高強度奧氏體不銹鋼鋼帶特性分析與研究

楊海波*

（上海瑞柏造粒機有限公司）

0 引言

目前造粒機中大多采用高強度奧氏體不銹鋼鋼帶，這類鋼帶用作輸送帶時具有以下優點：（1）高強度；（2）高硬度；（3）抗腐蝕；（4）耐磨性；（5）較好韌性；（6）抗疲勞。

1 高強度奧氏體不銹鋼鋼帶成分分析

石油化工領域造粒廣泛采用的輸送帶有2 種：瑞典山特維克公司1200SA 奧氏體不銹鋼鋼帶和奧地利百德福公司的Nicro12.1 奧氏體不銹鋼鋼帶。盡管這兩家公司還研制出了碳鋼鋼帶、低碳及超低碳馬氏體鋼帶，但在化工行業中，高強度奧氏體鋼帶應用更廣泛。表1 是高強度奧氏體不銹鋼鋼帶的化學成分（質量分數）。

表1 高強度奧氏體不銹鋼鋼帶成分（質量分數） %

奧氏體不銹鋼具有優異的抗腐蝕性和較好的韌性，適合應于冷卻輸送腐蝕性的物料；其缺點是力學性能較差，抗拉強度較低，熱傳導性差，熱膨脹系數大。單一的奧氏體不銹鋼鋼帶無法作為冷卻輸送帶使用，輸送帶纏繞2 個轉鼓運行，需要承受較大的張緊力和承載物料的輸送拉力。因此需要將奧氏體不銹鋼鋼帶強化為高強度不銹鋼鋼帶，常用的鋼帶強化工藝包括以下5 種：（1）馬氏體硬化熱處理；（2）冷加工拉伸硬化強化；（3）固溶化硬化熱處理；（4）晶粒細化熱處理；（5）析出硬化熱處理。

奧氏體不銹鋼是17Cr+7Ni 鉻鎳不銹鋼，不同的合金元素會使材料具有不同的相變溫度，一些元素（鎳、錳、氮）支持奧氏體形成，另一些元素支持鐵素體形成。奧氏體不銹鋼不能通過熱處理的方式來改變金相組織形成大量馬氏體達到提高力學性能的目的，而只能通過冷加工拉伸工藝使奧氏體金相組織轉變為馬氏體金相組織從而提高鋼帶的力學性能。圖1所示為鋼帶冷加工量與強化產生馬氏體量的微晶組織圖。

圖1 鋼帶冷加工量與強化產生馬氏體量的微晶組織圖

2 高強度奧氏體不銹鋼鋼帶力學性能分析

通過冷加工拉伸硬化后，奧氏體不銹鋼鋼帶的抗拉強度和屈服強度明顯提高。奧氏體晶格組織的不銹鋼抗拉強度通常為500 MPa 左右，經過冷加工硬化產生馬氏體金相組織后，其抗拉強度可達1 200 MPa。表2 為奧氏體不銹鋼鋼帶與高強度奧氏體不銹鋼鋼帶力學性能。

表2 奧氏體不銹鋼與高強度奧氏體不銹鋼鋼帶力學性能對比

在某個溫度下，奧氏體不銹鋼進行冷加工也不可能產生形變馬氏體，在該溫度下奧氏體金相組織非常穩定，而該溫度即為形變馬氏體產生的臨界溫度（Md30）。Md 溫度越低奧氏體組織就越穩定。實際鋼帶軋制時常采用Md30 溫度，其值可以由鋼化學成分含量計算確定，在該溫度下30%的冷變形可以產生50%的高強度馬氏體。大量馬氏體的生成使鋼帶強度提高，從普通奧氏體不銹鋼鋼帶轉化為高強度奧氏體不銹鋼鋼帶。這類形變產生的馬氏體由于碳含量較低，被稱之為低碳馬氏體或超低碳馬氏體，與高碳馬氏體相比，其具有更高的強度、硬度、韌性以及很低的脆裂性，焊接性能也良好。

3 高強度奧氏體不銹鋼鋼帶機械性能與物理性能分析

高強度奧氏體不銹鋼鋼帶的機械性能和物理性能可見表3。

表3 高強度奧氏體不銹鋼鋼帶的機械性能與物理性能

奧氏體不銹鋼鋼帶質量主要根據其機械性能和物理性能來判斷，抗拉強度、屈服強度、彈性極限以及疲勞強度越高，鋼帶在冷卻輸送機中運轉就越不容易損壞，使用壽命就越長。結合近30 年實際工作經驗，對同樣冷卻輸送機分別安裝的普通奧氏體不銹鋼鋼帶和高強度奧氏體不銹鋼鋼帶進行統計分析，普通奧氏體不銹鋼鋼帶壽命一般不超過1 a，而高強度奧氏體不銹鋼鋼帶壽命可以達到5～6 a，壽命最長的鋼帶運行至今已超過14 a。

通常鋼帶抗拉強度越高，鋼帶的疲勞強度也較高，鋼帶回轉運行時越不容易產生裂紋。根據鋼帶制造商提供的鋼帶動態載荷試驗，選取30 個鋼帶樣品進行循環往復試驗，其中有50%樣品鋼帶沒有運行超過2 000 000 圈，試驗結果可見表4 和圖2。

表4 鋼帶回轉運行動態試驗

圖2 鋼帶回轉圈數與應力關系

大多鋼帶產生裂紋是因為鋼帶疲勞失效，盡管鋼帶所受最大應力沒有超過鋼帶的彈性強度，但交替反復波動的應力變化起初形成細微裂紋，最后演變為較大的明顯裂紋而失效，具體可見圖3。

導致鋼帶產生微裂紋的應力包括拉應力、壓應力、剪切應力、扭曲應力、彎曲應力及熱應力等，鋼帶局部熱變形會導致上述多種應力產生。制造商給出的疲勞強度是指在室溫下鋼帶能夠承載的最大應力，如果鋼帶受熱，疲勞強度會明顯降低。

奧氏體不銹鋼熱傳導率較低，熱膨脹系數較大，在使用過程中應盡量使鋼帶受熱均勻，避免其表面產生局部熱膨脹變形，甚至產生裂紋。

圖3 典型的微裂紋

4 結論

奧氏體不銹鋼鋼帶通過冷加工產生形變馬氏體后轉變為高強度奧氏體不銹鋼鋼帶。奧氏體不銹鋼鋼帶因含碳量低而強度高、韌性好，不具有脆裂性；其疲勞強度與抗拉強度互相關聯，當溫度升高時，其疲勞強度明顯降低。

鋼帶局部承受各種交變波動應力，會產生細微裂紋，最終導致明顯大裂紋，盡管鋼帶受力仍然沒有超過其彈性強度，奧氏體不銹鋼鋼帶熱膨脹系數大，受熱不均容易產生局部熱應力和形狀交變波動應力，最終產生裂紋。