双相钢三通成型与热处理工艺探讨

双相钢三通成型与热处理工艺探讨

林恒龙

扬州华宇管件有限公司 江苏 扬州 225000 摘要：双相不锈钢有良好的耐蚀性能，在石油、煤化工等领域有大量应用，但双相钢的管件成型（特别是三通管的成型）容易开裂，本文通过对双相钢开裂机理的探讨及热形变规律的研究，最终解决了双相钢三通的成型开裂问题；同时通过对相图的研究，提出了用热处理工艺改变双相钢的双相比，从而获得良好的力学性能。 关键词：双相钢三通；双相钢三通热处理工艺；双相钢三通成型 1 双相钢性能与用途

双相钢顾名思义就是双相不锈钢，指铁素体与奥氏体各约占50%，一般较少相的含量最少也需要达到30%的不锈钢。在含C较低的情况下，Cr含量在18%～28%，Ni含量在3%～10%。有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，屈服强度可达400Mpa ～ 550MPa，是普通奥氏体不锈钢的2倍。与铁素体不锈钢相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。

双相不锈钢有以下性能特点：1）含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能；2）含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能；3）具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能；4）综合力学性能好。有较高的强度和疲劳强度，屈服强度是18-8型奥氏体不锈钢的2倍；固溶态的延伸率达到25%，韧性值AK（V型槽口）在100J以上；5）可焊性良好，热裂倾向小，一般焊前不需预热，焊后不需热处理，可与18-8型奥氏体不锈钢或碳钢等异种焊接；6）含低铬（18%Cr）的双相不锈钢热加工温度范围比18-8型奥氏体不锈钢宽，抗力小，可不经过锻造，直接轧制开坯生产钢板；7) 冷加工时比18-8型奥氏体不锈钢加工硬化效应大，在管、板承受变形初期，需施加较大应力才能变形;8) 与奥氏体不锈钢相比，导热系数大，线膨胀系数小，适合用作设备的衬里和生产复合板。也适合制作热交换器的管芯，换热效率比奥氏体不锈钢高;等等。正是由于以上的优点，双相不锈钢广泛用于炼油、化肥、造纸、石油、化工等耐海水耐高温浓硝酸等热交换器和冷淋器及管道、管件中。

由于两相组织的特点，通过正确控制化学成分和热处理工艺，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点，它将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，正是这些优越的性能使双相不锈钢作为可焊接的结构材料发展迅速。

2 双相钢三通成型

随着双相不锈钢的广泛应用，双相不锈钢管件也开始大量使用，然而，管件的制作遇到了以下问题（管件成形以三通最为复杂，以下以三通成型为典型，予以说明）：

双相不锈钢在制作三通的过程中，一般都有一个反复加热和变形成型的程序，我们在压制三通时就遇到压制过程中三通支管开裂情况，而且开裂不是偶然的，是经常出现的，因此，为了提高成品率和产品质量，有必要找出双相不锈钢开裂原因和机理，最终拿出解决问题的工艺技术参数。

双相不锈钢耐蚀能力很大程度取决于双相比，在实际生产中，一方面由于原材料本身的相比例可能达不到标准要求，另一方面是在三通成型过程中由于反复加热使产品的相比例发生了改变，因此有必要经过热处理的手段恢复双相不锈钢的相比例。然而，标准提供的固熔温度范围很宽，在这个固熔温度范围内，由于材料化学成分的差异可能导致相比例满足不了标准要求，所以也有必要找出固熔温度、化学成分与相比例之间的关系，影响这三个参数的因素，最终拿出双相不锈钢的最佳热处理工艺规范。

双相钢在高温下形变易产生开裂。这主要是在高温下铁素体相较软，奥氏体相较硬，在变形过程中软相铁素体发生动态回复软化，硬相奥氏体发生动态再结晶软化，并且铁素体的软化先于奥氏体，应变主要集中在铁素体相中，这样在两相之间就产生了变形的不协调，所以很容易在相界产生微裂纹，最终导致三通成型过程中支管易开裂（三通支管处变形最大）。

相关研究表明：双相不锈钢在压缩变形过程中，随着压缩的进行，整个过程可分为三个阶段：在开始阶段，材料出现明显的加工硬化，在这个过程中伴随有铁素体的动态回复软化和奥氏体的动态再结晶软化，但硬化效果大于软化效果，仍然表现为加工硬化效果，流变应力值迅速增大；在达到应力峰值后，软化效果大于硬化效果，表现为流变应力值下降，当流变应力值趋于稳定后，硬化效果与软化效果基本持平，材料进入稳态流变应力阶段，此时，奥氏体发生了动态再结晶。稳态区越长，流变应力越低，说明材料的热塑性越好。相关研究还表明：变形抗力随着温度升高而降低，温度越高，进入稳态流变时的变形量越少，材料的热塑性越好；材料的γ相量越少，高温时的两相变形的不协调就有缓冲余地，从而就不容易开裂。

综上所述，并经我公司反复验证，双相不锈钢三通的最佳成型温度区间是1100℃～1250℃。然而，在实际三通成型过程中，三通厚度有限的，出炉后在1100℃以上的时间是很短的，因此在压制成型时，要控制压制道次和每道次的变形量，使流变应力在一个较低的水平上，从而防止管件开裂。

双相钢三通管压制成型时，为避免成型开裂，同时应注意以下事项：1）压力机功率需匹配；2）压制过程应匀速、缓慢；3）控制压制道次。

3 双相钢三通成型后热处理

为了使双相不锈钢获得良好的耐腐蚀性和热加工性，钢中铁素体与奥氏体两相的比例应趋近于1：1。控制双相不锈钢中两相的相比例目前一般采用的方法是控制双相不锈钢中的化学成分和选择合适的热处理规范来实现。

由于实际三通制作过程是不可能调控材料的化学成分，但是，我们可以通过对原材料的Cr当量、Ni当量的计算，再根据Schaeffler组织图来确定原材料在平衡态下的双相比，由原材料的双相比来制订与之相适应的热处理工艺参数，从而最终获得我们需要的双相比。

研究表明：1）不同的固溶温度，同一材料的双相比是不同的，随着固溶温度的升高，奥氏体相逐渐减少，铁素体相逐渐增多；2）双相不锈钢的平衡态相比例可以通过计算确定，原材料不同，由于其化学成分存在差异，所以其平衡态下的相比例也不同，要得到相同相比例的组织，可以通过热处理温度来调节。

因此，对我们管件制造来说，正确的热处理规范应按以下步骤确定：

首先，按原材料的炉号计算原材料平衡态下的双相比，按照这个结果大致确定热处理固溶温度区间。

其次，按炉号取试样模拟热成型，在热成型试件上取试样，按照计算的温度范围进行精确的热处理试验，测试相比例，按照客户的要求，确定热处理工艺规范。

产品在最终热处理时，要带上随炉试件或试块，通过对试件或试块的检验来确定工艺规范是否存在偏差，确保产品的最终合格。

双相钢三通固溶处理时注意事项：1)装炉温度的控制，先把炉子加热到1000℃，然后进行装炉,其目的是防止在敏化温度区加热时间过长导致生产δ相（有害相）。工件入炉温度不得低于850℃,并以最大功率加热。2）保温，当工件温度达到设定的保温温度，且均匀一致后开始进入保温状态，并开始计算保温时间。保温时间为1.5min/mm（工件厚度：以同炉产品中的工件实际最大壁厚为准）,且不少于30min。

固溶处理温度对双相钢力学性能的影响主要有两个因素：晶粒再结晶的完全程度和α、γ两相的转变程度。随着固溶处理温度的升高，晶粒再结晶完全程度提高且呈长大趋势，组织中发生了α、γ两相的转变即铁素体增多，奥氏体减少。

研究表明，在固溶处理温度低于1050℃时，强度随着温度的提高而降低，这是由于组织的再结晶起主导作用，因而钢的强度逐渐下降，但其冲击韧度明显增加；当固溶处理温度高于1050℃时，强度随着温度的升高而增加，两相组织的转变起主导作用，因而钢的强度逐渐增加，其冲击韧度呈下降趋势。当固溶处理温度大于1100℃时，其强度开始下降，但其冲击韧度变化不明显，当固溶处理温度达到1150℃时，其抗拉强度已经低于800MPa,主要是由于固溶处理温度过高，造成组织发生明显的再结晶长大，因此其强度降低；另外固溶处理温度越高，造成能源消耗增加。

常用的双相钢材料推荐以下的温度和检测硬度：

4 双相钢三通固溶处理后的组织检验

经过固溶处理后的双相不锈钢需要对相比例进行控制，最合适的比例是铁素体相和奥氏体相约各占一半，其中某一相的数量最多不能超过65%，这样才能保证有最佳的综合性能。如果两相比例失调，例如铁素体相数量过多，很容易在焊接HAZ形成单相铁素体，在某些介质中对应力腐蚀破裂敏感。

因此，固溶处理后需要对每件三通进行相比例测定，某一相比例超过65%时应判定为不合格。

结束语：

双相钢材料显著的优点，导致其在市场得以大量应用。对于双相钢管件，由于其存在成型和热处理两个关键的工艺，是否适当将直接导致产品的最终质量。根据我公司以往供货的经历，合格的产品不仅是表面质量的完美，更重要的内在质量，力学性能以及组织比例的合理。双相钢三通成型和热处理工艺还有待于进一步探讨和研究，随着设备和工装的跟进，具体执行的工艺参数仍有提升和改进的空间。 参考文献：   【1】吴玖 双相不锈钢 冶金工业出版社

作者简介： 林恒龙 男 1995年毕业于盐城工业专科学校，建材机械专业，多年从事压力管道、管件工艺设计和制作。