F51双相不锈钢锻造及热处理问题探究

    F51是我国依照美国标准ASTM A182/A182M—2018的要求引用的、目前在石化阀门行业最常用的高温抗腐蚀双相不锈钢，但国内对这种材料的分析

研究还比较薄弱。某大型阀门厂接到美国阀门生产订单，要求材料为F51双相不锈钢，采购苏州某特钢公司生产的钢锭，经锻造+固溶处理后，低温冲击性能不达标，且与标准要求差距较大，为此委托我所分析原因及研究整改方案，且在浙江省科协启动的“千名专家进万企”的永嘉驿站反映的七大亟待解决问题中，也有这样一个问题，于是我所组织专家进行了深入研究。

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化学成分分析

    原材料要求的化学成分及其技术标准要求见表1。

    表1中，除标准中规定的元素外，还对一些微量及少量的杂质元素进行了分析，但目前还不清楚这些元素对性能有什么影响。    试验所取的几个样品如图1所示。

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力学性能检测

   经锻造＋1050℃固溶处理后，力学性能检测结果和标准要求见表2。由表2可看出，拉伸性能符合要求，低温冲击性能与标准要求差距较大。

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金相分析

    取冲击试样进行金相分析，结果显示组织偏粗，且奥氏体以条状分布，铁素体中有较多不规则小块状奥氏体出现，条状奥氏体明显长大，奥氏体晶界已形成不规则形状，如图2所示。由此推测发生了组织过热，这种过热的可能来源有3个：一是原始锻造比不足；二是终锻温度太高；三是固溶处理温度过高。

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锻造和固溶处理

    取原始锻件进行充分锻造，始锻温度为1150℃，终锻温度为1000～1050℃，1050℃固溶处理（水冷，水温为25℃），取样进行力学性能试验，结果冲击性能仍不合格，重新将固溶处理温度提高到1080℃，保温6h水冷，冲击性能丝毫没有改善，见表3、表4。    再将两次固溶处理的冲击试样分别进行金相检测，组织明显细化，且组织非常均匀，如图3所示。只是1080℃固溶及长时间加热后，组织略有长大，相邻的奥氏体块重叠成短条状的奥氏体，如图4所示。标准规定的固溶处理温度为1025～1100℃，从两种固溶处理温度形成的组织可看出，标准规定的温度上下限和长时间处理，对金相组织的影响表现为奥氏体长大。

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扫描电镜观察和能谱分析

    取3种锻造固溶处理后的冲击试样断口进行扫描电镜观察和能谱分析。   1）断口存在大量的解理面，在解理面上有大量的规则球状物质，其直径为0.1～10μm，如图5所示。由此说明冲击性能差就是球状物质造成的。

    2）对球状物质和基体物质进行能谱分析，结果显示，球状物质和基体的成分没有太大差别，如图6、图7所示（其中C含量高是因表面附着物而造成的，与冲击试样采用低温酒精有关），因此得出的结论是，球状物质不是特殊结构的碳化物（长期试验发现的碳化物是不规则的，成分中除C元素外，还有大量的与碳的亲和力比较强的元素，如W、V、Nb、Cr等），见表5。因此，造成这种球状物质的原因，从第一个金相组织判断，过热的特征已很明显，按照自由能的原理判断，球状物质极大可能是过烧所致，于是对锻件的过烧进行证明。

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低温冲击试验

1）对钢锭直接取冲击试样进行相同的低温冲击试验，结果显示冲击性能仍很低，见表6。

2）钢锭铸态金相组织很明显地成排奥氏体条状分布，而且有较粗的方向分隔晶界，如图8所示。

３）在扫描电镜照片中，完全没有球状物质，发现零星的粒状碳化物均是不规则多边形，如图9所示。

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规范锻造

    取钢锭进行规范锻造（足够的锻造比、始锻温度为1150℃、终锻温度为1000～1100℃），冲击试验结果见表7。

    试验结果表明，在规范锻造工艺下，固溶处理后的力学性能完全满足标准要求，其冲击吸收能量远大于标准要求。合格样品金相组织如图10所示。

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结束语

1）F51双相不锈钢锻件固溶处理后冲击性能不达标的原因是锻造始锻温度过高，从而引起过烧，这种过烧现象在普通光学显微镜下不易发现，只有在高倍扫描电镜下才能发现。2）锻件的始锻温度和终锻温度要特殊控制，始锻温度可比正常的固溶处理温度略高，但要根据产品的复杂程度及锻造时间来确定始锻温度，即终锻温度不能高于固溶处理温度规定的上限值，是始锻温度的前提，终锻温度还可比固溶处理的下限再低30～50℃。3）固溶处理温度按标准规定，上限与下限基本没有问题，组织不会粗大。来源：《金属加工，热加工》 2022.12作者：浙江温州冶金机械测试研究所，尤永龙，贾刚，尤传斌

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