904L超级奥氏体不锈钢试制开发与性能试验
摘要：利用多功能炼钢中频感应熔炼炉在实验室成功冶炼了904L超级奥氏体不锈钢并进行了热轧轧制试验，对浇铸后的铸坯组织和夹杂物进行了分析，并对热轧板在不同温度下进行了固溶处理和性能检测。结果表明，冶炼后的904L铸坯组织均匀，以粗大长条状柱状晶为主，夹杂物分布较少，数量较小；在不同温度固溶处理后性能存在一定的差异，1120℃固溶处理后组织细小、均匀。
但由于904L属超低碳、多元素复合作用的高合金材料，冶炼过程中，C、N等不易控制，高合金难以熔炼，易于产生偏析；同时，由于大量的固溶原子会产生固溶强化作用,增大变形抗力；二次相的析出大大降低了钢的热加工性,使得钢在热加工过程中尤其厚板容易出现分层开裂或表面开裂，热变形困难。
某中试试验厂利用200Kg中频感应熔炼炉成功冶炼了904L不锈钢，并在450中试轧制试验机上进行了模拟轧制，检测了铸坯低倍组织和夹杂物，对热轧板进行了固溶实验和性能检测。
表1 904L冶炼试验配料（Kg）
将表1物料加入感应炉坩埚内，进行熔化，待钢水全部熔清，温度达到1650℃时进入AOD精炼阶段，为保证底吹风口不被堵塞，在炉料熔化过程中风口吹入一定流量的氩气，之后进行吹氧脱碳操作，吹氧前加入石灰、萤石，并将感应炉电源功率降至较低水平，以维持钢水温度基本不下降；同时精炼过程中做好钢水温度控制，吹氧脱碳期温度1650-1700℃，还原期温度1600-1650℃。实际生产过程中吹氧脱碳温度在1654-1677℃，还原温度在1619-1675℃，开浇温度1574℃。
表2为冶炼后铸坯最终成份，从冶炼后成分可计算出，铬当量Creq=%Cr+%Mo+1.5%Si+0.5%Nb=25.6，镍当量Nieq=%Ni+30%（C+N）+0.5%Mn=27.0，Creq/Nieq=0.95，冶炼达到目标成份要求。根据奥氏体不锈钢凝固模式，结合Creq=25.8%时的Fe-Cr-Ni合金相图（图1），在此成份下其凝固模式应属于典型的A凝固模式：L—L+γ—γ，铸坯质量较好。对浇铸后的铸坯切样，铸坯内部未发现缩孔、夹杂、微裂纹等缺陷，和理论结果一致。
表2 904L冶炼后化学成份（质量分数，%）
图1 25.8%Cr时的Fe-Ni-Cr相图
1.2 轧制试验
轧制试验在450中试轧制试验机上进行，试验坯尺寸为45mm×110mm×175mm，要求试验坯入炉温度850℃，然后加热至1260℃后保温1h，开轧温度≥1080℃，终轧温度≥850℃，采用11道次轧制，总压下率93%，最大道次压下率34%。实际轧制过程中轧制力及轧制温度如图2所示，从图中可看出，轧制过程中4-6道次轧制力最大，约为1300-1400KN，开轧温度1160℃，终轧温度710℃，未能满足不低于850℃终轧温度要求；轧制后，钢板边部除有轻微裂纹外，其余表面质量良好，在第二次试验轧制过程中，进一步优化了轧制工艺，减少了轧制道次，提高了轧制速度，轧制后钢板边部裂纹较第一次有了一定的减少。通过此两次轧制实验总结可知，在后续轧制试验过程中可进一步减少轧制道次，提高道次压下率，减小轧制过程中温降，提高终轧温度。
图2 904L轧制力、轧制温度与轧制道次关系（a 轧制力 b 轧制温度）
2.1 铸坯低倍组织及夹杂物
将904L铸坯沿厚度方向剖开、打磨、抛光，然后采用盐酸溶液侵蚀抛光面，观察板坯的低倍组织，如图3所示。从图中可以看出，铸坯柱状晶区发达、粗大，呈现出具有同一方向性的连续柱状枝晶结构，比例大约有90%以上，占比较大，而表面的细晶区和心部的等轴晶区较少，范围较窄；对铸坯取样成分分析基本同表2所示，证实成分分布均匀，未发现偏析现象。图4为铸坯中的夹杂物数量及分布，夹杂物尺寸较小、基本在5-10μm，且数量较少。
图3 904L铸态低倍组织 图4 904L铸坯中夹杂物分布
2.2 钢板固溶处理实验结果
对热轧后钢板在1060℃、1090℃、1120℃、1150℃等不同温度下保温30min进行固溶处理，固溶处理后的性能试验结果如图5所示。从图中看出，随着固溶处理温度的变化，904L性能发生一定变化，屈服强度和抗拉强度呈现一定的下降，但变化不是很明显，延伸率呈现一定的上升，硬度呈现先下降后上升趋势，但均满足GB/T4237-2012标准之相关规定，综合试验性能来看，在1150℃退火后表现出综合的力学性能。
图5 904L热轧板不同温度下的性能（a，强度；b,延伸率；c，HV）
2.3 显微组织
图6为1120℃固溶处理后904L板的显微组织，从图可知，经固溶处理后晶界处的高温析出相已基本溶解固溶于奥氏体基体中，组织基本全为等轴晶的单一奥氏体组织，有少量孪晶组织出现，但未出现明显的条带状及第二相组织，晶粒均匀，晶粒尺寸在40-50μm之间，晶粒度为5-6级。
图6 904L热轧态固溶处理后显微组织（a，边部；b，心部）
2）904L铸坯组织均匀，以粗大长条状柱状晶为主，夹杂物分布较少，数量较小；不同温度固溶处理后性能存在一定的差异，1120℃固溶处理后组织基本全为等轴晶的奥氏体组织，平均晶粒尺寸为40-50μm，晶粒细小、均匀，未出现条带状组织。
3）904L合金元素Cr、Mo、N含量高，热加工过程中变形抗力大，合理控制开轧和终轧温度，能较好预防和减少轧制后钢板开裂。
（作者：酒钢宏兴研究院李玉峰等，不锈钢分会编辑）
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