐腐蝕性和焊接性,及很強的加工硬化特性。其強度可通過調整鋼中氮含量來控制,也可通過形變強化進一步提高[1-6]

0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管在國外應用相當成熟,如波音747、波音777、DC-10和L-1011等飛機上的液壓系統導管均采用該不銹鋼制造[7。該鋼在航空領域常以冷加工狀態使用,其抗拉強度可達980~1 120 MPa,屈服強度大于830 MPa,比傳統的飛機用1Cr18Ni9系不銹鋼管的強度高很多。因此,在相同的強度下,可減小管壁厚度,達到減重的目的。

0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管通常采用多次冷拔(軋)加工成型,為消除加工硬化,便于進一步加工成型,在冷拔(軋)工序之間需進行退火熱處理,而退火處理對材料的組織和性能有著決定性影響,但國內對此方面的研究卻較少報道。為此,作者研究了退火熱處理溫度對冷拔0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管顯微組織與拉伸性能的影響。

試樣制備與試驗方法

試驗選用冷拔態0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管,化學成分見表1。1#～3*鋼管的外徑和壁厚分別為14 mm×0. 7 mm, $12 mm×0.6 mm, p9.53mm×0.51 mm。

對試驗鋼管進行退火處理,即在箱式馬弗爐加熱至不同溫度,保溫1h或8h后空冷,具體熱處理工藝見表2。從熱處理后鋼管上取長度為200 mm的拉伸試樣,按照GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》在Instron 5887型電子萬能材料試驗機上測拉伸性能,結果取3個試樣的平均值。金相試樣從熱處理后2"鋼管上切取,長度約為15 mm,采用鑲樣機鑲樣,對其橫截面進行磨制、機械拋光,電解腐蝕(電解液為體積分數40%的硝酸水溶液),然后在Leica DMIM型光學顯微鏡下觀察顯微組織。采用掃描電鏡(SEM)觀察析出物的形貌,并用附帶的EDS分析其成分。

退火濕度對顯微組織的影響

由圖1可以看出,未退火的冷拔態鋼管晶粒為大小均勻且沿徑向拉長的等軸晶;在600 ℃及以下溫度熱處理后,晶粒尺寸和形狀變化不大;當熱處理溫度為650 ℃時,部分等軸晶內形成了孿晶,且隨溫度的升高,孿晶數量增加,尺寸增大,晶界也變得相對模糊。這是因為奧氏體鋼層錯能較低,當退火溫度一定時,容易形成退火孿晶,隨溫度增高,孿晶密度增加。

由圖2可見,3#鋼管經700℃×1 h退火后,晶界上存在少量粒狀的白色析出物,由EDS分析可初步判斷該析出物為富鉻的碳化物(Cr C)。這是因為OCr21Ni6Mn9N奧氏體不銹鋼敏化溫度區間在540～870 ℃之間,當在此溫度區間加熱時會析出碳化物(Cr2sC)。當碳化物在晶界析出時,會造成其周圍局部區域形成貧鉻區(低于11.7%)。貧鉻區為微陽極,而碳化物(Cr2aC)及晶內區域為微陰極，微陽極和微陰極處于電解質溶液中時,發生了電化學腐蝕(晶間腐蝕),因此,組織中晶界模糊。

退火溫度對拉伸性能的影響

為便于比較分析,將未進行退火試樣的退火溫度設定為25 ℃。從圖3中可以看出,不同規格尺寸的鋼管的室溫拉伸性能與退火溫度的關系基本相同。1及鋼管經200℃退火后的抗拉強度和屈服強度比退火前的都有所提高,伸長率略有下降;退火溫度在200～550℃之間時,其抗拉強度、屈服強度和伸長率相對穩定,都沒有太大的變化;當退火溫度高于550℃時,其抗拉強度和屈服強度都開始明顯下降,伸長率則明顯提高。2*鋼管經600 ℃以下溫度退火后,其抗拉強度、屈服強度和伸長率與退火前的相比都沒有明顯變化;當溫度高于600℃后,隨溫度提高,抗拉強度和屈服強度明顯下降,伸長率則明顯提高。3"鋼管經200℃退火后的抗拉強度比退火前的有所提高,屈服強度明顯提高,伸長率變化不大;退火溫度在200～550℃之間,抗拉強度和屈服強度都沒有大的變化,伸長率略微提高;當退火溫度升高至550 ℃時,抗拉強度和屈服強度都開始下降，伸長率相應提高。

0Cr21Ni6Mn9N奧氏體不銹鋼在冷變形加工成型過程中,會發生加工硬化,材料內部出現各種缺陷以及殘余應力,而且存在很高的變形畸變能。退火時,有三個因素的作用會影響鋼的強度和塑性。第一,退火時加工硬化形成的變形畸變能通過點、線缺陷的運動有所釋放,如空位遷移至晶界、位錯或與間隙原子結合而消失,同時位錯被激活,處于同一滑移面上的異號位錯可能互相吸引而會聚并抵消,使位錯密度下降,減弱加工硬化效果,使強度下降,塑性提高;第二,0Cr21Ni6Mn9N奧氏體不銹鋼中含有較多的氮元素,退火處理時,金屬氮化物會自奧氏體組織中彌散析出,使強度提高,塑性下降;第三,退火時0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼中的殘余內應力會顯著下降,有助于強度提高,但塑性下降。當退火溫度較低時,第二、第三因素的疊加作用等同或略大于第一因素的,使得材料強度變化不大或有所提高,而塑性變化不大或略有下降。當退火溫度較高時,第一影響因素占主導作用,此時,除點、線缺陷的運動外，面缺陷也開始運動,如晶粒內某一晶面發生層錯而形成孿晶,如圖1所示,變形畸變能可大部分或*釋放,使得加工硬化效應大部分或*消除,導致材料性能發生顯著變化,如強度下降,塑性升高。另外由于晶界上析出了碳化物(Cr23C),如圖2所示,使晶界強度下降,同時使奧氏體組織內碳含量和合金元素的含量下降,降低了合金強化的作用,也會使材料強度下降,塑性提高。

結論

(1) OCr21Ni6Mn9N冷拔奧氏體不銹鋼鋼管經600 ℃以上溫度退火后,在晶界上明顯析出了碳化物(Cr2aC),晶粒內有退火孿晶形成,隨溫度升高，孿晶密度增加。

(2)0Cr21Ni6Mn9N冷拔奧氏體不銹鋼鋼管經200～550℃退火后,強度稍有提高,塑性略有下降;當退火溫度高于600℃時,強度明顯下降,塑性則明顯提高。