超級雙相不銹鋼材質CE3MN 的試驗研究

雷鵬飛，衛心宏，周 彤，梁燕春

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

超級雙相不銹鋼CE3MN（材質代號2507），屬第三代鑄造雙相不銹鋼材質。與一般雙相不銹鋼相比，CE3MN 材質具有更高的強度性能，更好的耐孔隙腐蝕、耐縫隙腐蝕和耐應力腐蝕等性能，尤其是在含氯化物的海水中有較強的抗腐蝕能力，廣泛應用于核電泵閥、海工裝備及石油化工類等設備中關鍵鑄件的制造。CE3MN 材質顯微組織為奧氏體和鐵素體雙相組織，在鑄造過程中雙相合理比例控制存在較大的難度；材質鑄造過程中易析出脆性相組織，裂紋傾向嚴重，生產存在極大質量風險，為此進行了材質的試驗研究，確定了較為合理的材質生產工藝控制技術。

1 CE3MN 材質試驗方案

1.1 材質冶煉和試樣制備

CE3MN 是ASME SA995 標準的一種雙相不銹鋼材質，為滿足抗腐蝕性能及力學性能要求，對CE3MN 材質的化學成分范圍進行了內控；并初步確定點蝕當量值（PEN=%Cr+3.3%Mo+16%N）控制在40～43 范圍；采用氮化鉻合金增氮，使用50 kg 真空感應爐進行材質的熔煉試驗，化成分的內控范圍和試驗值見表1.

表1 化學成分內控要求和試驗結果（質量分數，%）

按照試驗方案，采用真空熔煉--充氬氣澆注的工藝，同一爐試驗鋼水澆注一組基爾試塊，然后按照表2 確定的工藝控制試驗方案對比試驗，制備相關試塊，以備進行理化性能試驗分析。

1.2 材質固溶處理試驗工藝

CE3MN 材質的熱處理工藝為固溶處理，確定固溶處理溫度為1 120 ℃，為了控制高溫淬水引起的變形及裂紋問題，固溶后預冷到1 050 ℃，進行水冷處理，熱處理試驗工藝如圖1 所示。

圖1 CE3MN 材質熱處理試驗工藝

1.3 材質工藝控制試驗方案

CE3MN 材質在400 ℃～500 ℃溫度范圍內長時間加熱或慢速冷卻，會因富鉻鐵素體內相變出現脆化，即產生475 ℃脆性；在600 ℃～850 ℃溫度范圍內長時間加熱或慢速冷卻，在高溫鐵素體內會析出富鉻的σ 脆相，易產生開裂缺陷。為了確定預防材質脆裂性產生的控制措施，選擇三種試驗方案，進行對比試驗；再根據試驗確定的較優方案，處理一組試塊進行高溫性能試驗，試驗方案見表2.

表2 CE3MN 材質工藝控制實驗方案

實驗后，按照GB/T 228.1 和GB/T 228.2 標準進行力學性能和高溫力學性能試驗，按照GB/T 13298標準進行顯微組織分析，按照標準ASTM E562 標準進行鐵素體含量檢測，按照ASTM G48 標準進行點腐蝕試驗，對試驗結果分析，確定適合的材質生產控制工藝。

2 試驗結果分析

2.1 不同試驗方案力學性能試驗

力學性能試驗數據如表3 所示，數據表明：（1）方案a1，強度性能較高，伸長率較低，接近為脆性材質；（2）方案a2 和a3，經1 120 ℃溫度固溶處理，抗拉強度和伸長率都達到了材質標準要求，證明固溶工藝合適；（3）綜合比較方案a2，材質澆注后950 ℃以上落砂+快冷到室溫+1 120 ℃固溶處理，各項力學性能最好，為優選的方案。

表3 力學性能試驗數據

2.2 顯微組織和鐵素體含量分析

CE3MN 材質按不同實驗方案進行實驗，進行顯微組織分析和鐵素體含量檢測，分析結果見表4 和圖2.從分析結果看，材質固溶處理試驗后，顯微組織為鐵素體+奧氏體，鐵素體含量控制在45%～55%范圍。

表4 CE3MN 材質鐵素體含量試驗數據

圖2 CE3MN 不同試驗方案顯微組織分析

從顯微組織分析看：（1）方案a1 的顯微組織為奧氏體+鐵素體+部分σ 相，組織嚴重不均勻，性能表現為塑性性能非常低，證明常規鑄造過程易產生脆裂；（2）方案a2 的顯微組織為，在鐵素體基體上均勻分布著島狀及板條狀，鐵素體含量53.48%，奧氏體/鐵素體比例接近50%，材質的強度性能和伸長率都較高，為較好的工藝控制方案；（3）方案a3 的顯微組織為，在鐵素體基體上分布著規律的板條狀奧氏體組織，鐵素體含量55.1%，性能滿足要求，伸長率性能略低，為第二選擇的工藝控制方案。

2.3 材質的點腐蝕試驗

測定孔隙腐蝕性能指標主要試驗方法為點腐蝕率試驗。試塊試驗后，按ASTM G48 方法A 進行點腐蝕試驗，試驗結果見表5，a2 方案的點腐蝕速率較低為0.001 3 g/（m2·h），a3 試驗方案的點腐蝕速率為0.001 6 g/（m2·h），試驗證明CE3MN 材質的點腐蝕速率極低，具有良好的耐腐蝕性能。

表5 CE3MN 材質點腐蝕試驗數據

2.4 材質的高溫性能試驗

2.4.1 CE3MN 材質高溫力學性能試驗

為了確定材質在不同溫度條件保溫或緩冷的組織變化，模擬進行了材質的高溫性能試驗。對同一熔煉爐及固溶處理的試塊，分別升溫到150 ℃、300 ℃、475 ℃、750 ℃保溫后進行高溫力學性能對比試驗，試驗結果見表6.

表6 CE3MN 材質高溫力學性能試驗數據

從高溫拉力性能試驗結果分析看：（1）屈服強度隨著試驗溫度的提高呈下降的趨勢，300 ℃試驗時屈服強度降低到407 MPa，低于性能標準要求80%；因此材質的使用溫度在300 ℃以下；（2）750 ℃試驗時屈服強度降低84 MPa，只有標準要求的16%，遠低于標準性能要求。分析認為，材質在750 ℃長時間加熱試驗過程中，可能析出脆性組織，在試樣高溫拉伸試驗過程受拉應力的情況下，發生脆裂而脆斷。

2.4.2 CE3MN 材質高溫金相組織對比分析

CE3MN 材質不同溫度保溫后高溫力學性能試樣顯微組織分析見圖3.

從顯微組織分析看：（1）方案b1 的顯微組織形態分析如圖3（b1），與圖2（a2）比較變化不大；方案b2，如圖3（b2），顯微組織中奧氏體形態趨于圓滑，更加均勻彌散。（2）方案b3，隨試驗溫度提高，如圖3（b3），顯微組織中奧氏體形態更加圓滑，同時在鐵素體基體內會因富鉻發生相變而脆化，即產生475 ℃脆性，表現為力學性能有一定下降。（3）方案b4，750 ℃高溫性能試樣顯微組織如圖3（b4），奧氏體形態更加圓滑及粗大，同時在鐵素體基體內一定量富鉻的脆性組織析出，稱為σ 脆相組織，σ 相是一種鐵、鉻原子比例相等的鐵—鉻金屬間化合物，晶體結構為正方晶系，有磁性，硬而脆，表現為力學性能嚴重下降及耐腐蝕性能下降，材質很容易產生脆裂現象。

圖3 CE3MN 材質高溫性能試樣顯微組織分析

3 分析與討論

本材質試驗是CAP1400 循環水泵項目進行的前期材質試驗研究，試驗證明，CE3MN 是一種強度高、耐點腐蝕性能非常好的雙相不銹鋼材質。同時CE3MN 材質保持有鐵素體不銹鋼的475 ℃脆性，特別在750 ℃（600 ℃～850 ℃）區域，以較慢速度冷卻或升溫及保溫，析出σ 脆性組織，易產生嚴重的脆裂缺陷，是材質鑄造生產的主要技術難點。針對材質的技術難點，通過工藝控制試驗和高溫性能試驗，確定CE3MN 生產措施：

1）熔煉方面要嚴格化學成分內控，控制點蝕當量PEN 在40～43 范圍，保證材質耐腐蝕性能及降低開裂風險。

2）鑄造過程要采用高溫落砂快速冷卻到工藝要求的溫度以下，預防材質475 ℃脆性區和750 ℃（600 ℃～850 ℃范圍）σ 脆性相析出區脆裂缺陷的產生。

3）澆冒口切割溫度控制在300 ℃以下，可采用熱輸入量低的電弧氣刨方法，防止局部開裂；較大冒口要求固溶處理后切割。

4）固溶熱處理過程中，注意采用合理工藝措施，如升溫快速通過475 ℃和750 ℃區域，1 120 ℃固溶后可預冷到1 050 ℃水冷等，防止變形開裂。

5）焊補過程，嚴格控制熱輸入量，控制層間溫度在150 ℃以下，防止焊接開裂及焊補區域組織變化。

4 結論

1）試驗確定了CE3MN 雙相不銹鋼材質化學成分的內控要求，并確定當點蝕當量PEN 控制在40～43 范圍，材質具有較好的耐腐蝕性能、力學性能及鑄造性能。

2）試驗確定的CE3MN 材質加熱到1 120 ℃保溫足夠時間，預冷到1 050 ℃時淬水冷卻的固溶處理工藝，能得到鐵素體含量45%～55%范圍的奧氏體+鐵素體雙相組織，并能減少材質的變形開裂傾向。

3）試驗確定了材質950 ℃高溫落砂快冷到室溫，然后固溶處理的工藝控制方案，可有效控制危害組織析出，預防材質脆裂缺陷產生。