0Cr21Ni6Mn9N不锈钢管退火温度及性能影响

OCr21Ni6Mn9N钢是一种氮强化铬镍锰系奥氏体不锈钢,其奥氏体组织稳定,具有优良的耐腐蚀性和焊接性,及很强的加工硬化特性。其强度可通过调整钢中氮含量来控制,也可通过形变强化进一步提高[1-6]

0Cr21Ni6Mn9N不锈钢管在国外应用相当成熟,如波音747、波音777、DC-10和L-1011等飞机上的液压系统导管均采用该不锈钢制造[7。该钢在航空领域常以冷加工状态使用,其抗拉强度可达980~1 120 MPa,屈服强度大于830 MPa,比传统的飞机用1Cr18Ni9系不锈钢管的强度高很多。因此,在相同的强度下,可减小管壁厚度,达到减重的目的。

0Cr21Ni6Mn9N不锈钢管通常采用多次冷拔(轧)加工成型,为消除加工硬化,便于进一步加工成型,在冷拔(轧)工序之间需进行退火热处理,而退火处理对材料的组织和性能有着决定性影响,但国内对此方面的研究却较少报道。为此,作者研究了退火热处理温度对冷拔0Cr21Ni6Mn9N不锈钢管显微组织与拉伸性能的影响。

试样制备与试验方法

试验选用冷拔态0Cr21Ni6Mn9N不锈钢管,化学成分见表1。1#～3*钢管的外径和壁厚分别为14 mm×0. 7 mm, $12 mm×0.6 mm, p9.53mm×0.51 mm。

对试验钢管进行退火处理,即在箱式马弗炉加热至不同温度,保温1h或8h后空冷,具体热处理工艺见表2。从热处理后钢管上取长度为200 mm的拉伸试样,按照GB/T228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》在Instron 5887型电子万能材料试验机上测拉伸性能,结果取3个试样的平均值。金相试样从热处理后2"钢管上切取,长度约为15 mm,采用镶样机镶样,对其横截面进行磨制、机械抛光,电解腐蚀(电解液为体积分数40%的硝酸水溶液),然后在Leica DMIM型光学显微镜下观察显微组织。采用扫描电镜(SEM)观察析出物的形貌,并用附带的EDS分析其成分。

退火湿度对显微组织的影响

由图1可以看出,未退火的冷拔态钢管晶粒为大小均匀且沿径向拉长的等轴晶;在600 ℃及以下温度热处理后,晶粒尺寸和形状变化不大;当热处理温度为650 ℃时,部分等轴晶内形成了孪晶,且随温度的升高,孪晶数量增加,尺寸增大,晶界也变得相对模糊。这是因为奥氏体钢层错能较低,当退火温度一定时,容易形成退火孪晶,随温度增高,孪晶密度增加。

由图2可见,3#钢管经700℃×1 h退火后,晶界上存在少量粒状的白色析出物,由EDS分析可初步判断该析出物为富铬的碳化物(Cr C)。这是因为OCr21Ni6Mn9N奥氏体不锈钢敏化温度区间在540～870 ℃之间,当在此温度区间加热时会析出碳化物(Cr2sC)。当碳化物在晶界析出时,会造成其周围局部区域形成贫铬区(低于11.7%)。贫铬区为微阳极,而碳化物(Cr2aC)及晶内区域为微阴极，微阳极和微阴极处于电解质溶液中时,发生了电化学腐蚀(晶间腐蚀),因此,组织中晶界模糊。

退火温度对拉伸性能的影响

为便于比较分析,将未进行退火试样的退火温度设定为25 ℃。从图3中可以看出,不同规格尺寸的钢管的室温拉伸性能与退火温度的关系基本相同。1及钢管经200℃退火后的抗拉强度和屈服强度比退火前的都有所提高,伸长率略有下降;退火温度在200～550℃之间时,其抗拉强度、屈服强度和伸长率相对稳定,都没有太大的变化;当退火温度高于550℃时,其抗拉强度和屈服强度都开始明显下降,伸长率则明显提高。2*钢管经600 ℃以下温度退火后,其抗拉强度、屈服强度和伸长率与退火前的相比都没有明显变化;当温度高于600℃后,随温度提高,抗拉强度和屈服强度明显下降,伸长率则明显提高。3"钢管经200℃退火后的抗拉强度比退火前的有所提高,屈服强度明显提高,伸长率变化不大;退火温度在200～550℃之间,抗拉强度和屈服强度都没有大的变化,伸长率略微提高;当退火温度升高至550 ℃时,抗拉强度和屈服强度都开始下降，伸长率相应提高。

0Cr21Ni6Mn9N奥氏体不锈钢在冷变形加工成型过程中,会发生加工硬化,材料内部出现各种缺陷以及残余应力,而且存在很高的变形畸变能。退火时,有三个因素的作用会影响钢的强度和塑性。第一,退火时加工硬化形成的变形畸变能通过点、线缺陷的运动有所释放,如空位迁移至晶界、位错或与间隙原子结合而消失,同时位错被激活,处于同一滑移面上的异号位错可能互相吸引而会聚并抵消,使位错密度下降,减弱加工硬化效果,使强度下降,塑性提高;第二,0Cr21Ni6Mn9N奥氏体不锈钢中含有较多的氮元素,退火处理时,金属氮化物会自奥氏体组织中弥散析出,使强度提高,塑性下降;第三,退火时0Cr21Ni6Mn9N不锈钢中的残余内应力会显著下降,有助于强度提高,但塑性下降。当退火温度较低时,第二、第三因素的叠加作用等同或略大于第一因素的,使得材料强度变化不大或有所提高,而塑性变化不大或略有下降。当退火温度较高时,第一影响因素占主导作用,此时,除点、线缺陷的运动外，面缺陷也开始运动,如晶粒内某一晶面发生层错而形成孪晶,如图1所示,变形畸变能可大部分或*释放,使得加工硬化效应大部分或*消除,导致材料性能发生显著变化,如强度下降,塑性升高。另外由于晶界上析出了碳化物(Cr23C),如图2所示,使晶界强度下降,同时使奥氏体组织内碳含量和合金元素的含量下降,降低了合金强化的作用,也会使材料强度下降,塑性提高。

结论

(1) OCr21Ni6Mn9N冷拔奥氏体不锈钢钢管经600 ℃以上温度退火后,在晶界上明显析出了碳化物(Cr2aC),晶粒内有退火孪晶形成,随温度升高，孪晶密度增加。

(2)0Cr21Ni6Mn9N冷拔奥氏体不锈钢钢管经200～550℃退火后,强度稍有提高,塑性略有下降;当退火温度高于600℃时,强度明显下降,塑性则明显提高。