(太原重工股份有限公司，山西030024)

CD3MN是一種強(qiáng)度較高、耐腐蝕性能較好的雙相不銹鋼。該材質(zhì)兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)，與鐵素體相比，材質(zhì)的塑性和韌性更高，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高；與奧氏體不銹鋼相比，材質(zhì)的強(qiáng)度高且耐氯化物應(yīng)力腐蝕明顯提高，具有優(yōu)良的耐點(diǎn)腐蝕性能。本研究在材質(zhì)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了熱處理工藝優(yōu)化，并進(jìn)行了應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材質(zhì)及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料制備

試驗(yàn)用鋼為ASME SA-995標(biāo)準(zhǔn)CD3MN雙相不銹鋼鑄造材質(zhì)，采用真空感應(yīng)電爐熔煉，材質(zhì)化學(xué)成分見表1。澆注一組基爾試驗(yàn)料，然后分割標(biāo)示進(jìn)行熱處理試驗(yàn)。

1.2 熱處理試驗(yàn)方案

CD3MN雙相不銹鋼材質(zhì)的熱處理工藝為固溶處理，選擇1020℃、1070℃、1120℃、1170℃不同固溶溫度的試驗(yàn)方案進(jìn)行熱處理試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)后，按照GB/T228.1進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，采用ASTM E562標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行鐵素體含量檢測，按照ASTM G48標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)；并按照GB/T228.2進(jìn)行了100℃、200℃、300℃、475℃的高溫力學(xué)性能試驗(yàn)。分析確定適合的熱處理工藝。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能

CD3MN材質(zhì)按不同溫度固溶處理后，力學(xué)性能試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)如表2所示。

從力學(xué)性能數(shù)據(jù)看，在1020～1170℃溫度范圍，隨著固溶溫度的提高，抗拉強(qiáng)度呈提高的趨勢，伸長率也呈提高的趨勢，沖擊韌性呈先提高后降低的趨勢；1120℃溫度固溶處理，抗拉強(qiáng)度和伸長率等性能都較高，達(dá)到材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，此熱處理方案較好。

2.2 顯微組織分析

材質(zhì)熱處理試驗(yàn)后，進(jìn)行了顯微組織和鐵素體含量分析檢測，結(jié)果見圖1、表3。

顯微組織分析：固溶處理后顯微組織為鐵素體+奧氏體雙相組織，從1020℃到1170℃，隨著固溶溫度的升高，鐵素體含量呈不斷增加趨勢；1020℃固溶處理后，鐵素體基體上的奧氏體形態(tài)以板條狀為主；1070℃固溶處理時，板條奧氏體逐漸變?yōu)閸u狀形態(tài)，分布開始趨于均勻，鐵素體含量為46.06%；1120℃固溶處理時，板條狀奧氏體變?yōu)樾u狀分布于鐵素體基體上，鐵素體含量為49.02%，奧氏體和鐵素體兩相比例接近1∶1；1170℃固溶處理時，奧氏體成小島狀彌散分布于鐵素體基體上，且奧氏體量減少，鐵素體含量達(dá)到55%。綜合分析固溶溫度以1120℃為優(yōu)。

表1 材質(zhì)的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of material (mass fraction, %)

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of mechanical properties

圖1 不同固溶溫度顯微組織分析Figure 1 Microstructure analysis at different solution temperatures

試驗(yàn)方案A1A2A3A4鐵素體含量45.6946.0649.0255.26

2.3 點(diǎn)腐蝕性能試驗(yàn)

CD3MN材質(zhì)不同溫度固溶處理后，加工成40 mm×20 mm×4 mm腐蝕試驗(yàn)試樣，按ASTM G48方法A進(jìn)行點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)，采用6%FeCl3水溶液進(jìn)行72 h的點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)，不同試驗(yàn)方案點(diǎn)腐蝕速率試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 材質(zhì)點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Pitting corrosion test data of material

從點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果看，在1020～1170℃溫度范圍，隨著固溶溫度的提高，點(diǎn)腐蝕速率呈先降低后增加趨勢。當(dāng)1020℃固溶時，由于奧氏體呈板條及不均勻分布，因而耐點(diǎn)腐蝕性能差；當(dāng)1120℃固溶時，由于奧氏體和鐵素體兩相比例接近且分布均勻，耐點(diǎn)腐蝕性能較好，點(diǎn)腐蝕速率為0.0148 g/(m2·h)，滿足用戶小于0.04 g/(m2·h)的要求；當(dāng)1170℃固溶時，由于奧氏體比例減少，鐵素體含量提高，兩相分布不再均勻，因而耐點(diǎn)腐蝕性能下降。

圖2 材質(zhì)高溫處理顯微組織照片F(xiàn)igure 2 Microstructure pictures of material at high temperature heat treatment

試驗(yàn)編號試驗(yàn)溫度℃Rp0.2MPaRmMPaA%Z%A3-1A3-2A3-3A3-4A3-52010020030047542638132329025066356053755653242.538.533.534.536.071.074636164

2.4 CD3MN材質(zhì)高溫性能試驗(yàn)

選擇力學(xué)性能及耐點(diǎn)腐蝕性能較好的試驗(yàn)方案A3(1120℃固溶處理)的試驗(yàn)料，進(jìn)行了室溫及100℃、200℃、300℃、475℃高溫力學(xué)性能對比試驗(yàn)，高溫力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5；并對高溫力學(xué)性能試驗(yàn)后試驗(yàn)料進(jìn)行了顯微組織分析，見圖2。

2.4.1 材質(zhì)高溫力學(xué)性能試驗(yàn)

從高溫拉力性能試驗(yàn)結(jié)果分析看，材質(zhì)屈服強(qiáng)度隨著試驗(yàn)溫度的提高呈下降的趨勢，300℃時屈服強(qiáng)度降低到290 MPa，降低到性能標(biāo)準(zhǔn)要求70%以下；475℃時屈服強(qiáng)度降低到250 MPa，降低到標(biāo)準(zhǔn)性能要求的60%；理論上此材質(zhì)的使用溫度在300℃以下，因此CD3MN材質(zhì)鑄件在使用及鑄造過程中都要注意控制工件的溫度。

2.4.2 材質(zhì)高溫顯微組織分析

從不同溫度試樣金相分析看：固溶處理后，奧氏體的形態(tài)由鑄態(tài)板條大部分變?yōu)閸u狀形態(tài)，分布較均勻；固溶+200℃及300℃保溫拉力試驗(yàn)，奧氏體形態(tài)趨于圓滑，趨于均勻彌散；固溶+475℃保溫處理，奧氏體形態(tài)更加圓滑，同時在鐵素體基體內(nèi)產(chǎn)生少量富鉻的α′相析出，α′相為脆性組織，表現(xiàn)為力學(xué)性能嚴(yán)重下降，表現(xiàn)出475℃脆裂現(xiàn)象。所以CD3MN材質(zhì)使用時一般要求在300℃以下。

3 生產(chǎn)應(yīng)用

CD3MN屬高強(qiáng)度、塑韌性能好、耐蝕性能好雙相不銹鋼材質(zhì)。在總結(jié)CD3MN材質(zhì)熱處理試驗(yàn)基礎(chǔ)上，確定材質(zhì)的鑄造、熱處理、清理等生產(chǎn)工藝及關(guān)鍵工序控制重點(diǎn)，并進(jìn)行了生產(chǎn)應(yīng)用。目前已完成泵體、泵蓋、導(dǎo)葉體、CAP1400核電用泵葉輪室和喇叭口等20余套大型電站循環(huán)水泵CD3MN材質(zhì)鑄件的生產(chǎn)，按照優(yōu)化的熱處理工藝處理，鑄件的力學(xué)性能、鐵素體含量和點(diǎn)腐蝕性能全部達(dá)到ASME SA-995標(biāo)準(zhǔn)和用戶的特殊技術(shù)要求，并通過用戶的復(fù)驗(yàn)。通過系列CD3MN材質(zhì)大型雙相不銹鋼泵類鑄件的生產(chǎn)，在雙相不銹鋼鑄鋼材質(zhì)的生產(chǎn)方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，拓寬了企業(yè)的產(chǎn)品領(lǐng)域，為企業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)表明，隨固溶處理溫度的提高，材質(zhì)顯微組織中鐵素體含量呈不斷增加趨勢，點(diǎn)腐蝕速率呈先降低后增加的趨勢，當(dāng)1120℃固溶時，由于奧氏體和鐵素體兩相比例相近且分布均勻，耐點(diǎn)腐蝕性能較好，能滿足點(diǎn)腐蝕速率的技術(shù)要求。

(2)高溫試驗(yàn)證明，300℃時屈服強(qiáng)度降低到標(biāo)準(zhǔn)要求70%以下；475℃時試驗(yàn)時，屈服強(qiáng)度降低到更低并析出少量α′脆性組織，易產(chǎn)生脆裂；因此材質(zhì)的使用溫度在300℃以下，鑄造過程要注意控制鑄件的溫度。

(3)生產(chǎn)應(yīng)用證明，試驗(yàn)確定的CD3MN材質(zhì)固溶熱處理工藝方案，能滿足大型泵類鑄件熱處理的要求，能保證材質(zhì)的力學(xué)性能及耐點(diǎn)腐蝕性能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。