熱處理溫度對超級雙相鋼UNS S32760管材組織性能的影響

邵海麗，趙增強，龐于思，劉富強，王連華，韓恒力

（新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 056000）

超級雙相不銹鋼UNS S32760具有鐵素體和奧氏體兩相組織（相比例約為1∶1），該鋼種具有超低C和高Cr、Mo及N元素，并且在雙相鋼基礎(chǔ)上添加少量的W、Cu元素的成分設(shè)計，提高了鑄造性能，降低了貴金屬Mo的含量，鋼的耐氯離子點蝕性能增強，點蝕當(dāng)量指數(shù)PRE一般大于40，兼有鐵素體較高的強度，良好的耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能和奧氏體優(yōu)良的韌性、焊接性，且價格低［1-6］。UNS S32760的點蝕當(dāng)量指數(shù)PRE較高，具有比普通雙相鋼和奧氏體不銹鋼更優(yōu)異的抗點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕性能及耐蝕性能［7-9］，另外還具有良好的耐氯和硫化氫應(yīng)力腐蝕性能，主要用于苛刻的介質(zhì)環(huán)境［10-16］。

1 UNS S32760生產(chǎn)方法及固溶試驗方法

選取UNS S32760鍛坯，采用6 300 t臥式擠壓機擠壓成型，擠壓規(guī)格為Φ95.25 mm×22.86 mm，材料化學(xué)成分依據(jù)ISO 13680∶2010《石油和天然氣工業(yè)用套管、油管和接箍的耐腐蝕無縫合金管交貨技術(shù)條件》設(shè)計，具體含量見表1，要求點蝕當(dāng)量指數(shù) PRE=w（Cr）+3.3w（Mo+0.5W）+16w（N）范圍40～45，實際為42.4。性能依據(jù)ISO 13680∶2010標(biāo)準(zhǔn)中80鋼級要求設(shè)計，抗拉強度≥758 MPa，屈服強度552～724 MPa，伸長率≥20%，硬度≤28 HRC，-10℃橫向沖擊功≥27 J。

表1 UNS S32760鍛坯化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

對擠壓態(tài)管材切取220 mm的管段，縱向平分，在馬弗爐中進行固溶試驗，固溶溫度分別為1 080，1 100，1 120和1 140℃，固溶保溫時間均為60 min，固溶后試樣直接淬水，冷卻速率為18～20℃/s。采用光學(xué)金相顯微鏡觀察擠壓態(tài)和不同固溶溫度的管材組織；依據(jù)ASTM E 8/E 8M—2016a《金屬材料拉伸試驗方法》在萬能材料試驗機上進行室溫拉伸試驗；依據(jù)ASTM E 18—2017《金屬材料洛氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》使用洛氏硬度測試儀進行硬度檢測；依據(jù)ASTM E 23—2016b《金屬材料缺口試樣標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗方法》使用擺錘式?jīng)_擊試驗機進行沖擊試驗；依據(jù)ASTM G 48—2011（R2015）《使用三氯化鐵溶液做不銹鋼及其合金的耐麻點腐蝕和抗裂口腐蝕性試驗的標(biāo)準(zhǔn)方法》A法-三氯化鐵點腐蝕試驗進行點腐蝕速率檢測。

2 試驗結(jié)果

2.1 坯料和擠壓態(tài)管材的試驗結(jié)果

觀察UNS S32760坯料的組織，坯料金相組織如圖1所示，其組織為鐵素體+奧氏體，鐵素體含量為54.08%，在鐵素體和奧氏體晶界有σ相析出。管材經(jīng)擠壓變形后，擠壓態(tài)金相組織如圖2所示，組織為鐵素體和奧氏體兩相組織，鐵素體相比例為59.82%。有研究表明，σ相在1 040℃完全溶解消失［16］，而UNS S32760擠壓溫度∧1 100℃，遠高于σ相溶解溫度，擠壓后管材σ相基本溶解，未在金相圖片上發(fā)現(xiàn)σ相存在。擠壓態(tài)管材的抗拉強度899 MPa，屈服強度742 MPa，伸長率22%，抗拉強度和屈服強度較高，伸長率較低。

2.2 不同固溶溫度管材試驗結(jié)果

2.2.1 固溶溫度對金相組織的影響

圖1 坯料金相組織

圖2 擠壓態(tài)金相組織

標(biāo)準(zhǔn)要求，超級雙相鋼鐵素體相含量為35%～55%，使用金相顯微鏡觀察UNS S32760管材不同固溶溫度熱處理后的組織，不同固溶溫度對管材相比例的影響如圖3所示，不同固溶溫度的管材金相組織如圖4所示。由圖3可知，在1 080～1 140℃固溶處理溫度范圍內(nèi)，兩相含量變化與固溶溫度呈線性關(guān)系。隨著固溶溫度升高，鐵素體相含量增加，奧氏體相含量降低，1 080～1 120℃時鐵素體相含量增加緩慢，1 120～1 140℃時增加得較快，在1 140℃時，鐵素體相含量為59.26%，含量較高，超出標(biāo)準(zhǔn)要求，在固溶處理溫度約1 100℃時，組織中α相和γ相比例約為1∶1。

圖3 不同固溶溫度對管材相比例的影響

2.2.2 固溶溫度對管材拉伸性能的影響

不同固溶溫度下UNS S32760管材拉伸性能見表2和如圖5所示，固溶態(tài)管材的抗拉強度和屈服強度明顯低于擠壓態(tài)，伸長率明顯高于擠壓態(tài)。由圖5看出，固溶溫度1 080～1 140℃時，材料的抗拉強度、伸長率基本保持不變，屈服強度逐漸升高，結(jié)果均符合ISO 13680∶2010標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 固溶溫度對管材拉伸性能的影響

2.2.3 固溶溫度對管材硬度的影響

UNS S32760在擠壓過程中產(chǎn)生加工硬化，硬度較高，其值為29.8 HRC，經(jīng)過1 080～1 140℃固溶后，管材硬度明顯降低。UNS S32760擠壓管材經(jīng)固溶后硬度變化如圖6所示，由圖6可見，在1 080～1 140℃固溶，硬度變化不明顯，硬度值在24～26 HRC。

圖6 固溶溫度對管材硬度的影響

2.3 固溶溫度對管材沖擊性能的影響

UNS S32760管材沖擊為橫向沖擊，沖擊試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，試驗溫度為-10℃。管材經(jīng)過1 080～1 140℃固溶后，隨固溶溫度的升高，沖擊功整體呈上升趨勢，在1 080～1 100℃沖擊功上升較快，1 100～1 140℃上升趨勢減緩，固溶溫度對管材沖擊功的影響如圖7所示。

圖7 固溶溫度對管材沖擊功的影響

2.4 固溶溫度對管材耐點蝕性能的影響

依據(jù)ASTMG48—2011（R2015）A 法-三氯化鐵點腐蝕試驗進行點腐蝕速率檢測。試驗溶液為6%FeCl3溶液，試驗溫度為50℃，試驗時間72 h。固溶溫度對管材腐蝕速率的影響如圖8所示，點腐蝕速率先降低，后升高，在固溶溫度1 100℃時，組織中α相和γ相比例約為1∶1，點腐蝕速率最低，耐點蝕性能最優(yōu)，腐蝕速率為0.031 mm/a。

圖8 固溶溫度對管材腐蝕速率的影響

2.5 結(jié)果分析

（1）UNS S32760管材經(jīng)擠壓成型，擠壓過程中坯料受三向壓應(yīng)力，部分壓應(yīng)力保留直接形成殘余應(yīng)力，擠壓態(tài)管材的屈服強度、抗拉強度、硬度明顯比固溶后的高，伸長率比固溶后的低。

（2）有研究表明，在1 040℃固溶時，σ相就已經(jīng)完全溶解消失［16］，由于擠壓溫度和固溶溫度均高于此溫度，所以UNS S32760擠壓態(tài)和固溶態(tài)管材組織中僅有α相和γ相存在，未發(fā)現(xiàn)σ脆性相。

（3）通過固溶處理可以調(diào)整雙相鋼中α相和γ相的比例，溫度越高越利于鐵素體的形成［17］，經(jīng)1 080～1 140℃固溶處理，隨固溶溫度升高，UNS S32760管材鐵素體相含量逐漸增多，奧氏體相含量逐漸降低。

（4）超級雙相鋼中的合金元素在不同的熱處理條件下，在兩相中的分配比例是不同的，合金元素在兩相中有合適的合金含量時，每一相都具有較高的耐點蝕當(dāng)量，兩相達到平衡，雙相鋼具有優(yōu)異的耐點蝕能力［17］，在1 100℃固溶時，合金元素在兩相分配比例均勻，兩相接近平衡，點腐蝕速率最低。

（5） 1 080～1 140℃固溶處理后，UNS S32760管材力學(xué)性能滿足ISO 13680∶2010標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合組織與耐腐蝕性能，采用1 100℃固溶處理，管材綜合性能最優(yōu)。

3 結(jié) 語

（1）UNS S32760擠壓管材鐵素體相比例為59.82%，無σ相存在，抗拉強度899 MPa，屈服強度742 MPa，伸長率22%，硬度29.8 HRC。

（2）經(jīng)1 080～1 140℃固溶處理，隨固溶溫度升高，UNS S32760管材鐵素體相含量逐漸增多，奧氏體相含量逐漸降低，抗拉強度、伸長率基本保持不變，屈服強度逐漸升高，沖擊功呈上升趨勢。

（3）1 100℃固溶時，材料性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，組織中α相和γ相比例約為1∶1，點腐蝕速率最低，耐點蝕性能最優(yōu)，腐蝕速率為0.031 mm/a。