白 箴 董 霞 劉科虹

(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 014033)

TP321奧氏體不銹鋼無(wú)縫鋼管垂直擠壓工藝研究

白 箴 董 霞 劉科虹

(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 014033)

利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)GLEEBLE3500對(duì)TP321奧氏體不銹鋼進(jìn)行了等溫恒應(yīng)變壓縮試驗(yàn)，分析了變形程度、擠壓溫度對(duì)實(shí)際晶粒度的影響。在試生產(chǎn)中驗(yàn)證確定了合理的工藝參數(shù)，為TP321奧氏體不銹鋼無(wú)縫鋼管垂直擠壓工藝的制定提供了技術(shù)依據(jù)和支持。

TP321奧氏體不銹鋼;擠壓工藝;晶粒度;變形

我國(guó)對(duì)TP321奧氏體不銹鋼大口徑厚壁無(wú)縫鋼管的需求在以往主要依賴進(jìn)口。近幾年，隨著科技水平和制造水平的發(fā)展，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)開始進(jìn)行TP321奧氏體不銹鋼無(wú)縫鋼管的國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)工藝研究，初步掌握了TP321奧氏體不銹鋼無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)工藝，逐漸以國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品代替進(jìn)口產(chǎn)品。在利用360 MN垂直擠壓機(jī)擠壓TP321奧氏體不銹鋼大口徑厚壁無(wú)縫鋼管時(shí)，要使晶粒度滿足技術(shù)要求，需要對(duì)該類材料的特性及其擠壓工藝參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性的工藝研究。本文對(duì)TP321材料擠壓力和變形程度與擠壓溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，制定了該類材料無(wú)縫鋼管合理的垂直擠壓工藝。

1 試驗(yàn)材料和方法

為了解TP321奧氏體不銹鋼在熱態(tài)下的變形抗力，以確定垂直擠壓的可行性，利用美國(guó)熱模擬試驗(yàn)機(jī)(GLEEBLE3500-10/1-75)進(jìn)行了等溫恒應(yīng)變壓縮試驗(yàn)，以了解該材料在熱變形狀態(tài)下的應(yīng)力。切取奧氏體不銹鋼試片，將其加工成?10 mm×12 mm的圓柱試樣。熱壓縮試驗(yàn)時(shí)在試樣兩端墊上石墨片，以減少端面摩擦力，避免出現(xiàn)明顯的腰鼓和側(cè)翻等不均勻變形現(xiàn)象。試樣壓縮時(shí)，變形溫度分別為 950℃、1 050℃、1 070℃、1 100℃、1 200℃和 1 250℃，應(yīng)變速率分別為 0.1 s－1、1.0 s－1，變形程度(高度壓縮率) 分別為35%、40%、45%、50%、55%、60%。試樣的加熱速率為10℃/s，加熱保溫時(shí)間300 s，然后進(jìn)行壓縮。加熱和變形都是在真空條件下進(jìn)行，壓縮變形后采用空冷。變形過(guò)程中溫度和應(yīng)變速率由熱模擬試驗(yàn)機(jī)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制保持恒定。由試驗(yàn)直接得到的載荷-行程曲線經(jīng)專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及摩擦修整，直接輸出應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熱模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖1(a)～(f)中可以看出，當(dāng)應(yīng)變速率不變時(shí)，隨著擠壓溫度升高，流變應(yīng)力減小，這表明TP321奧氏體不銹鋼的流動(dòng)應(yīng)力對(duì)變形溫度較敏感。但是，隨著變形程度增大，流動(dòng)應(yīng)力也增大。950℃時(shí)，即使變形程度只有35%，其流變應(yīng)力仍高達(dá)280 MPa;在1 050～1 100℃時(shí)，變形程度60%的流變應(yīng)力為(210～230)MPa;在1 200～1 250℃時(shí)，變形程度60%的流變應(yīng)力約為(75～150)MPa。因此，選取較小的變形程度和較高的溫度可以減小變形過(guò)程中的流變應(yīng)力。在保證產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的條件下，選取適當(dāng)?shù)募訜釡囟群妥冃纬潭扔葹橹匾?/p>

從圖1應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析得出，在滿足擠壓產(chǎn)品技術(shù)要求的條件下，采用相對(duì)較小的變形量可以避免擠壓過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)高的擠壓力。只要產(chǎn)品的實(shí)際晶粒度滿足技術(shù)要求，選取在1 050～1 200℃進(jìn)行擠壓是可行的。

2.2 金相結(jié)果分析

TP321奧氏體不銹鋼鋼管產(chǎn)品要求按ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)晶粒度，規(guī)定為5～7級(jí)。擠壓生產(chǎn)的鋼管產(chǎn)品的實(shí)際晶粒度與擠壓溫度存在密切的關(guān)系，擠壓溫度的高低決定著實(shí)際晶粒度的大小。選擇較高的擠壓溫度可以降低擠壓力，緩解擠壓機(jī)的壓力，但是也會(huì)使實(shí)際晶粒度粗化，滿足不了鋼管產(chǎn)品的技術(shù)要求。為此要在許用的1 050～1 200℃之間選擇合理的擠壓溫度，對(duì)于擠壓管坯的實(shí)際晶粒大小和擠壓設(shè)備保護(hù)是至關(guān)重要的。本文通過(guò)對(duì)950℃、1 070℃、1 100℃和1 200℃熱模擬擠壓溫度下晶粒度的檢測(cè)選擇出了能夠使鋼管產(chǎn)品實(shí)際晶粒度滿足技術(shù)要求的擠壓溫度。

通過(guò)熱模擬試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)并結(jié)合金相分析結(jié)果可明顯地看出，在950℃條件下，變形不均勻?qū)е聡?yán)重的混晶現(xiàn)象，特別是其中白色帶狀區(qū)晶粒粗大，達(dá)到1級(jí)，最細(xì)的也僅為4.0～6.0級(jí)，見圖2。由此表明擠壓溫度低會(huì)導(dǎo)致變形不充分。

圖1 TP321鋼在應(yīng)變速率為0.1/s時(shí)不同變形量和擠壓溫度條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 1 Stress-strain curve at various of deformation and extrusion temperature terms of TP321 steel when strain speed is 0.1/s

圖2 變形溫度950℃時(shí)不同變形量下的實(shí)際晶粒分布Figure 2 Actual grain distribution of various deformation when deformation temperature is 950℃

圖3 變形溫度1 070℃時(shí)不同變形量下的實(shí)際晶粒分布Figure 3 Actual grain distribution of various deformation when deformation temperature is 1 070℃

圖4 變形溫度1 100℃時(shí)不同變形量下的實(shí)際晶粒分布Figure 4 Actual grain distribution of various deformation when deformation temperature is 1 100℃

在變形溫度為1 070℃時(shí)，混晶比較嚴(yán)重，基本上是4.0級(jí)和6.0級(jí)，4.0級(jí)占的比例較大，6.0級(jí)所占比例較小，見圖3。

在變形溫度為1 100℃時(shí)，實(shí)際晶粒度基本上是5.0～6.0級(jí)，晶粒分布較均勻。但是從試驗(yàn)的數(shù)據(jù)判斷，隨著變形量增大，晶粒逐漸細(xì)化，見圖4。

變形溫度為1 200℃時(shí)，試樣心部和邊緣的實(shí)際晶粒度差異較大，心部晶粒為3.0級(jí)，邊緣為6.0級(jí)左右，見圖5。這是由于在較高溫度下完成變形后，心部溫度偏高，且未及時(shí)降溫致使晶粒長(zhǎng)大;而邊緣散熱相對(duì)較快，抑制了晶粒長(zhǎng)大。可見在此溫度下控制實(shí)際晶粒度滿足鋼管產(chǎn)品的技術(shù)要求較難。

綜上分析來(lái)看，為滿足鋼管產(chǎn)品的技術(shù)要求，TP321奧氏體不銹鋼的變形溫度確定在1 070～1 200℃最佳，不僅滿足實(shí)際晶粒度的要求，而且變形抗力小。

3 試生產(chǎn)驗(yàn)證

3.1 擠壓情況

在試生產(chǎn)的過(guò)程中共進(jìn)行了三次擠壓試制，前兩次擠壓試制沒(méi)有成功，第三次擠壓成功。具體試擠時(shí)調(diào)整的工藝參數(shù)見表1。

第三次成功擠出的管坯料在熱態(tài)下表面狀態(tài)較好，不彎曲，兩端面平直。管坯料外形見圖6。

圖5 變形溫度1 200℃時(shí)不同變形量下的實(shí)際晶粒分布Figure 5 Actual grain distribution of various deformation when deformation temperature is 1 200℃

表1 三次擠壓試制工藝參數(shù)Table 1 Technical parameter of three times trial extrusion production

圖6 熱態(tài)下的管坯料Figure 6 Tube billet under thermal state

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test result ofmechanical performance

3.2 管坯裁剖試驗(yàn)

對(duì)試擠出的第一支經(jīng)固溶處理和穩(wěn)定化處理的4 800 mm長(zhǎng)的TP321奧氏體不銹鋼大口徑厚壁無(wú)縫鋼管分別在兩端和中間切片做裁剖試驗(yàn)，對(duì)各試樣進(jìn)行力學(xué)性能、金相檢查和晶間腐蝕試驗(yàn)。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表2，各試樣的彎曲試驗(yàn)結(jié)果均合格。

按照ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了實(shí)際晶粒度檢測(cè)，按ASTM E381進(jìn)行金相檢驗(yàn)。金相檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

對(duì)無(wú)縫管試樣先進(jìn)行敏化處理，在650℃下保溫1 h后進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 金相檢查結(jié)果Table 3 M etallographic inspection result

4 結(jié)論

裁剖試驗(yàn)結(jié)果表明，試擠出的無(wú)縫鋼管各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了TP321奧氏體不銹鋼無(wú)縫鋼管技術(shù)要求。證明試擠中確定的擠壓工藝參數(shù)是合理的。利用該工藝能夠生產(chǎn)出性能、質(zhì)量合格的鋼管產(chǎn)品。

表4 晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Crystal corrosion test result

編輯 杜 敏

Research on Vertical Extrusion Process of TP321 Austenitic Stainless Steel Seamless Pipe

Bai Zhen，Dong Xia，Liu Kehong

By dealingwith thermal simulative tester GLEEBLE3500，TP321 austenitic stainless steel has been conducted isothermal and constantstrain compression testand effectof deformation degree and extrusion temperature on actual grain size have been analyzed.Reasonable technical parameter has been verified and identified in trial production，which provided technical basis and support for vertical extrusion process establishment of TP321 austenitic stainless steel seamless pipe.

TP321 austenitic stainless steel;extrusion process;grain size;deformation

TG376

B

2013—12—24

白箴(1956—)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事塑性變形工程工作。