馬氏體不銹鋼14Cr17Ni2軋材的工藝優(yōu)化

楊云志，徐詠梅，劉洪波，劉向軍

(北滿特殊鋼有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾161041)

14Cr17Ni2是馬氏體不銹鋼中強(qiáng)度與韌性匹配較好的鋼種之一，該鋼種是在Cr17型不銹鋼的基礎(chǔ)上加入1.5%～2.5%的鎳而形成鉻鎳馬氏體不銹鋼，由于鎳的加入提高了鋼的耐蝕性和塑韌性。按金相組織分類，14Cr17Ni2鋼屬于馬氏體－鐵素體型不銹鋼，其化學(xué)成分的微小波動就會導(dǎo)致鋼的組織性能產(chǎn)生較大的變化，同時(shí)鋼的熱加工難度較大，在實(shí)際熱加工變形過程中易產(chǎn)生表面裂紋等缺陷。

1 14Cr17Ni2軋制裂紋

1.1 14Cr17Ni2軋材工藝流程

電爐+AOD+LF+VD→澆注→鋼錠退火→鋼錠加熱→825軋制方坯→退火→鋼坯修磨→650軋制成材→退火→修磨→檢驗(yàn)、入庫。

1.2 14Cr17Ni2軋制開坯裂紋

電爐+LF+VD冶煉澆注3.15t鋼錠，化學(xué)成分滿足技術(shù)要求，如表1所示。退火后檢查鋼錠表面良好，未見裂紋缺陷，如圖1所示。825軋機(jī)開245mm方坯時(shí)，14Cr17Ni2鋼的塑性非常差，方坯表面出現(xiàn)較多的橫向裂紋，特別是角部裂紋非常嚴(yán)重，有個(gè)別裂紋嚴(yán)重的鋼坯已經(jīng)無清理價(jià)值，直接報(bào)廢，如圖2所示。

表1 14Cr17Ni2化學(xué)成分

2 14Cr17Ni2軋制裂紋分析

圖1 3.15t鋼錠

圖2 245mm方坯裂紋

文獻(xiàn)1表明，14Cr17Ni2鋼的塑性好壞主要與鋼中δ鐵素體含量相關(guān)，δ鐵素體含量超過20%則塑性急劇下降。而δ鐵素體含量的多少是由鋼中奧氏體形成元素和鐵素體形成元素即［Cr］當(dāng)量/［Ni］當(dāng)量決定，其組織對鋼中主要元素含量的波動極其敏感。另一方面，軋制加熱溫度對鐵素體同樣具有顯著的影響。

根據(jù)Themor Calere熱力學(xué)軟件預(yù)測14Cr17Ni2鋼的合金相及相組成(圖3、圖4)，以及Schaefier不銹鋼平衡組織圖(圖5)，對14Cr17Ni2鋼中主要元素采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算鋼的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量，可以測算出爐號“01”鋼中的δ鐵素體含量在20%～30%之間。所用的鉻鎳當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式分別為:

文獻(xiàn)2表明，當(dāng)14Cr17Ni2鋼中［Cr］當(dāng)量/［Ni］當(dāng)量＞2.5時(shí)，軋制的鋼坯表面即開始出現(xiàn)裂紋，當(dāng)超過2.65時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重裂紋。從圖3、圖4可以看出，當(dāng)加熱溫度超過1 000℃時(shí)，隨著加熱溫度的升高，14Cr17Ni2鋼中的奧氏體相數(shù)量開始下降，而δ鐵素體相數(shù)量出現(xiàn)增長趨勢，鋼中面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體塑性優(yōu)于體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體，鐵素體組織的大量存在嚴(yán)重降低了鋼的熱塑性。

圖3 14Cr17Ni2相圖

圖4 14Cr17Ni2相質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系

圖5 Schaefier不銹鋼組織狀態(tài)圖

通過經(jīng)驗(yàn)公式(1)、(2)計(jì)算，爐號“01”14Cr17Ni2鋼的［Cr］當(dāng)量=17.43;［Ni］當(dāng)量=5.945;［Cr］當(dāng)量/［Ni］當(dāng)量=2.93，鋼錠軋制開坯的加熱溫度為1 200℃。從產(chǎn)生表面裂紋的245mm方坯切取金相試樣，在德國蔡司公司Axio Imager A2m萬能材料顯微鏡下觀察，鋼中δ鐵素體相含量為24.3%(如圖6所示)。

圖6 δ鐵素體24.3%200X

為改善鋼的熱塑性，合理控制鋼中的δ鐵素體含量，避免鋼材軋制時(shí)出現(xiàn)裂紋。應(yīng)從兩方面入手:(1)對化學(xué)成分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，優(yōu)化主要元素含量，降低［Cr］當(dāng)量/［Ni］當(dāng)量，減少鋼中的δ鐵素體含量。(2)適當(dāng)降低鋼錠加熱溫度，杜絕長時(shí)間加熱，避免鋼中δ鐵素體相的增多。

3 工藝改進(jìn)試驗(yàn)

根據(jù)上述分析檢驗(yàn)，在技術(shù)條件要求范圍內(nèi)，對鋼的化學(xué)成分進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，即提高鋼中奧氏體形成元素碳、鎳、錳含量，降低鐵素體形成元素鉻、硅含量，減少鋼的［Cr］當(dāng)量/［Ni］當(dāng)量。

3.1 優(yōu)化后14Cr17Ni2鋼的熔煉成分

優(yōu)化內(nèi)控成分后，再次煉鋼。14Cr17Ni2鋼的熔煉成分如表2。由經(jīng)驗(yàn)公式(1)、(2)計(jì)算可知，爐號“02”14Cr17Ni2鋼的［Cr］當(dāng)量=16.65;［Ni］當(dāng)量=7.075;［Cr］當(dāng)量/［Ni］當(dāng)量=2.35。

表2 14Cr17Ni2化學(xué)成分

3.2 驗(yàn)證鋼錠加熱溫度對鋼中δ鐵素體含量的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證鋼錠加熱溫度對鋼中δ鐵素體含量的影響，對爐號“02”的10支鋼錠選取了1 180℃和1 250℃兩個(gè)溫度進(jìn)行加熱后軋制，其中，6支加熱溫度為1 180℃，4支鋼錠加熱溫度為1 250℃。經(jīng)825軋機(jī)軋制245mm方坯后，方坯表面均未出現(xiàn)裂紋。對兩種加熱溫度制度軋制的方坯取樣檢驗(yàn)，1 180℃加熱軋制的鋼坯中δ鐵素體含量為6.3%(如圖7)，1 250℃加熱軋制的鋼坯中δ鐵素體含量為10.3%(如圖8所示)。

圖7 δ鐵素體6.3%200X

圖8 δ鐵素體10.3%200X

3.3 確定14Cr17Ni2鋼的生產(chǎn)工藝

根據(jù)爐號“02”的試驗(yàn)情況，對14Cr17Ni2鋼的生產(chǎn)工藝進(jìn)一步優(yōu)化，設(shè)計(jì)了電爐煉鋼的內(nèi)控化學(xué)成分，進(jìn)而控制鋼中的δ鐵素體含量，如表3所示。同時(shí)，鋼錠的加熱溫度為1 170±10℃，鋼錠透燒后立即軋制，避免鋼錠在高溫下長時(shí)間加熱導(dǎo)致鋼中δ鐵素體含量增多，降低鋼的塑性而導(dǎo)致鋼材開裂。按照優(yōu)化后的工藝組織生產(chǎn)，14Cr17Ni2鋼錠在825軋制開坯及后續(xù)650連軋成材時(shí)均未出現(xiàn)裂紋。

表3 14Cr17Ni2化學(xué)成分內(nèi)控設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

(1)14Cr17Ni2鋼產(chǎn)生軋制裂紋主要因素是鋼中的δ鐵素體含量偏高，導(dǎo)致鋼的塑性變差造成。因此要改善熱加工性能，提高鋼材的表面質(zhì)量，應(yīng)盡量減少鋼中的δ鐵素體含量。當(dāng)鋼中δ鐵素體含量不超過10%，鋼的塑性良好，不易出現(xiàn)裂紋。

(2)14Cr17Ni2鋼中的δ鐵素體含量主要取決于奧氏體形成元素與鐵素體形成元素的比例，即［Cr］當(dāng)量/［Ni］當(dāng)量。在標(biāo)準(zhǔn)成分范圍內(nèi)，［Cr］當(dāng)量/［Ni］當(dāng)量越小，鋼中的δ鐵素體相含量越少。

(3)14Cr17Ni2鋼中的δ鐵素體含量與加熱制度相關(guān)，隨著加熱溫度的提高，加熱時(shí)間的延長，鋼中δ鐵素體相含量增多，并聚集長大。軋制加熱溫度不得超過1 170℃，透燒后立即軋制。

［1］宛農(nóng)，董建新.14Cr17Ni2不銹鋼平衡組織的預(yù)測及控制動力工程，2005，6.

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［3］褚衛(wèi)民.化學(xué)成分對1Cr17Ni2鋼金相組織和力學(xué)性能的影響。動力工程，2000，4.

［4］康喜范，吳玖，楊長強(qiáng)，等.不銹鋼實(shí)用手冊.