N08020镍基合金热处置工艺及组织性能

上海雄钢

随着社会的展开，人们对环境的需求日益高，传统的工业范畴接受了越来越严重的环境压力，特别是以化学和化工范畴对环境的影响最为突出。作为国民经济的前提，化学和化工行业必须加大对能源的应用率，降低污染物排放，所以要改善传统工艺的进步效率。目前，我国的铁镍基和镍基合金得到了普遍的应用。N08020合金在耐酸腐蚀、耐应力腐蚀等方面得到了普遍的应用。

N08020(我国规范牌号NS143)合金；又称20号合金，是一种高Cr，Ni，Mo，Nb单相奥氏体合金，由于合金的成分越来越多，普通的奥氏体组织会发作碳化物、氮化物、析出相等一系列危害，这种缺陷对资料的机械特性和耐蚀性有很大的影响即N08020的稳定性急需进一步进步。本论文主要是从热处置工艺中对 N08020钢管的性能影响入手，并给出了细致的热处置工艺。

1实验资料与措施

1.1实验资料

经VIM(真空凝结ESR(电渣重熔)中止冶炼，再将其锻构成260毫升的管坯，再将其挤压成114毫升的无缝钢管。实验资料的主要化学组成如表1所示。

1.2实验措施

经过工业消费来完成实验。首先，应用热挤收工艺消费毛管，然后对挤出毛管中止高温固溶、冷轧、废品热和稳定性处置。

应用DMI3000M金相显微镜察看了挤压态、高温固溶态、冷轧+固溶态、固溶+稳定性不同的状态的金相组织形态和晶粒度；用Inspekt1000电子拉伸测试机和ZHU3000硬度仪在不同的状态下中止拉伸测试和硬度测试；应用NovaNanoSEM430扫描电子显微镜(SEM)对剖析容颜和组成中止了剖析，从而判别了却构和类型。

2实验结果及讨论

2.1热挤压后组织性能

毛管热挤压完成后，立刻入水冷却。沿径向取样，对管材中止组织形貌剖析，样品尺寸为Φ10mm×10mm。Φ114mm×15mm挤压管材金相组织如图1所示。由图1可见，外名义金相中的第二相含量较多，呈条带状横跨多个晶粒，如图1（a）～（b）所示。内名义的第二相含量较少，金相组织比较纯真，呈现典型的奥氏体组织，且存在较多的孪晶。孪晶主要是在回复及再结晶过程中产生，且随着晶粒长大而长大。

对第二相组织中止了SEM能谱剖析，呈现高Cr、高Mo、低Fe的元素散布，分离铁镍基合金及镍基合金的成分特性，能够判定第二相应该是σ相组织。析出相的高倍形貌及能谱如图2所示。

关于所述的Φ114mm×15mm挤压管材，第二相呈现的位置为距外名义3mm以内。依据内、外名义析出相含量差别较大能够判别，挤压工艺是比较合理的。挤压终了有一个热锯切压余的过程，该过程的时间约为1min，在该过程中管材裸露在空气中自然冷却，外名义与空气有较大的温度梯度，散热较快，温度会大幅度降落，而管材的内名义无法快速散热，热量会向管材的外名义弥补，招致外壁无法立刻冷却至室温，外名义的温度会在析出区间停留，从而析出大量第二相；而内名义无法快速散热，温降较小，未在析出范围，因而内壁不存在析出相。

2.2固溶处置后显微组织

对N08020挤压管材中止固溶处置，在1200℃下保温30min，N08020合金管材高温固溶显微组织形貌如图3所示。固溶处置后，N08020挤压管组织中的析出相全部回溶，组织为单一的奥氏体组织；晶粒尺寸平均性较差，存在部分晶粒的异常长大。关于N08020材质而言，合金含有0.5%的Nb元素，Nb作为细化晶粒的元素，具有激烈的Nb（C，N）析出倾向，障碍晶粒的长大。普通的含Nb元素不锈钢资料，1200℃的固溶温度是无法使晶粒异常长大；关于含Nb不锈钢而言，晶粒尺寸过于粗大，这必定与该钢种的基体组织及元素有关。孟繁茂等人的研讨证明了这一点：Nb的固溶度与Ni元素的含量有关，随着Ni元素含量的增加，Nb的固溶度显著提升。

2.3固溶处置对晶粒度的影响

毛管经过固溶处置，管材内外名义均无析出相，经过Φ114mm×15mm→Φ88.9mm×11.13mm冷轧后，资料内部累积了庞大的形变能量，经过重新固溶，能够完成回复再结晶。因而，研讨热处置温度对再结晶的影响至关重要。

经过不同温度热处置20min后的晶粒形貌如图4所示。该合金在1000℃即完成了回复再结晶，无剩余的变形带存在，晶界比较洁净，无明显可见的第二相存在，平均晶粒尺寸约为22μm。随着固溶温度升高至1050℃，晶粒尺寸有长大的倾向，平均尺寸变为约30μm，组织形貌与1000℃时相比无明显变更。当固溶温度升高至1100℃，晶粒尺寸快速长大，平均晶粒尺寸约为57μm。当固溶温度升高至1150℃，平均晶粒尺寸约为73μm，这与荒管固溶效果较为匹配。荒管经过1200℃的固溶后，平均晶粒尺寸约为100μm。

图4所示也为回复再结晶及晶粒长大的过程。晶粒长大的驱动力是界面能的降低。在界面能的驱动下，晶界发作迁移，晶粒长大。晶粒尺寸较小时，晶界多，界面自由能较高，所以在一定热力学条件下，必定自发地向减小晶界面积、降低界面能的方向展开。因而随着固溶热处置温度的升高，必定会发作小晶粒兼并、弯曲界面变平直的现象。

晶界迁移的实质是原子穿过界面的扩散，这种扩散是原子微观随机腾跃的宏观统计表示，具有普通热激活过程的共同特性。温度对晶界迁移速度有明显的影响，晶粒长大过程可用阿雷尼乌斯公式描画：

D^2-D0^2=Aexp(-Q/RT)(1)

式中D———某固溶温度下的平均晶粒尺寸，μm；

D0———奥氏体刚形核后的原始晶粒尺寸，μm；

A———因子；

Q———晶粒长大表观激活能，kJ/mol；

R———气体常数；

T——固溶温度，K。

思索到D20<<D2，公式（1）可近似为：

D^2=Aexp(-Q/RT)(2)

将公式（2）中止对数转换,得公式（3）：

InD=1/2InA-Q/2R1/T(3)

将图4中的固溶温度转换为K-1方式，将晶粒尺寸做对数处置，晶粒尺寸与温度的数据见表2。

绘制lnD与1/T关系曲线，N08020合金平均晶粒尺寸与固溶温度的关系如图5所示，数据具有线性特征，其斜率为常数，因而能够经过斜率预算晶粒长大激活能。选用首尾两点中止斜率计算，结果为1.46×10^4，代入公式（3），可得晶粒长大的扩散激活能为242kJ/mol。

晶体的结构类型对扩散系数影响很大。Fe有两种点阵结构，体心立方点阵的α-Fe和面心立方点阵的γ-Fe，合金元素在不同点阵中的扩散激活能是有差别的。Ni元素在γ-Fe中的扩散激活能为296.8kJ/mol，Cr元素在γ-Fe中的扩散激活能为286.8kJ/mol，Mo元素在γ-Fe的扩散激活能为239.8kJ/mol，Ni、Cr、Mo元素的扩散激活能与晶粒长大的扩散激活能数值相差不大。关于N08020合金而言，晶体中Cr-Ni-Mo-Fe元素的原子半径相差不大，均应占领的是晶体的结点位置，所以金属元素只能是置换固溶体。因而，晶粒回复再结晶的过程均是经过空位机制扩散完成的。

2.4稳定化的影响

稳定化处置与固溶处置机理不同。固溶处置是避免Cr23C6的析出，通常是高温热处置后急速冷却构成过饱和固溶体的工艺。稳定化的过程是过饱和固溶体失稳而构成稳定性相的过程，相变过程是自发中止的，在恒温恒压下的稳定化过程，会使吉布斯自由能降低，通常会将此自由能转变为相变驱动力。也就是说，固溶处置构成的过饱和固溶体是一种不稳定的状态，在一定的热力学条件下，会促进碳化物的析出，招致资料的耐蚀性能变坏。稳定化则主要针对的是含Nb、Ti元素的不锈钢资料，通常在Nb（C，N）的析出区间长时间保温，普通在3h以上，促进Nb（C，N）的大量析出，从而障碍Cr23C6的构成。关于含Nb的奥氏体不锈钢，GB5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》对其固溶后的稳定化提出了请求。

分离N08020钢种的特性，在1000℃中止长时间热处置，以期抵达稳定化的效果。通常稳定化的时间为3h，基体组织中Nb（C，N）还会对金属滑移产生钉扎，并在再结晶的过程中障碍晶粒长大，起到细化晶粒的作用，同时细晶的强化作用也能表示出来，长时间的稳定化并未使晶粒明显长大，但是高放大倍数下的组织呈现了明显的第二相析出，析出相呈圆形的颗粒状，尺寸缺乏0.1μm，SEM能谱检测发现第二相的主体成分为含Nb元素的化合物。

分离Nb元素的析出原理，通常有Nb（C，N）及称为γ"的Ni3Nb析出相。思索到Ni3Nb粒子尺寸十分细小，约20nm，无法经过SEM察看到，能够判定，析出的细颗粒状第二相为Nb（C，N）。Nb（C，N）的大量析出能够改善合金的耐晶间腐蚀性能，同时细颗粒的第二相析出会对资料的力学性能产生影响。

第二相总是倾向于在总的名义能和应变能最小时构成，因而析出物的外形是总应变能和总名义能综合影响的结果。无论是共格或非共格的析出物，球状的阻力最小。稳定化热处置后N08020合金的显微形貌及析出相如图6所示，稳定化后的析出物均以球状的形态呈现。

2.5热处置对力学性能的影响

检测了不同状态的N08020管材的硬度及力学性能。不同状态N08020管材的硬度检验结果如图7所示。热挤压态钢管的洛氏硬度抵达74HRB，一方面挤压过程的变形量较大，晶粒内部存在着剩余的组织应力；另一方面，经过了大的热变形后，晶粒重新完成了回复和再结晶，晶粒较细，外名义还存在析出的弥散第二相，使得组织内部存在畸变能，招致硬度较高。随后经过1200℃高温热处置后，硬度减至68HRB。由于高温热处置使得析出相回溶，同时消弭了热挤压过程中管材内部存在的热应力及组织应力，使晶粒内部存在的惹起组织畸变的位错和空位等晶体缺陷消弭，招致管材的硬度呈现了明显的降落。再经过冷轧+1000℃（20min）固溶后，管材的硬度为73HRB，与荒管固溶后相比，进步了5HRB，但随着稳定化时间的延长，硬度随即产生了较大的提升。阐明经过长时间稳定化，Nb（C，N）的弥散批量析出，对硬度产生了较大的影响。

图8所示为不同状态N08020管材的力学性能检验结果。热挤压状态的屈从强度为300MPa，抗拉强度为600MPa，伸长率为50%。经过高温热处置后，力学性能指标均呈现较大水平的降落，屈从强度直接降至230MPa，抗拉强度降至550MPa，伸长率增加至60%，可见，高温热处置对塑性的改善是十分明显的；经过冷轧+固溶后，由于采用了1000℃的固溶温度，平均晶粒尺寸在22μm左右，屈从强度进步至250MPa，抗拉强度提升至560MPa，伸长率降至55%，细晶强化的效果较为明显；然后经过3h的稳定化以后，强度数值又有一定的提升，而伸长率有所降落。第二相的脱溶过程构成了组织内部的畸变，招致强度的升高，塑性的降落。这与硬度指标及金相形貌较为吻合。

综上所述，不同热处置制度对N08020合金的性能影响十分明显，晶粒强化和析出强化对组织的影响不能疏忽。

3结语

（1）N08020无缝钢管的挤压过程必定会有σ相析出，管材外名义的析出相含量明显多于内名义，挤压后的冷却过程是构成析出相产生的缘由。

（2）N08020合金经过1200℃、30min高温固溶后，其组织中的析出相能够完整溶解，平均晶粒尺寸长大至100μm左右。

（3）固溶处置温度对N08020合金晶粒尺寸的影响很大。温度从1000℃升高至1150℃，平均晶粒尺寸从22μm长大至73μm。晶粒长大的过程契合阿雷尼乌斯公式，晶粒长大的激活能与合金元素的扩散激活能接近。

（4）不同的热处置制度对N08020合金的硬度和力学性能有明显的影响。1000℃、3h的稳定化工艺能够使基体脱溶出弥散的Nb（C，N）第二相，同时会改善资料的硬度、力学性能和耐蚀性，该工艺是N08020合金的最佳热处置工艺。