王連華，郭 玲，劉富強(qiáng)，劉 靜

（新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲560460）

301L不銹鋼是在301不銹鋼化學(xué)成分基礎(chǔ)上通過降碳增氮工藝開發(fā)出的一類新牌號(hào)不銹鋼［1-3］，是一種亞穩(wěn)態(tài)的奧氏體不銹鋼，具有很高的加工硬化和相變?cè)鏊苄?yīng)。通過降碳增氮，減少碳化物析出，固溶處理后具有高耐蝕性、冷作硬化性、切割性，同時(shí)彎曲、沖壓等加工性能及焊接性能也較好，成為軌道交通領(lǐng)域的首選車體材料［4-5］。

應(yīng)用在高速機(jī)車上的301L不銹鋼無縫管按壓延量分為1/16H、1/8H、1/4H、1/2H，本次所需管材性能需要滿足壓延量1/8H，替代傳統(tǒng)的301、304材質(zhì)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)車體材料性能方面，尤其是301L的研究還主要集中在板材上，極少有針對(duì)301L不銹鋼管的研究。本文對(duì)301L管材進(jìn)行多道次大變形量的冷軋成型設(shè)計(jì)，而后進(jìn)行不同固溶溫度下組織和性能的研究，成功地研發(fā)了滿足1/8H壓延量性能的高速機(jī)車用管，目前已經(jīng)應(yīng)用于時(shí)速更高的機(jī)車上。

1 產(chǎn)品的試驗(yàn)材料及技術(shù)要求

試驗(yàn)鋼在10 t真空感應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行冶煉，冶煉過程中采用氬氣進(jìn)行保護(hù)，然后進(jìn)行模鑄。鑄錠經(jīng)過鍛造，其鍛造工藝為：加熱至1 220～1 250℃，保溫2.5～3.5 h，然后在1 200℃左右開鍛，終鍛溫度為950～1 050℃。熱軋穿孔工藝為：棒料加熱到1 160～1 180℃，保溫1.5～2.0 h，三輥斜軋進(jìn)行穿孔，制備成Φ112 mm×7.5 mm的荒管。301L不銹鋼管化學(xué)成分見表1。

表1 301L不銹鋼管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2 301L不銹鋼無縫管冷軋工藝

冷軋工藝路線主要為：熱軋荒管修磨→冷軋→去油→固溶→矯直→平頭→探傷→檢驗(yàn)，因成品管規(guī)格為Φ44 mm×2 mm，荒管規(guī)格Φ112 mm×7.5 mm，設(shè)計(jì)經(jīng)過三道次冷軋成型，平均分配每道次變形量，并將每道次變形量控制在40%以下，冷軋?jiān)谄柛駜奢佨埞軝C(jī)LG90、LG60上進(jìn)行軋制。圖1所示為鋼管40%變形量冷軋態(tài)金相形貌，圖2所示為鋼管40%變形量冷軋后馬氏體、滑移帶、孿晶SEM形貌。由圖2可知，40%變形量冷軋后，沿軋制方向發(fā)現(xiàn)大量馬氏體，并且在晶粒中出現(xiàn)交叉滑移帶，晶界模糊，很難分辨。李京筱等研究表明：交叉滑移帶為α馬氏體的形核提供場(chǎng)所，冷軋301L不銹鋼會(huì)發(fā)生形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，α馬氏體會(huì)在交叉滑移帶位置形核長(zhǎng)大［6］，在40%變形量冷軋后，晶粒碎化，晶界模糊，成纖維化。聶志水等研究表明：造成這一現(xiàn)象的主要原因是材料在一定的變形積累下，位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)之間的交互作用增加了位錯(cuò)進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)的阻力，位錯(cuò)滑移在晶界受阻，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，越來越多的位錯(cuò)塞積使得晶粒內(nèi)部被位錯(cuò)分割，最終導(dǎo)致晶粒碎化［7-8］。

圖1 鋼管40%變形量冷軋后金相形貌

從圖2可見晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了交叉滑移帶，且滑移帶終止于晶界附近，這說明位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到晶界阻礙，造成晶界附近位錯(cuò)塞積，形成位錯(cuò)塞積群，位錯(cuò)平面塞積群的形成造成了應(yīng)力集中，導(dǎo)致晶粒變形，變形量越大，位錯(cuò)塞積群越多。

圖2 鋼管40%變形量冷軋后馬氏體、滑移帶、孿晶SEM形貌

鋼管40%變形量冷軋后亞晶SEM形貌如圖3所示，晶粒內(nèi)部被位錯(cuò)分割，在位錯(cuò)塞積群上應(yīng)力集中位置出現(xiàn)亞晶，位錯(cuò)分割晶粒和晶粒變形最終導(dǎo)致晶粒碎化，晶界變模糊，這與之前顯微組織觀察一致。有研究表明：α馬氏體在交叉滑移帶形核，并且晶核不斷形成，促進(jìn)馬氏體長(zhǎng)大，因此交叉滑移帶附近存在大量馬氏體組織，變形量越大，馬氏體形核的區(qū)域范圍增大，提高了發(fā)生馬氏體相變的概率［9-10］。

圖3 鋼管40%變形量冷軋后亞晶SEM形貌

3 301L不銹鋼無縫管熱處理工藝

301L不銹鋼無縫管1/8H壓延量性能相當(dāng)于雙相鋼的性能，這要求成品管在熱處理工藝上要有準(zhǔn)確的把握，既要保證晶粒充分回復(fù)再結(jié)晶，又不能使晶粒過度長(zhǎng)大。圖4所示為溫度分別860，910，950，1 000℃的金相形貌，保溫時(shí)間均為20 min。由圖4可知，在860℃剛剛開始形核，晶粒尺寸較小，仍然存在一些未溶的碳化物、氮化物［11-14］。但由于固溶溫度較低，此時(shí)處于大量形核階段，該溫度下固溶再結(jié)晶不充分。隨著溫度提高到910℃，部分晶粒開始長(zhǎng)大，還有部分晶粒仍然較小，沒有來得及長(zhǎng)大。此時(shí)溫度較低，一部分細(xì)小的晶粒在此溫度下長(zhǎng)大的動(dòng)力不足。當(dāng)溫度提高到950℃（圖4c），晶粒較之前有明顯長(zhǎng)大，晶界清晰可見。當(dāng)溫度提高到1 000℃后，晶粒迅速長(zhǎng)大。

對(duì)比圖4不同顯微組織可發(fā)現(xiàn)，隨著固溶溫度的增加，晶粒合并長(zhǎng)大，相比來說，高溫下晶粒長(zhǎng)大的程度明顯較低溫條件時(shí)大，隨著溫度增加晶粒更加均勻，固溶變得充分。

圖4 鋼管不同溫度下的金相組織形貌

不同固溶溫度條件下301L不銹鋼管的力學(xué)性能見表2。固溶溫度1 000℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)值415 MPa和760 MPa，不符合ASTM A 666—2015《退火或冷加工的奧氏體不銹鋼薄板，帶材，厚板和扁棒材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》要求；固溶溫度860，910℃時(shí)，延伸值低于標(biāo)準(zhǔn)值35%；而固溶溫度950℃時(shí)，性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，此時(shí)晶粒均勻，回復(fù)再結(jié)晶充分。故成品固溶溫度選取950℃，保溫20 min，水冷，較為合理。

表2 不同固溶溫度條件下301L不銹鋼管的力學(xué)性能

4 結(jié) 論

（1）301L不銹鋼在40%變形量冷軋后，沿軋制方向發(fā)現(xiàn)了大量的馬氏體，并且在晶粒中出現(xiàn)了交叉滑移帶，晶界模糊，很難分辨，成纖維化。

（2）馬氏體在交叉滑移帶形核，晶核不斷形成促進(jìn)馬氏體長(zhǎng)大，這是交叉滑移帶附近存在大量馬氏體組織的原因。

（3）301L不銹鋼無縫管冷變形后，在固溶溫度860℃剛剛開始形核，晶粒尺寸較小，隨著固溶溫度的增加，晶粒合并長(zhǎng)大，950℃+保溫20 min的固溶工藝能滿足1/8H壓延量性能要求。