包翠敏 莊春瑜 陳 蕊 譚朝鑫*/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

熱處理對21-6-9鋼性能及顯微組織影響

包翠敏 莊春瑜 陳 蕊 譚朝鑫*/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展及能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國大量應(yīng)用清潔能源液化天然氣（LNG Liquefied Natural Gas）是必然的發(fā)展趨勢。在LNG的長途運(yùn)輸過程及站點(diǎn)儲藏期間，為了保持LNG的液化狀態(tài)，需要使用壓縮機(jī)對氣化部分天然氣進(jìn)行壓縮重新液化，并輸送回儲藏罐。LNG壓縮機(jī)作為LNG運(yùn)輸和存儲過程中的必備裝置，在眼下及未來一段時間里有著相當(dāng)廣闊的市場前景。LNG壓縮機(jī)與常規(guī)壓縮機(jī)的重要區(qū)別之一在于其壓縮介質(zhì)溫度低（-163℃），故此對制備壓縮機(jī)用材料的低溫性能要求很高[1-4]。

21-6-9鋼（又稱HR-2鋼）是綜合性能優(yōu)異的一種鐵基單相高強(qiáng)度奧氏體不銹鋼，是LNG壓縮機(jī)用良好的低溫材料。由于在室溫及低溫狀態(tài)下，21-6-9鋼都會保持穩(wěn)定的奧氏體狀態(tài)，無相變發(fā)生，因此具有優(yōu)異的低溫韌性和抗裂紋擴(kuò)展能力，是一種性能優(yōu)異的低溫結(jié)構(gòu)材料。該鋼種的合金化元素為Cr、Ni和Mn，這些元素除了起到穩(wěn)定奧氏體的作用外，還可起到固溶強(qiáng)化的作用。特別需要指出的是，21-6-9合金中添加了一定量的元素N（0.2-0.34 wt.%），這是一種強(qiáng)固溶強(qiáng)化元素，可顯著提高合金的加工硬化能力和室溫力學(xué)性能。通過熱處理工藝參數(shù)調(diào)整，21-6-9鋼可進(jìn)一步優(yōu)化其組織及性能，目前關(guān)于熱處理對21-6-9鋼顯微組織結(jié)構(gòu)及性能影響鮮有報道。本文旨在研究單相高強(qiáng)度21-6-9奧氏體不銹鋼的熱處理機(jī)制及各項熱處理參數(shù)對其組織和性能的影響[5-6]。鑒于21-6-9鋼為固溶強(qiáng)化奧氏體，時效處理過程中沒有沉淀強(qiáng)化相析出，故此本工作重點(diǎn)研究固溶處理工藝參數(shù)對材料性能的影響，而對時效溫度影響的研究，旨在考慮該材料在工程應(yīng)用過程中焊后消應(yīng)力時，可能涉及到該處理過程。

1 試驗方法

試驗所用材料采用電爐加電渣重熔冶煉技術(shù)取自300mm×150mm×25mm的鍛板。其化學(xué)成分范圍及熒光光譜實測成分如表1所示。

表1 21-6-9鋼的化學(xué)成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

從鍛板上取下試樣，并對其進(jìn)行熱處理，具體工藝如表2所示。

表2 21-6-9鋼的熱處理工藝參數(shù)表

熱處理后對試樣進(jìn)行性能分析，拉伸試驗按GB/T228-2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，沖擊試驗按GB/ T229-2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。晶粒度測定按國標(biāo)GB6394-2002金屬平均晶粒度測定法規(guī)定進(jìn)行。

利用MVC1000B型顯微硬度計對試樣進(jìn)行硬度測試（載荷為300g，加載時間為15s）；利用Nikon-MA100型的金相顯微鏡進(jìn)行光學(xué)顯微分析。

2 結(jié)果分析

2.1固溶處理溫度對21-6-9鋼顯微組織及性能影響

固溶處理溫度（見表2中編號1～6）對力學(xué)性能的影響見圖1～3。

由圖1可以看出，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度表現(xiàn)為一種緩慢下降的趨勢，抗拉強(qiáng)度總的下降幅度不超過10%；屈服強(qiáng)度總的下降幅度不超過15%。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間相差較大，屈強(qiáng)比約為0.6，在工程使用中為相對安全的材質(zhì)。塑性指標(biāo)隨固溶溫度的升高，變化不大、表現(xiàn)出具有良好的塑性。

圖2顯示固溶溫度升高，其低溫沖擊吸收能量不斷提高，可見固溶溫度對低溫沖擊吸收能量影響較大。當(dāng)固溶溫度提高到1 200℃時，低溫沖擊吸收能量有明顯提升，是由于研究材料的冶煉工藝決定的。電爐熔煉后電渣重熔的冶煉工藝滿足了該材料較低的價格適于工程大規(guī)模推廣使用的特性，同時引入顯微組織中較多的條帶狀碳化物第二相（EDS能譜分析顯示為Fe，Cr的碳化物）（見圖3），而固溶溫度提高到1 200℃，材料中明顯的第二相溶解。大量第二相明顯降低材料低溫沖擊吸收能量，而較高固溶溫度下第二相在溶解后，其低溫沖擊吸收能量提高約70%。

顯微硬度變化見圖4，顯示固溶溫度的變化對材料硬度影響很小，變化幅度約20HBW。

表3為固溶溫度對晶粒度及具體晶粒尺寸的影響。可見，當(dāng)固溶溫度不高于1 100℃時（對應(yīng)樣品編號1-4），晶粒度大于5，晶粒尺寸適中。固溶處理溫度進(jìn)一步升高，晶粒度明顯下降，晶粒粗大化現(xiàn)象嚴(yán)重。為便于觀察，將固溶溫度為1 050℃和1 200℃的材料顯微組織形貌列出，見圖3所示。晶粒長大的主要驅(qū)動力為晶界的界面能，在晶界能的驅(qū)動下，晶界遷移，界面自由能下降，發(fā)生晶粒長大，因此，晶粒長大與晶界遷移機(jī)制有關(guān)，而晶界遷移速度與溫度有明顯的依賴關(guān)系[7-8]。

表3 不同熱處理后21-6-9鋼的晶粒尺寸

總之，固溶處理是為了溶解基體內(nèi)碳化物及γ'相等以獲得均勻過飽和固溶體同時獲得適宜的晶粒度。固溶溫度過高為晶?？焖偕L提供驅(qū)動力，易誘發(fā)晶粒粗大化，對材料在中溫及低溫工況使用中的綜合性能有不利影響。1 050℃固溶處理得到的21-6-9鋼顯微組織晶粒細(xì)小且均勻，同時具有良好的綜合力學(xué)性能，為適宜固溶處理溫度。

2.2固溶冷卻方式對21-6-9鋼組織、性能的影響

改變固溶處理的冷卻方式，研究冷卻方式對21-6-9鋼顯微組織與性能的影響：水冷，油冷，強(qiáng)制風(fēng)冷及空冷。對經(jīng)不同固溶冷卻方式處理后21-6-9鋼的強(qiáng)度和塑性進(jìn)行分析，并對其低溫（-196℃）沖擊吸收能力及硬度進(jìn)行測試，結(jié)果見表4?？梢钥闯?，當(dāng)固溶冷卻方式不同時，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度隨著冷卻速度的加快或減慢（冷卻方式不同直接對應(yīng)冷卻速度不同）變化趨勢并不明顯。

表4 不同冷卻方式固溶處理的21-6-9鋼性能測試結(jié)果

不同的固溶冷卻方式對斷后伸長率、斷面收縮率影響較小；對低溫（-196℃）沖擊吸收能量有一定影響，空冷和油冷處理后，材料低溫沖擊吸收能量較水冷和強(qiáng)制風(fēng)冷的沖擊吸收能量低20J，但數(shù)值均在較好的工程可使用范圍內(nèi)；當(dāng)選擇固溶冷卻速度較慢的空冷、強(qiáng)制風(fēng)冷和油冷進(jìn)行熱處理時，顯微硬度相對較水冷后的硬度均值低20HBW，即冷卻速度對顯微硬度影響亦較弱。

表5為固溶冷卻方式對晶粒度影響。冷卻速度較快的水冷有利于保持較小的晶粒尺寸，而其他冷卻方式由于冷卻速度較慢，晶粒尺寸一定程度上長大。

表5 不同冷卻方式固溶處理的21-6-9鋼晶粒尺寸

通過研究固溶冷卻方式對21-6-9鋼組織與性能的影響發(fā)現(xiàn)，由于21-6-9鋼為固溶強(qiáng)化單相奧氏體材料，沒有明顯的析出相存在，故此冷卻方式對材料力學(xué)性能影響較小，但是較快的冷卻速度有利保持細(xì)小而尺寸均勻的晶粒狀態(tài)，即固溶冷卻選擇水冷比較適宜。

2.3時效溫度不同對21-6-9鋼顯微組織及性能影響

表6為時效溫度對力學(xué)性能影響，可看出隨著時效溫度升高，抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度變化幅度小且沒有明顯的變化趨勢；且均具有良好的斷后伸長率和斷面收縮率，整體隨著時效溫度升高呈現(xiàn)很小幅度下降；時效溫度對硬度影響不明顯。總之，

21-6-9鋼這類奧氏體單相不銹鋼，時效過程中沒有析出相形成，故時效溫度對材料強(qiáng)度、塑性以及硬度沒有明顯影響。

表6 1050℃保溫2h水冷后不同溫度時效的21-6-9鋼性能測試結(jié)果表

圖5為時效溫度對低溫沖擊吸收能量的影響，可以看出隨著時效溫度的升高，低溫沖擊吸能量整體呈下降趨勢，當(dāng)時效溫度升高到650℃，沖擊吸收能量明顯降低，以至于無法滿足工程使用要求。

圖6 為固溶態(tài)以及固溶后經(jīng)700℃時效的顯微組織。圖中對應(yīng)固溶態(tài)（編號3）顯微組織中晶界上沒有明顯析出物，而經(jīng)過700℃固溶后晶界布滿了細(xì)小的白色顆粒（經(jīng)650℃時效后的顯微組織與此相似），能譜分析為C-Cr化合物。細(xì)小的C-Cr化合物形成網(wǎng)狀訂扎在奧氏體晶界上，明顯增加材料脆性。與圖5中沖擊吸收能量曲線特性相吻合。圖中條帶狀顆粒相由該合金所采用的冶煉工藝引入。

表7為經(jīng)不同時效溫度處理后的晶粒度，可以看出：時效溫度對晶粒度影響并不明顯，晶粒度基本都在6左右。表明時效溫度較低無法為晶粒生長提供驅(qū)動力。

表7 1050℃保溫2h水冷后不同溫度時效的21-6-9鋼晶粒尺寸表

總之，時效溫度對21-6-9鋼強(qiáng)度、塑性、硬度以及晶粒度等影響不明顯，但時效溫度達(dá)到650℃時，該鋼種的低溫沖擊吸收能量接近工程應(yīng)用規(guī)定的下臨界值區(qū)（≥27J）。在工程中使用21-6-9鋼難免涉及焊接工藝，需要對該材料焊接后進(jìn)行消應(yīng)力等處理，消應(yīng)力溫度不要超過600℃。

3 結(jié)論

通過對比研究固溶處理溫度、固溶冷卻方式、時效處理溫度等熱處理參數(shù)對21-6-9鋼性能及顯微組織的影響，得出以下結(jié)論。

1）隨著固溶處理溫度的不斷升高（從950℃到1 200℃），強(qiáng)度緩慢下降，其塑性及顯微硬度變化趨勢不明顯，但低溫韌性明顯提高；當(dāng)其固溶溫度為1 050℃時，材料晶粒細(xì)小且均勻。

2）固溶冷卻方式對該鋼種的強(qiáng)度影響較小，經(jīng)不同固溶冷卻方式處理得到的材料塑性與低溫韌性都較好；當(dāng)固溶冷卻方式選擇水冷時，材料晶粒大小均勻且晶粒度級別較高。

3）時效處理溫度（從350℃到700℃）對強(qiáng)度、塑性、硬度以及晶粒度等的影響都不明顯，但對其低溫韌性影響顯著：隨著時效溫度的升高，低溫韌性明顯下降，當(dāng)時效溫度升高到650℃時，該鋼種的低溫韌性指標(biāo)接近工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下臨界值區(qū)。故在工程中對焊接后21-6-9鋼進(jìn)行消應(yīng)力處理時，應(yīng)該確保消應(yīng)力溫度不超過600℃。

綜上所述，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?1-6-9鋼可獲得良好的力學(xué)性能，使其在超低溫工況用壓縮機(jī)機(jī)殼、隔板等部件有著良好的應(yīng)用前景。

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：熱處理工藝對單相高強(qiáng)度21-6-9奧氏體不銹鋼顯微組織及力學(xué)性能影響顯著。本文在固定其他熱處理工藝參數(shù)情況下，分別對固溶處理溫度，固溶冷卻方式，時效處理溫度進(jìn)行研究，結(jié)果表明：固溶溫度對21-6-9鋼低溫韌性及晶粒尺寸影響顯著，1050℃是其最佳固溶處理溫度；固溶冷卻方式對其力學(xué)性能影響不明顯，但對其晶粒尺寸有較大影響，其中水冷處理方式能夠使21-6-9鋼得到尺寸均勻且細(xì)小的晶粒組織；時效溫度對其低溫韌性存在影響，表現(xiàn)為時效溫度過高（≥600℃）會導(dǎo)致低溫韌性明顯下降。經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囂幚?，實現(xiàn)21-6-9鋼屈服強(qiáng)度不低于438MPa，斷口伸長率47%，斷口收縮率不低于75%，同時具有良好的塑性及低溫韌性。

21-6-9鋼；固溶溫度；時效溫度；冷卻方式；LNG壓縮機(jī)

Influence of Heat Treatment on Properties and Microstructure of21-6-9

Bao Cui-min Zhuang Cun-yu Chen Rui Tan Chao-xin Chen Wei/Shenyang Blower Works Group Corporation

21-6-9 steel;solution treatment; aging temperature;cooling method;LNG compressor

TH142；TH452

A

1006-8155（2016）06-0062-05

10.16492/j.fjjs.2016.06.0132

*本文其他作者：陳煒/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

2016-04-21遼寧沈陽110869

Abstract:Heat treatment strongly affects the microstructure and mechanical properties of 21-6-9 steel.In this work,the effect of solution temperature,solution cooling method, and aging temperature was investigated with the other heat treatment parameters fixed. Results show that solution temperature strongly affects the cryogenic ductility and grain size of 21-6-9 steel,and 1050℃is the optimal solution temperature.Solution cooling method doesn't show significant effect on the mechanical properties of 21-6-9 steel,but water cooling treatment induces homogenous and fine crystal grains.Aging temperature higher than 600℃results in noticeable low cryogenic ductility of 21-6-9 steel.21-6-9 steel can reach to the levels of Rs no less than 438MPa,A and Z no less than 47%and 75% respectively,aswell aswith good plasticity and cryogenic ductility.