多元合金化双相铸造不锈钢Cr22Ni5Mo4Cu3

多元合金化双相铸造不锈钢 Cr22Ni5Mo4Cu3.5的组织与性能秦紫瑞郭宁郭珊潘国强摘要试验结果表明，所研制的 Cr22Ni5Mo4Cu3.5 钢，经 1 050 2 h 水冷固溶处理后，具有良好的耐均匀腐蚀性能，较好的抗晶间腐蚀与抗点蚀能力。此外，新型钢还具有良好的综合力学性能和工艺性能。关键词双相铸造不锈钢Structure and Properties of Multicomponent Duplex-Phase Cast Stainless Steel Cr22Ni5Mo4Cu3.5 Qin Zirui and Guo Ning(Dalian University of Technology, Dalian 116023) Guo Shan and Pan Guoqiang(Dalian Acid Prof Pump Works)AbstractThe experimental results show that the developed steel Cr22Ni5Mo4Cu3.5 solid solution treated at 1050 C for 2 h, water cooled, has excellent uniform corrosion resistance, and better intergranular and pitting corrosion resistance. The new steel has satisfied synthetic mechanical properties and shop processing characteristic.Material IndexDual Phase, Cast, Stainless Steel新型钢 Cr22Ni5Mo4Cu3.5 是由 和 两相组成的双相铸造不锈钢，它兼有奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢的优点，又可弥补两者各自的不足，而成本又较低，具有广阔的应用前景。新型铸造不锈钢的显微组织设计为在铁素体()基体上使其分布有适量的奥氏体()，根据性能的要求，调整其 与 的组成比。这种双相不锈钢兼有铁素体钢和奥氏体钢的双重特性，奥氏体的存在，提高了钢的塑韧性与可焊性；铁素体基体使钢具有较高的强度和良好的抗局部腐蚀(即晶间腐蚀、点蚀与缝隙腐蚀)能力。并且，双相铸造不锈钢的成本较低 1 。 1钢的冶炼及热处理1.1钢的冶炼新型 Cr22Ni5Mo4Cu3.5 钢在 150 kg 的中频感应电炉中采用非氧化法冶炼。所用金属炉料为本厂自制的工业纯铁，金属铬、金属钼、电解镍、电解铜、金属锰、75%硅铁等，脱氧剂采用 Al 粉和 SiCa 粉的混合剂。由于试验钢中含有较高的 Cr、Ni、Mo、Cu 等合金元素，为保证钢水质量，在冶炼过程中采取了先后不同的加料次序，大功率冶炼，熔渣保护及脱氧等一系列措施，从而获得了高的冶炼质量，新型钢Cr22Ni5Mo4Cu3.5 和对比钢号的化学成分见表 1。表 1试验钢的化学成分/%Table 1Chemical compositions of steels tested /%钢 号 C Si Mn P、S Cr Ni Mo Cu FeCr22Ni5Mo4Cu3.5 0.02 0.68 0.45 0.02 22.06 5.34 3.69 3.50 余量C15 0.04 2.03 0.75 0.03 19.91 12.46 10.08 3.01 余量316L 0.03 0.72 0.78 0.03 19.82 12.65 2.19 - 余量304L 0.03 0.84 0.86 0.03 18.34 8.34 - - 余量注： C15 钢为上海材料研究所等单位研制的耐点蚀性能优良的钢种。各种试验钢均浇注了 35 mm150 mm 和 15 mm15 mm150 mm耐蚀性试棒和基尔试块并测试了其铸造性能。1.2钢的热处理为了保证新型不锈钢具有良好的耐蚀性，其热处理均采用固溶处理，使其碳化物和金属间相能最大限度地固溶于基体中，为此，除 C15 钢采用 1 100 2 h 水冷处理外，其余 3 种钢均采用 1 050 2 h 水冷固溶处理。此外，晶间腐蚀用试块是在固溶处理后又进行了 650 2 h 空冷敏化处理，使其在此温度下钢中的碳化物和金属间相充分析出，以保证其试验结果用于实际生产中的可靠性。试验钢的热处理均是在箱式自动控温的电炉中进行。2新型钢的试验2.1均匀腐蚀试验采用分析纯试剂及去离子水配制的试验介质为“10%NaClO+4%NaCl”，腐蚀率采用全浸试验失重法测得，采用恒温水浴控制试验温度为 451 ，浸泡时间为 48 h。试验结果为 3 个试样的平均值。2.2晶间腐蚀试验试样尺寸为 10 mm10 mm5 mm，在其一面焊上导线，对面留出 1 cm2试验表面，其余部分均用聚苯乙烯镶嵌，将试验表面细磨并抛光，用丙酮脱脂，以试样为阳极，铂板为阴极，接通电路后，将其放入盛有10%草酸溶液的容器内，按试样 1 A/cm2的电流密度，通电时间均为 90 s。然后取出试样冲净并吹干，在金相显微镜下观察并拍摄试样的浸蚀部位，以评定试验钢的晶间腐蚀倾向。2.3点蚀试验点蚀试验采用“不锈钢三氯化铁腐蚀方法”，试验介质为10%FeCl3+HCl 溶液(100 g FeCl 3+900 ml 0.05 mol HCl 配制)，试验温度 35 ，试验时间为 24 h，采用失重法计算试验钢点腐蚀率，其结果为 3 个试样的平均值。2.4工艺性能试验新型钢 Cr22Ni5Mo4Cu3.5 采用同心三螺旋线装置测定钢液的流动性。该法特点是保证 3 条螺旋线在相同成分、同一浇注温度和相同铸型条件下测试。其结果为 3 条螺旋线流动长度的平均值。采用双试棒热裂线收缩仪测定新型钢的抗热裂性能与线收缩率。以热裂力和热裂温度来判别试验钢的热裂倾向。以试棒冷凝至室温的绝对收缩值与试棒原长的比值百分率确定试验钢线收缩率的大小。将试验钢加工成试片，采用同材质的焊条，不经预热，在氩气保护条件下进行焊接，并将焊接的试片进行拉断试验。3试验结果及分析3.1金相组织观察与分析由图 1 可见，新型铸造双相不锈钢的铸态组织粗大，两相分布不均匀，而且形态不规则。该钢经 1 050 2 h 水冷固溶处理后，粗大的铸态组织明显细化与均匀化。X 射线衍射结果表明，两相组织为 +组成，即在 基体上分布一定量的 相。经固溶处理后的钢， 相有减少的趋向。对比钢号均为奥氏体不锈钢，基体上存在有不等量的碳化物与 铁素体相。图 1新型钢 Cr22Ni5Mo4Cu3.5 的金相组织 400， (a) 铸态；(b) 固溶Fig.1Microstructure of new steel Cr22Ni5Mo4Cu3.5, 400. a- Casting; b- Solid solution treated电子探针测定新型钢中的 相和 相的化学成分见表 2。表 2电子探针测定的新型钢 Cr22Ni5Mo4Cu3.5 的相成分/%Table 2Phase compositions of new Cr22Ni5Mo4Cu 3.5 steel analyzed by electron microprobe analyzer/%名称 Cr Ni Mo Cu Fe 相 29.20 3.05 6.75 1.25 58.75 相 18.85 8.90 2.08 4.68 63.49由表 2 可见，各种合金元素在固溶化处理的新型钢的两 相中的分布是不同的。铁素体形成元素 Cr、Mo 在 相中富集，而奥氏体形成元素 Ni、Cu 在 相中富集。3.2均匀腐蚀试验钢的均匀腐蚀试验结果见表 3。表 3试验钢的均匀腐蚀Table 3Uniform corrosion rate of steels tested钢 号 腐蚀速度/g.m-2.h-1 等级Cr22Ni5Mo4Cu3.5 0.0669 1C15 0.0520 1316L 0.3014 2304L 0.8238 2注：腐蚀介质 10%NaClO+4%NaCl，温度 45 由表 3 可以看出，研制的新型铸造双相不锈钢具有与性能优良的C15 钢相当的耐均匀腐蚀性能，而对比材料 316L 好于 304L，但二者的腐蚀速度明显大于新型钢。这是由于新型钢中含有较高的 Cr 和 Mo，较低的 C，钝化能力强，在钢的表面可形成含有 Cr、Mo 的氧化物薄膜，均匀而致密，具有良好的保护作用，致使钢的腐蚀速度较小，而且 Ni、Cu元素富集于膜的底部，更进一步提高了膜的稳定性。C15 钢与新型双相不锈钢相比较而言，虽然 Cr 低但 Mo 高，所以也具有优良的耐蚀性，但由于 Ni、Mo 均较昂贵，所以 C15 钢的成本明显高于新型钢。3.3晶间腐蚀试验钢的晶间腐蚀照片见图 2。由图 2 可见，试验钢抗晶间腐蚀能力从强到弱的次序为：新型双相不锈钢C15 钢316L304L。这是由于新型钢含有很低的 C 和较高的 Cr，不会形成低于 Taman 限的贫 Cr 区，同时由于双相钢的特点，除晶界外还有许多相界，这样更不能形成网状碳化物沿晶界分布的趋势，而且沉淀量少而分布分散。此外，双相钢晶粒细化也是一个有益的因素。图 2试验钢的晶间腐蚀形貌250a- Cr22Ni5Mo4Cu3.5; b- C15; c- 316L; d- 304LFig.2Intergranular corrosion morphology of steels tested, 250a- New steel Cr22Ni5Mo4Cu3.5; b- steel C15; c- 316L; d- 304L3.4点蚀试验钢的点蚀试验结果见表 4。对所试验的钢种，新型钢的抗点腐蚀性能最好，其次是 C15 钢，与新型钢相差无几；316L 明显好于304L，但后两种钢与前两种钢的点腐蚀率相差幅度较大。新型钢的点蚀坑小而少，316L 钢的点蚀坑大而深，且数量也较多。新型钢的点蚀坑多出现在 相和两相的交界处，这是因为 相中富集抗点蚀元素Cr、Mo,所以在 Cr、Mo 含量低的 相和 - 相界处发生选择性腐蚀而形成点蚀源 3 ，点蚀孔产生后，沿 相发展，优先腐蚀 相。而对于 C15 钢、316L 或 304L 奥氏体不锈钢来讲，点蚀多发生在晶界、夹杂或含抗点蚀元素较低的析出相附近的贫 Cr、Mo 区域中，点蚀一旦出现并迅速发展而形成较大的浸蚀坑，有些坑底还存留有许多腐蚀产物。表 4试验钢的点蚀结果Table 4Pitting corrosion rate of steels tested钢 号 试验介质 温度 / 时间 /h点蚀率/g.m-2.h-1Cr22Ni5Mo4Cu3.5 10%FeCl3+HCl 35 24 0.463C15 10%FeCl3+HCl 35 24 0.488316L 10%FeCl3+HCl 35 24 1.304304L 10%FeCl3+HCl 35 24 2.0013.5力学性能试验钢的力学性能试验结果见表 5。 表 5试验钢的力学性能Table 5Mechanical properties of steels tested钢 号 b/MPa /% /% aK/J.cm-2 HBCr22Ni5Mo4Cu3.5 750 42.5 44.0 80.5 210C15 620 36.0 35.5 78.0 185316L 510 35.4 32.8 75.2 130304L 465 36.8 34.6 72.4 128由表 5 可见，新型钢具有较高的强度和良好的塑韧性以及适宜的硬度，完全可满足制造泵、阀门、管道和各种设备等多种产品的要求。3.6工艺性能新型钢 Cr22Ni5Mo4Cu3.5 经多次在中频感应电炉和电弧炉中的冶炼试验表明，其冶炼工艺容易掌握，可采用常规铬镍不锈钢的冶炼工艺。试验钢的铸造性能测试结果见表 6。 表 6试验钢的铸造性能Table 6Casting properties of steels tested钢 号浇注温 度/热裂力/N热裂温度/线收缩率/%流动性/mmCr22Ni5Mo4Cu3.5 1 500 695 1 250 1.80 1 400C15 1 500 610 1 310 1.82 1 305316L 1 500 575 1 290 1.84 1 220304L 1 500 550 1 260 1.85 1 210由表 6 可见，新型钢具有热裂温度低和热裂力较大等特点，表明其热裂倾向小，线收缩率较小和较好的流动性，说明该钢具有良好的铸造性能。此外，新型钢经焊接性能试验结果表明，断裂发生在母材部分，而焊缝和热影响区仍旧完好，未观察到有明显裂纹和微裂纹出现。 4结论(1) 新型双相不锈钢的铸态组织为在铁素体()的基体上分布有一定量的奥氏体()。该钢经 1 050 2 h 水冷固溶处理后，其组织明显细化与均匀化，奥氏体()相有减少的趋向。(2) 新型钢 Cr22Ni5Mo4Cu3.5 在 10%NaClO+4%NaCl 复合介质中，45 温度下，具有优良的耐均匀腐蚀性能。(3) 经草酸法电解浸蚀的晶间腐蚀试验结果表明，新型钢具有良好的抗晶间腐蚀能力。(4) 从三氯化铁点蚀试验结果表明，新型钢具有比含 Mo 高的 C15钢更好的抗点蚀性能。(5) 新型钢还具有较好的综合力学性能及冶炼、铸造和焊接等工艺性能。作者简介：秦紫瑞，女，63 岁，教授。1960 年毕业于哈尔滨工业大学机械系铸造专业。从事铸造合金及其熔炼研究，曾获多项部、省级奖励。作者单位：秦紫瑞郭宁大连理工大学，大连 116023郭珊潘国强大连耐酸泵厂参考文献1Pickering F B. Physical Metallurgy and the Design of Steels pp. 110147 (London, 1983)2秦紫瑞等.石油机械，1995，23(5)：29333秦紫瑞等.化工机械，1985，12(5)：5459