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304L不锈钢管铁研式抗裂、接头、弯曲试验研究分析

Sun, 22 May 2022 18:08:06 +0800

304L不锈钢管含碳量较低，其可焊性是属于良好的。经过用的。结507焊条堆焊的焊道最高硬度为HV2683可见热影响区形成裂纹的倾向不大。几种抗裂试验结果如下：

1. 铁研式抗裂试验

浙江至德钢业有限公司车间生产304L不锈钢管采用结553酸性焊条，结506和结507铜磷碱性焊条试验，其结果均无裂纹。用结506焊条在-20℃下试验，表面无裂纹，断面裂纹率未超过5%；当采用绪422酸性焊条进行常温试验时，裂纹率为0.26%，尚能满足要求，但0℃以下裂纹倾向较严重，因此结422不宜在0℃以下的温度使用。

2. 十字接头试验

至德钢业焊管生产车间用结506、结507、结507铜、结506-铜磷及结507—铜磷焊条试验，均无裂纹。用结553焊条试验时，热影响医有裂纹，裂纹率为7.8%。

3. C.T.S法抗裂试验

采用结508、结506-铜磷、结507、结507铜、结507铜磷及结553焊条；某厂熙结507及结422焊条进行试验时，均无宏观或微观裂纹。

4. T型弯曲诚验

某些厂所作的T型弯曲试验结果列于表，基本合格，虽有裂纹并进入母材，但扩展缓慢。

5. 低温焊接不锈钢管抗裂试验

a. 小铁研式抗裂试验

采用结506焊条（直径为4毫米），在0℃及-20℃时焊接，裂纹率分别为5%及1.8%-30℃时试件裂透。认为，12毫米厚的板材在-20℃下可以焊接，不需采取任何措施。

b. 焊管刚性节点抗裂试验

采用结506焊条，试验温度分别为0℃、-10℃、- 18℃、-28℃、-40℃气温，对7毫米及l2毫米厚的板材进行了焊接试验，结果均无发现裂纹，热影响区硬度HV240～274，组织为低碳贝氏体+少量铁素体。

由上述试验结果可知，304L不锈钢焊管的可焊性良好，7～12毫米厚板材采用碱性焊条（包括铜磷焊条），可在-20℃时焊接，采用酸性焊条则可在0℃以上进行焊接，不需预热：

c. 焊接材料及焊接接头、焊缝机械性能

手工焊焊条可根据板厚选用结421铜磷（薄板）、结506铜、结507-铜、结506-铜磷或结507-铜磷等焊条。不含铜，磷的35公斤／毫米2级焊条，如结502、503，552、553、500、507也可使用。自动焊焊丝可选用H08MnA、H1.OMn2等配合焊剂431。焊接接头及焊缝的机械性能列予表12—7。从表中可知，弱上述推荐的焊接材料焊接304L不锈钢焊管，机械性能均能满足要求。但考虑到抗腐蚀性能，最好采用含铜一磷的焊条。304L不锈钢焊管焊接接头的弯曲疲劳试验结果见图。自动焊采用2毫米的H08Mn2Si焊丝、焊剂431;、电流380～380安、电压34～36伏、焊速29米／小时手工焊采用结506焊条，直流反揍、电流160～180安、电压24～28伏。试样保留焊缝加强高度。自动焊接头疲劳强度为l5公斤／毫米2，手工焊为19公斤／毫米2，比母材（23公斤／毫米2）低一些。试验得出，304L不锈钢焊管焊接规范在猖当宽的范围（手工焊线能量1000～3500卡／厘米；自动焊线能量2500～5500斤／厘米）内，对焊接接头机械性能的影响不大。最佳焊接规范为：手工爆2000～3500卡／厘米；自动焊3000～4500卡／厘米。采用304L不锈钢焊管制造的输送气体管道。其它部门还用于制造了电站列车、内燃机车焊接转向架、客车底架，厢体、矿井机架等。

轧制不锈钢管工艺专利介绍

Fri, 24 Sep 2021 13:02:54 +0800

1892年初周期轧制不锈钢管试验仍继续进行，当时 Bruser 工长兴致勃勃地由 Westfalen 来 Komotau 观察试轧，他看到在轧制时，不锈钢管段经常发生轧裂现象，操作者就得将破头切掉然后再轧，他认为必须研究轧制工艺加以改进以消除此现象，为此，Max和Brus-er、Bungeroth 以及参与试轧的工程师和工人们一起分析研究试轧状况，Bruser首先提出建议，以轧辊旋转方向相反的方向喂料，并希望Max 和Bungeroth 基于这一点对轧辊孔型设计进行理论分析。Bruser是根据他的实际经验提出这一建议的，他早年在Hamm的线材厂工作时，该厂的轧机是两辊轧机而轧线材的喂料方向和轧辊旋转方向是相反的，因此在观察试轧时他对轧辊旋转方向颇为敏感，他的这项建议真是一语值千金，根据这一建议继续进行试验，结果就成功地轧出第一根无缝钢管，外径68mm,壁厚5mm,长度3.4m.以上工艺从轧辊孔型、轧辊旋转方向和分段轧制三方面完善了周期轧管工艺，并构成了又一个专利的基本思想。曼氏兄弟于1894年1月21日取得了关于周期轧制不锈钢管工艺的第二项专利，这项专利的编号为DRP88414,其工艺的示意图如图3-2所示。

Komotau分段轧制不锈钢管试验的意义在于：

1. 证明分段延伸轧制不锈钢管这种工艺的可行性，奠定了周期轧管工艺的基本理念；

2. 明确孔型设计对周期轧制不锈钢管工艺的突出意义；

3. 要请 Bungeroth参加试验以解决轧辊孔型设计问题。

Komotau 轧制不锈钢管试验进行一个月后，就请 Bungeroth 来 Komo-tau,Max就周期轧管工艺、轧机结构、特殊的轧辊孔型以及分段轧钢的基本理念向 Bungeroth作了介绍，并称他将继续做试验以弄清楚构成这一工艺的各个过程，后来他俩把这种工艺的特点归纳为：在两重式轧机上采用特殊轧辊孔型，将空心坯分段往复轧制延伸成管，并写成专利说明书，1890年4月23日Max 委托他的律师提出发明专利申请，并在1891年2月24日获得题为“Verfahren und Vorrichtung Zum Formen、Auswalzen und Kalibrier-en von Rohren und anderen Hohlkorpern”的专利权，专利号为DRP58762,专利申请中所附图纸如图3-1所示。

Bungeroth在《曼内斯曼（公司）的五十年》一书中称，1890年3月Max请设计师 Bungeroth 来 Komotau,Ma 向他讲述了关于新的轧管工艺的设想和轧机构造。其基本设想是：短的厚壁空心坯套在芯棒上，在一对具有特殊孔型的圆形轧辊上分步（段）轧成薄壁管，因这一轧制过程不同于一般常用的工艺，故须做试验以弄清构成这一轧制工艺的各个过程，从而澄清孔型设计问题。

Bungeroth 在书中提到了周期轧管机轧辊旋转方向问题，他在书中这样写道：试验初期轧辊旋转方向与喂料方向是相同的，但当由 Westfalen 来 Komotau 传经送宝的轧钢老工长 Bruser 对周期轧制不锈钢管过程加以考察后，他提出空心坯以与轧辊旋转方向的反方向喂入的建议，曼氏兄弟采纳了这一建议，并将这一重要工艺内容写入DRP88414 周期轧制不锈钢管工艺专利。

至德钢业马氏体不锈钢管占有率不断壮大

Sat, 18 Sep 2021 12:27:48 +0800

自2012年涉足马氏体不锈钢管领域以来，浙江至德钢业有限公司发挥自产铁水和400系列产品的成本优势，通过技术攻关、工艺优化，将马氏体不锈钢管培育成为重点特色产品，目前已经形成包括国标、日标、企标在内25个牌号的马氏体不锈钢管产品，马氏体家族不断壮大。

马氏体不锈钢管因含碳量较高，经热处理后，具有较高的强度、硬度和耐磨性，主要应用于力学性能要求较高的器具上。浙江至德钢业有限公司严格遵循环保准绳，严选好钢，一直采用高炉铁水和高碳铬铁为原料生产，磷、硫杂质元素及夹杂物含量低，钢水纯净度高，20Cr13（N/HN）、30Cr13、40Cr13、50Cr15MoV板带产品全部通过欧盟第三方重金属迁移测试。

近年来，该公司通过直供、三方协议、经销等渠道，细分用户行业，满足客户个性化需求。技术人员提供生产跟踪、技术支持和售后服务等增值服务，扩展应用领域，重点开拓精密压延、模具、电力设备等行业领域，产品在业内知名度不断提高。目前，马氏体不锈钢管产品已实现系列化，进入模具、量具、火电、水电等领域。20Cr13HN、30Cr13、40Cr13、50Cr15MoV等产品已进入宜家家居、阳江十八子、金石、金辉、海联等国内高端刀具制造企业。

2020年，该公司马氏体项目组继续推进研发工作，经过多个批次的生产摸索，打通了超高碳高端剃须刀用马氏体不锈钢管产品全流程生产工艺流程；高耐蚀餐厨具系列马氏体不锈钢管产品完成产量5000余吨；超级马氏体不锈钢中厚板产品各项技术指标满足企标要求的同时，满足屈强比高端要求，已实现下游批量供货。此外，还制定了20Cr13/30Cr13医疗体系用钢的标准、技术文件，并在亚洲最大的医疗器械厂（上海医疗器械有限公司）试用，并开始批量供货。2021年，该公司将继续加大马氏体不锈钢管产品研发力度，争取为企业赢得更多的效益增长点。

武进不锈能源用大口径不锈钢管荣获“制造业单项冠军产品”

Fri, 17 Sep 2021 14:53:47 +0800

工信部、中国工业经济联合会12月21日联合公布了第五批制造业单项冠军企业（产品）及通过复审的第二批名单。武进不锈能源用大口径不锈钢管被认定为“制造业单项冠军产品”。

“制造业单项冠军产品”评定旨在引导我国制造业企业专注细分产品领域的创新、产品质量提升和品牌建设，突破关键领域短板，培育具有全球竞争力的世界一流企业，为推动高质量发展、构建新发展格局提供有力支撑。

武进不锈能源用大口径不锈钢管产品主要应用于超超临界火电机组、石油石化、化工、煤化工、核电、海洋船舶等行业。此次获得“制造业单项冠军产品”荣誉，是对其在不锈钢管行业技术创新能力的肯定。

不锈钢中合金元素的作用有哪些

Wed, 05 May 2021 19:32:43 +0800

不锈钢最常用的元素有十几种，除了组成钢的基本元素铁以外，对不锈钢的性能与组织影响较大的元素有碳、铬、镍、氮、锰、钼、钛、铌等。实际上工业上应用的不锈钢都是同时存在几种或十几种元素的，当几种元素共存于不锈钢中时，它们的影响要比单独存在时复杂得多，因为在这种情况下不仅要考虑各元素自身的作用，而且要注意它们互相之间的影响。

一、碳

碳是强烈形成并稳定奥氏体的元素，其形成奥氏体的能力很大，约为镍的30倍，对不锈钢最终组织有非常大甚至决定性的影响。

碳是一种间隙元素，通过固溶强化可以显著提高不锈钢的强度和硬度，但降低了塑性和韧性。

碳和铬的亲和力很大，在钢中容易形成一系列复杂的碳化物（如Cr23C6），从而导致局部贫铬，使不锈钢的耐腐蚀性能特别是耐晶间腐蚀性能下降。

例如0Cr13～4Cr13这五个钢号由于含碳量不同，强度与耐腐蚀性能也是有区别的，0Cr13～2Cr13钢的耐腐蚀性相对较好但强度低于3Cr13和4Cr13钢，多用于制造结构零件；后两个钢号由于含碳较高而可获得高的强度多用于制造弹簧、刀具等要求高强度及耐磨的零件。又如为了克服18-8铬镍不锈钢的晶间腐蚀，可以将钢的含碳量降至0.03%以下，或者加入比铬和碳亲和力更大的元素（钛或铌），使之不形成碳化铬。

总的来讲，目前工业中获得应用的不锈钢的含碳量都是比较低的，大多数不锈钢的含碳量在0.1～0.4%之间，耐酸钢则以含碳0.1～0.2%的居多。含碳量大于0.4%的不锈钢仅占钢号总数的小部分，这是因为在大多数使用条件下，不锈钢总是以耐腐蚀为主要目的。此外，较低的含碳量也是出于某些工艺上的要求，如易于焊接及冷变形等。

二、铬

铬是不锈钢中唯一的决定性的元素，也是使不锈钢获得不锈性和耐酸性最重要的元素。铬在钢中的含量超过一定的数值（约12%）后，钢的耐腐蚀性发生突变，从容易生锈到不易生锈。

铬能提高不锈钢的耐腐蚀性能（如点腐蚀、缝隙腐蚀）和耐氧化性能。

随着铬含量的增加，不锈钢中σ相(非磁性的脆性相)的析出倾向增加，容易导致不锈钢脆化。

铬是强碳化物形成元素，易与碳结合生成Cr23C6而发生晶间腐蚀。

铬是铁素体形成元素。

三、镍

镍是优良的耐腐蚀材料，但在不锈钢中的作用是与铬配合后才发挥出来的。低碳镍钢中含镍只有大于27%时耐腐蚀性能才有显著的变化，所以镍不能单独构成不锈钢。

镍是奥氏体不锈钢中的主要合金元素，其主要作用是形成并稳定奥氏体，使钢获得完全奥氏体组织，从而具有良好的强度和塑性、韧性的配合，并具有优良的冷、热加工性和冷成行性。

随着不锈钢中镍含量的提高，钢的热力学稳定性和钝化膜稳定性增加，所以能提高不锈钢的高温抗氧化性能和不锈性。

总之，镍作为合金元素在不锈钢中的作用，在于它使高铬钢的组织发生变化，从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得某些改善。

四、氮

氮是强烈形成并稳定奥氏体的元素，形成奥氏体的能力与碳相当，约为镍的30倍。所以可以代替部分镍，早期主要用于Cr-Mn-N（Cr-Mn-Ni-N）奥氏体不锈钢中，以节约钢中的镍。

作为间隙元素，氮的固溶强化作用很强，可以显著提高强度，同时对韧性的损害并像碳那样大。

氮能提高奥氏体不锈钢耐点腐蚀和缝隙腐蚀的能力。氮还可抑制碳化物析出和延缓σ相的形成。

氮与其它合金金属Ti、Zr、V、Nb等结合形成氮化物，还可以起到细化晶粒的作用。

五、锰

锰在钢中稳定奥氏体的作用与镍相似，能力约为镍的1/2，可以起到部分代替Ni的作用。

在提高钢的耐腐蚀性能方面，锰的作用不大，以锰代镍的奥氏体不锈钢其耐腐蚀性主要取决于钢中的铬、镍、钼、氮等元素的含量。

锰是有效的脱氧剂，能去除钢中所溶的氧；锰和硫有较强的亲和力（生成MnS），有利于消除钢中硫的有害作用。但是进一步的研究表明，正是MnS的存在常常导致奥氏体不锈钢耐点腐蚀、缝隙腐蚀能力的下降。

锰含量增加能提高不锈钢的强度，但无镍的Cr-Mn-N不锈钢在低温下会出现韧性-脆性转变。

六、钼

钼是形成和稳定铁素体的元素，形成铁素体的能力与铬相当。

钼在奥氏体不锈钢中的主要作用是提高钢的耐还原性介质的腐蚀性能和耐点腐蚀、耐缝隙腐蚀能力。

钼能提高不锈钢的高温强度，改善高温蠕变性能，因此含钼不锈钢也常常在高温下使用。

七、铜

铜作为合金元素的作用是显著降低不锈钢的冷作硬化倾向，提高冷加工成形性能。在含钼奥氏体不锈钢中，铜与钼配合，能进一步提高不锈钢在还原性介质中的耐腐蚀性。

八、钛或铌

钛或铌与碳的亲合力远大于铬，因此这两种元素主要作为稳定钢中碳的元素加入，优先与碳结合形成TiC或NbC，防止或减少M 23 C 6的形成，从而达到防止晶间腐蚀的目的。

钛和铌均为强铁素体形成元素，因而含钛、铌的铁素体不锈钢一般具有单一的纯铁素体组织，而含钛、铌的奥氏体不锈钢有时会形成少量铁素体。钛和铌在钢中还能形成金属间相，提到细化晶粒、提高强度、高温强度的作用。

含钛不锈钢也给生产也来一些难题：含钛不锈钢连铸困难，连铸坯表面质量差，非金属夹杂物严重；这些非金属夹杂物常常成为腐蚀源，使钢的耐点腐蚀性能变差。

九、硅

硅是强烈形成铁素体的元素，在一般不锈钢中为常存杂质元素。

但在某些特殊用途不锈钢中，硅是不可或缺的合金元素。如目前用于工程中的高硅铬镍奥氏体不锈钢中的硅含量在4%和6%两类，在浓硝酸和含Cr6+的硝酸以及浓硫酸中的耐腐蚀性能优良，主要是因为不锈钢表面富硅膜（SiO2）的形成抑制了钢中硫的有害作用。

十、硫

硫在不锈钢中主要被视为有害杂质，因为它能降低不锈钢的热塑性和耐腐蚀性能，因此含量有严格的要求。

但在易切削不锈钢中，硫是作为有益的合金元素添加的。这是因为细小的硫化物夹杂具有导致应力集中的缺口效应，降低切削抗力，能改善不锈钢的切削性能。硒也具有同样的作用。

十一、磷

磷一般被看作有害杂质，而不是合金元素。但利用磷对钢的强化作用，也可加磷作为时效硬化不锈钢的合金元素，如PH17-10P钢约含0.25%的磷。

304不锈钢管

Sat, 20 Mar 2021 12:19:52 +0800

至德钢业可提供不锈钢无缝管参数如下：

产品名称：不锈钢无缝管

交货状态：软态（固溶处理后交货）

材料牌号：双相钢：2304、S31803、S32205、S32750、S32760

镍基合金：C276、Monel400、600、625、800、800H、825

奥氏体：304/304L、321/321H、316/316L、316Ti、316UG、316LMod、317L、310S、347H、314、904L、254SMO

产品规格：（奥氏体不锈钢：外径：4mm～830mm , 厚度：0.4mm～60mm）

（双相不锈钢及镍合金材料：外径：19mm～630mm , 厚度：1.5mm～50mm）

一、冷拔不锈钢管车间生产实况

二、冷轧不锈钢管车间生产实况

三、不锈钢焊接管车间生产实况

四、不锈钢固溶处理

五、不锈钢管内窥镜检测

六、不锈钢管水压检测

304不锈钢管TIG焊接接头组织与疲劳性能的研究

Tue, 19 Jan 2021 00:17:11 +0800

浙江至德钢业有限公司通过脉动拉伸疲劳试验以及金相显微组织分析，对3.0mm厚304不锈钢管的TIG焊接接头的组织与疲劳性能进行了研究。结果表明：304不锈钢管的TIG焊接接头的疲劳裂纹均产生于焊趾处；搭接接头中值疲劳极限为183MPa、角接接头中值疲劳极限为269MPa；焊接接头各区域金相组织均为奥氏体+铁素体组织。不锈钢车体结构是实现铁道车辆轻量化的重要途径之一，与同类型的普低碳钢车体相比，不锈钢车体重量可减轻20%~30%以上。不锈钢车辆因其良好的耐蚀性、力学性能、防火安全性、轻量化和维护成本低等特点，已成为我国铁路机车行业重要的发展方向之一四。目前，在不锈钢车体结构中使用的材料考虑到耐腐蚀性、加工性、强度、成本等方面，通常选用奥氏体系的SUS304及SUS301L不锈钢普通的焊接方法（MAG、MIG等）热输入大，焊接变形严重，不适宜对不锈钢薄板进行焊接。TIG焊接技术因其适用性强、焊接成本低、可获得高质量焊缝等一系列优点，已经被大量应用于不锈钢车体的焊接中。本文通过对3.0mm厚06Cr19Ni10不锈钢（新型304不锈钢）的TIG焊接接头的疲劳性能、金相组织的研究，为我国不锈钢车辆的生产技术提供理论与实践依据。

一、试验材料与方法

试验母材为3.0mm厚的304不锈钢管，冷轧状态供货。采用TIG焊接方法，选用中1.6mm的实芯焊丝ER308LSi，保护气体为98%Ar+2%O2。其试验材料的化学成分及力学性能见表。3.0mm厚304不锈钢管焊接均采用单层单道焊，焊接工艺参数详见表。焊接试件焊后均进行了外观检测、渗透检测、X射线检测，检测结果均合格。

疲劳试验参照GB/T13816-92《焊接接头脉动拉伸疲劳试验方法》进行。分别对TIG搭接接头、角接接头进行了脉动拉伸疲劳试验，以确定不同形式的焊接接头的疲劳性能。疲劳试件尺寸分别如图（a）、（b）所示。试验设备为PLG-100型微机控制高频疲劳试验机，其技术规格为：静态负荷精度土1%，动负荷平均波动度土1%，动负荷振幅波动度±2%。试验采用的循环应力比R=0.1，指定循环寿命取1×107次。在试验过程中，当疲劳裂纹尺寸足够大导致载荷加不上去时，自动卸载停振，并记录循环次数。使用升降法来计算焊接接头的中值疲劳强度。使用JSM-6360M型扫描电镜观察疲劳断口形貌。本次金相组织分析采用Neophot-32数码金相显微镜观察焊接接头的母材区、焊缝区及熔合区的显微组织，金相腐蚀液为氯化铁盐酸溶液。

二、试验结果及分析

1. 疲劳试验

疲劳断裂试件上产生疲劳裂纹的位置及宏观形貌如图所示?？煽闯觯翰捎肨IG焊接下3.0mm，304不锈钢管搭接、角接接头疲劳裂纹均产生于焊趾处。图分别为3.0mm，304不锈钢管搭接及角接接头疲劳断裂试样的断口形貌。可看出：试件的疲劳断口可以分成启裂区、裂纹扩展区以及终断区三个部分；试件的疲劳裂纹均从试件边缘处启裂，试件启裂区均无夹杂、夹渣等焊接缺陷；疲劳裂纹扩展区具有典型的疲劳断裂特征，疲劳纹清晰并很粗；扩展区的大小随疲劳循环次数的增加而增大；终断区断口形貌均为韧窝形态。由于搭接接头、角接接头各区域显微组织良好（见后文），未对疲劳性能造成显著影响，因此断裂原因是由于焊缝与试件表面存在一定的角度，导致焊趾处应力集中，当不断承受疲劳载荷时，该处极易发生疲劳断裂。

通过升降法确定采用TIG焊接下3.0mm、304不锈钢管焊接接头指定寿命为1×10°次循环下的疲劳极限。搭接、角接疲劳试验均有4级应力水平，有效试件数12个，其结果如图所示。由图可见，每组疲劳试验均有5个子样对。因此，由升降法并依照公式ou=1ZnS；确定的搭接、角接接头指定寿命在1x10°次循环下的中值疲劳极限分别为：搭接Oa1=1Zn1S=（195+185×2+175×2）/5=183MPa角接Oa1=1ZnS=（275×3+265+255）/5=269MPa

2. 金相组织

图为搭接接头各区域显微组织。由图可看出：焊缝组织为以奥氏体为基体+排列整齐的树枝状分布的黑色铁素体，组织呈细小的柱状晶分布；由图可看出：热影响区组织为奥氏体为基体+链状分布的黑色铁素体，靠近熔合线附近晶粒细化，没有出现粗晶区；由图看出：接头的熔合区较窄，且无过热组织产生，其组织为奥氏体为基体+蠕虫状分布的黑色铁素体。

图为角接接头各区域显微组织。由图可看出：焊缝组织为以奥氏体为基体+排列整齐的骨架状分布的黑色铁素体，组织呈柱状晶分布；由图可看出：由于焊接热输入小，热影响区保留母材的组织形态，组织为以奥氏体为基体+少量的黑色铁素体；由图可看出：接头的熔合区较窄，且无过热组织产生，其组织为奥氏体为基体+蠕虫状分布的黑色铁素体。

三、结论

1. 304不锈钢管TIG搭接、角接接头疲劳裂纹均产生于焊趾处。

2. 304不锈钢管TIG搭接、角接接头指定寿命为1×10°次循环下的中值疲劳极限分别为183、269MPa。

3. 304不锈钢管TIG搭接接头焊缝区组织为：奥氏体为基体+树枝状分布的黑色铁素体，组织呈柱状晶分布；热影响区组织为：奥氏体+链状分布的黑色铁素体，靠近熔合线附近晶粒细化；熔合区组织为：奥氏体为基体+蠕虫状分布的黑色铁素体，熔合区较窄。角接接头焊缝区组织为：奥氏体为基体+树枝状分布的黑色铁素体；热影响区组织与母材组织相同为奥氏体+少量铁素体；熔合区组织为：奥氏体为基体+蠕虫状分布的铁素体。

至德钢业Super304H不锈钢管性能分析报告

Wed, 25 Nov 2020 23:54:14 +0800

为了提高热效率、降低发电成本，需要提高锅炉的蒸汽温度和压力，自然要求开发具有高的高温强度、经济型的材料以在锅炉上运用。以前，在大型锅炉的过热器和再热器的高温段，主要应用了诸如TP304H、TP321H、TP347H之类的18-8类奥氏体不锈钢和9-12Cr系的热强钢。自从上世纪60年代、特别是80年代中期开始，超（超）临界锅炉机组的研制开发、安装、投入运行以来，对应地研制开发了各种高持久强度、抗氧化性能良好以及高温耐蚀性优良的新型材料，以满足锅炉机组不同部件对材料的要求。如低合金钢、5Cr系、9Cr系、12Cr系、15Cr系、18Cr系以及20-25Cr系的热强钢，其中9-12Cr钢和新型的奥氏体钢的研制开发进展尤其神速。国内也有文章粗略介绍有关钢种，分析这些新钢种的优势特点、探讨用新钢种在锅炉上应用的可行性。

其中之一的钢种被称之为SUPER304H。该钢是由日本住友金属株式会社和三菱重工在ASME SA-213TP304H的基础上，通过降低Mn含量上限，加入约3%的Cu、约0.45%的Nb和一定量的N，使该钢在服役时产生微细弥散、沉淀于奥氏体内的富铜相，并与其互相密合；该富铜相与NbC、NbN、NbCrN和M23C6一起产生极佳的强化作用，而开发得到很高的许用应力的一种新型的、经济型的18-8奥氏体不锈钢。其开发出来的目的，就是专用于超临界锅炉的过热器和再热器。从经济观点看，首先这种新钢种不含昂贵的Mo、W等贵重元素；次之其许用应力较目前常用的ASME SA-213TP347H钢要高约20%以上，其在锅炉上的应用能减薄钢管壁厚；相对地能降低锅炉制造成本。目前该钢已经纳入日本MITI标准，2000年3月由ASME code case 2328予以确认，预计不久后将纳入ASTM A-213标准。

由于该钢在日本电站锅炉的过热器和再热器上的应用时间已达10年，用量已达6000余吨，显示出良好的综合性能。为了给我们今后设计、生产超（超）临界机组锅炉在选材提供一定数据依据，本文根据日本住友提供的技术交流资料和国内所做的评定试验数据，对SUPER304H不锈钢管的性能及特点进行评述介绍。

一、化学成分

表示出了SUPER304H不锈钢管的化学成分的有关规定。在钢中加入适量的铜和铌，是为了提高其持久强度、持久塑性、韧性和抗腐蚀性；对高温抗拉强度有较大影响的氮含量上限控制在0.12%，主要是考虑到运行温度下长期时效后塑性下降。国内的实测值也列于表中，从表中可以看出：日本住友所提供的SUPER304H不锈钢管评定的分析结果，满足表中规范所规定的要求。

二、供货状态与金相组织

SUPER304H不锈钢管的供货状态为固溶处理。经最终的固溶处理（最低固溶处理温度1100℃）的热处理后，金相组织应为单一的奥氏体组织，晶粒度应为7~10级。

三、性能

在所有18-8类奥氏体不锈钢中，SUPER304H的优点是因具有优良的持久强度，因而许用应力极高，且具有相当优异的抗腐蚀性、抗氧化性和良好的焊接性。因此，该种经济型的钢管在锅炉过热器和再热器高温段的应用，将给锅炉制造上带来相当大的便利、可降低制造成本，并可增强锅炉运行的安全性。

1. 力学性能

表给出的数据是有关资料测试的SUPER304H不锈钢管的室温拉伸性能、硬度和0℃冲击值，表3是高温拉力试验结果[8-10]，为便于比较，表中也列入了ASME SA-213TP347H的性能。从表中可看出，SUPER304H不锈钢管的屈服强度和抗拉强度比常规的18-8不锈钢管高，而塑性却与TP347H不锈钢管几乎相同，这主要是得益于氮的固溶强化作用。

2. 高温持久强度

测试结果表明：SUPER304H的应力-断裂时间关系具有良好的线性关系，并没有随温度提高和时间延长而导致断裂应力下降的倾向。其105小时平均持久强度采用拉森—米勒参数法进行了多参数回归分析进行外推计算。图说明SUPER304H的105h持久强度（600℃、650℃、700℃）外推值比ASME SA-213 TP347规定值高20%以上；而资料[9]的试验结果更高，650℃约高50%，为128MPa。在蠕变温度范围内，该钢的持久强度的大大提高主要得益于钢管在服役运行时，在奥氏体基体内析出的、并与之互相密合的微细富铜相的沉淀强化作用。此外，M23C6、Nb（C，N）和NbCrN的沉淀强化作用也有助于持久强度的提高。

3. 长期时效性能

该钢在500℃至750℃、经最长达104小时时效后，进行了0℃冲击和金相组织研究。图是冲击试验结果。该结果说明：该钢经高温时效后，冲击值出现降低现象，但这种下降趋势在短期时效时间内就趋于稳定。即使经长期时效运行后，SUPER304也未有出现脆化现象，且具有足够的韧性。在650℃进行试验，最长保温时间为5000小时，冲击试验结果趋向与日本住友资料报导相同；而强度、塑性和硬度则变化不大；时效后的金相组织没有明显变化。说明虽然SUPER304H中所含的9%镍相对较低，但经长期时效后，金相组织仍是相当稳定，几乎没有观察到块状σ相。这可能是因为对硅含量进行了控制以及加入了氮。

4. 抗腐蚀性及抗蒸汽氧化性

对该钢在650℃的蒸汽抗氧化性试验表明：SUPER304H钢管在该温度下的抗氧化性大大优于SA-213TP304H和TP347H，相同条件下的氧化腐蚀深度仅为TP304H的一半左右、为TP347H的67%左右，略差于细晶粒的TP347H；而耐蚀性优于TP304H，略逊于TP347H。这是因为其组织晶粒度细小、还添加了铌。图4与图5示出了SUPER304H的抗蒸汽氧化性和高温抗腐蚀性的结果。

5. 许用应力σ

由于该钢加入Cu、Nb和N，产生了多元复合强化效果，故得到很高的许用应力，至少比ASMESA-213 TP347 高20%以上。表为ASME code case2328数值的内插许用应力数据。

四、工艺性能

1. 焊接性能

a. 焊接性

SUPER304H不锈钢管的焊接性是通过适宜检测热裂敏感性的可变拘束抗裂试验和拘束抗裂试验来进行评定研究。图表明，SUPER304H的热裂敏感性比TP347H更低。

b. 焊接接头性能

表给出了焊接材料的化学成分，表则给出了试管的焊接条件。GTAW接头的宏观照见图、弯曲形态见图、微观组织见图，室温和高温下的强度都与母材相同，图给出了用GTAW工艺焊制的接头的持久强度试验结果，焊接接头的持久强度与母材的持久强度平均值相同，未发现其接头持久强度降低的现象。焊缝金相组织为奥氏体加少量的铁素体；焊缝的面弯和背弯(D=3T, 90°)均完好，表明焊缝有足够的塑性和韧性；接头的拉伸强度（室温）满足母材的技术条件要求，与母材的实测值较为接近见表8；焊接头在650℃时的105小时高温持久强度外推值为129MPa，几乎与母材完全相同。

c. 焊后热处理

焊后热处理不是强制要求或必须进行。若在服役前的存放期间，能对热影响区部分进行适当的?；ご?，以防止促进应力腐蚀的氯离子侵蚀，则不必进行焊后热处理；否则，推荐采用焊后热处理，工艺如图所示，图为SUPER304H不锈钢管的敏化曲线。

2. 不锈钢弯曲工艺

该钢适合各种弯曲工艺，只要该工艺对管子表面不产生损伤。在表10所示的弯曲工艺条件下，得到的管子弯头的外观示于图，弯管的表面未发现裂纹。图为管子弯头横截面的微观组织。

3. 椭圆度变化

该钢管弯曲后进行的尺寸测量表明：经冷热加工的弯头，其椭圆度最大为3.2%，且挤压弯头的椭圆度最大约为9.3%，与TP347H管弯后测得的椭圆度较接近，满足我国行业标准JB/T1611《不锈钢锅炉管制造技术条件》和我公司DG1103《不锈钢锅炉管制造》标准，在实际生产应用中为可接受的椭圆度；同时弯后的壁厚减薄量也满足标准的规定。这表明其弯管工艺性能良好，能够满足锅炉部件制造的需要。

4. 弯后热处理

a. 冷弯

图显示了冷加工的SUPER304H不锈钢管的蠕变断裂性能。与原始材料相比，冷加工率高于20%时，其对持久强度的负面影响最大。从持久强度考虑，对弯心半径不大于2.5DR（20%）的弯头（或虽弯心半径较大，但产生了较大的拉伸残余应力）推荐采用弯后热处理。若服役前没有适当的防止氯离子侵蚀的?；ご胧蛩型湫陌刖兜耐涔芫肴却?，规范与焊后热处理相同。资料同时指出，弯后硬度增加较多，应进行弯后热处理。

b. 热弯

除非热加工温度控制在1120℃~1150℃，否则须进行重新固溶处理，以恢复其正常的持久强度性能。

五、SUPER304H钢管电厂长期时效后的性能

SUPER304H不锈钢管在日本燃煤电厂作为过热器管和再热器管广泛应用。从1988年开始就在日本电站锅炉进行实地运行试验，对经十年实地时效运行的管子的检验结果证实：该钢可用作为过热器和再热器材料。下面是SUPER304H不锈钢管经锅炉中实地运行后的试验结果。

1. 钢管及实地运行试验条件

将用SUPER304H不锈钢管制作的过热器和再热器管子置于日本的一家电站锅炉进行实地运行。过热器和再热器管子的尺寸分别为Φ38.1×6.0mm和Φ54.0×5.0mm；也生产了细晶粒的试管。将试管按如图所示置入三级过热器和二级再热器。为便于比较，此钢的弯头和接头以及TP321H和细晶粒的TP347H也同时置入。锅炉的运行条件如表所示。经过1年、2.5年、6.5年和10年的运行时效后，从锅炉中取出试管。净时效时间分别为7898小时、19586小时、50811小时和79208小时。

2. 表面及尺寸

图给出了取出的SUPER304H试管的尺寸测量结果。新管与取出的试管的外径和壁厚相比，少有变化。取出的试管外表面平整，未发现明显的高温腐蚀。

3. 力学性能

图给出了取出的SUPER304H试管在室温和600℃测得的拉伸试验结果。室温下，在时效时间达到2.5年之前，其抗拉强度和屈服强度都随时间延长而上升，但在6.5年及之后，强度值却不发生什么变化；而在600℃时抗拉强度变化很少。SUPER304H试管在室温和600℃时的强度水平均高于TP321H和细晶粒的TP347H。取出的SUPER304H试管，在0℃进行夏比冲击试验得到的冲击结果示于图。冲击值经1年的时效后下降较多，但以后即使时效时间达10年，冲击值并不继续下降，仍达到60J/cm2。

4. 蠕变断裂性能

图给出了取出的SUPER304H试管的蠕变断裂性能。经最长达十年的服役时效后的持久强度仍在原始材料持久强度的分散带内。

5. 金相组织

图给出了取出的SUPER304H试管的光学显微组织。很少见到块状的σ相，这表明其组织是相当稳定的。

6. 蒸汽抗氧化性能

蒸汽氧化皮厚度与在锅炉中运行服役时间的关系，说明细晶粒的SUPER304H不锈钢管的蒸汽抗氧化性几乎与细晶粒的TP347H相同，而优于TP321H钢，如图的比较。

六、结论以及今后研究方向

综合各方面性能来看，无论从该钢的国内外各种试验结果以及在日本电站锅炉的过热器和再热器上的应用时间已达十多年的情况，都显示出该钢具有良好的综合特性，各方面均优于常规的18-8奥氏体不锈钢，特别是该钢的许用应力较ASME SA-213TP347H高约20%，其在700℃的许用应力仍达到47MPa。试验和应用的结果以及机电部发电设备中心的评定结论均证实：该钢管可用作超（超）临界锅炉的过热器和再热器材料。当然，由于该钢目前主要应用均在日本，虽然其已经得到ASME CODE CASE 2328确认，但尚未正式纳标。国内目前已经做的只是进行了钢管的初步评定试验，但还有在实际生产中的工艺性能仍应进一步了解并予以掌握，为其在我国今后的正式应用提供技术数据储备。故目前国内即将应用的同时，还要做一定的应用试验研究工作。

不同能量激光冲击304不锈钢管表面EBSD分析及晶粒细化机制

Sat, 21 Nov 2020 02:29:38 +0800

304不锈钢管由于其含碳量低而不能采用热处理来进行强化，塑性应变量主要取决于材料进一步变形所需要的压力。激光冲击强化处理是一种提高金属或者合金表面性能的高效的处理技术，它运用激光冲击波产生的机械效应在金属或者合金表面产生拥有一定厚度的残余压应力层，与此同时金属或者合金的抑制疲劳损坏的性能得到大程度提升，此外得到提升的还有耐磨性以及耐腐蚀性。

在过去的二十年中，已经有大量的关于激光冲击不锈钢管机械性能以及微观组织的研究?！暗ヂ龀寮す馀缤璐?04不锈钢管的残余应力释放以及对微观硬度的影响”的研究结果表明，这种处理方法可以提高沿平行于一个机械孪晶方向的残余应力释放以及微观硬度分布的均匀性。同样，这种方法处理304不锈钢管前后在深度方向的微观硬度与微观组织存在状态的研究最终建立了“304不锈钢管晶粒位错变形机制”。这种冲击方法处理后不锈钢管材料的表面微观硬度的提高可能取决于表层受到冲击后产生的位错密度的增加。事实上，对于堆垛层错能较低的金属材料，位错孪晶在塑性变形中占主导地位，孪晶厚度以及相邻孪晶间距随着应变率的增加而增加。

以上的研究主要集中在激光冲击产生的严重塑性变形所导致的机械性能以及变形方法方面?；德暇Ы徊媸遣恍飧止鼙砻娲志富闹饕绞?，超声波处理，喷丸处理以及表面机械研磨等常规表面强化方法都能产生这种效果。本课题组第一次发现了在采用这种强效冲击的过程中“不锈钢管晶粒内出现了第三个方向的机械孪晶”并发表在之前的成果中。我们推测在四次及以上这种方式处理过后，304不锈钢管表层晶粒内也许会出现多于之前方向甚至第N个方向的这种孪晶，最终由于大的极向误差把亚微米三角形缠结细化为不规则形状的亚微米缠结。此外，三个方向机械孪晶的产生机制尚待确定，这些问题都具有很大的研究意义。

第三个方向的机械孪晶交叉是多次以这种方式冲击此种类型不锈钢管表层晶粒发生细化的占大多数比例的形式。然而，在激光冲击的过程中，关于机械孪晶方向与滑移系统之间的关系的研究之前并没有涉及到。在工程应用中，大面积激光冲击是一种有效的获得均匀残余应力的方法，不同的激光能量会导致金属构件表面不同区域的塑性变形。此外，激光冲击会使奥氏体不锈钢管表面粗糙度加剧，怎样使表面粗糙度满足工业要求是另一个需要考虑的问题。

本章旨在探讨采用这种先进表面处理方式对304不锈钢管进行多种能量大面积冲击后，其表面粗糙度和晶粒细化所发生的变化，并揭示其变化规律。同时对晶粒细化过程中多方向机械孪晶交叉作用给予了重要关注，建立了孪晶方向与晶粒滑移系统之间的联系。

本章中研究了不同能量大面积激光冲击对304不锈钢管的表面粗糙度与微观组织演变的影响，并提出了晶粒细化机制，同时对三种试样进行EBSD分析。所得主要结论如下：

1. 大面积激光冲击增加了原始试样的表面粗糙度，采用6J激光能量冲击可以获得一个与3J激光能量冲击相比相对光滑的表面，6J时表面粗糙度为0.947μm，而3J时的表面粗糙度为1.226μm。这一现象主要的主要原因是6J激光能量相对应地可以获得比3J激光能量更大的有效变形区域。

2. 与原始试样中60°取向角峰值9%的比例相比，3J激光能量冲击后取向角峰值比例为46%，6J激光能量冲击后取向角峰值比例为40%。同时，大量的~60°<111>形变孪晶出现在304不锈钢管的激光冲击强化层。这些现象表明大面积激光冲击可以通过孪晶分割来细化304不锈钢管表层的原始粗晶。

3. 对于激光冲击试样，随着距离上表面深度的增加，机械孪晶的宽度逐渐减小，而相邻孪晶之间的间距逐渐增大。此外，随着脉冲能量的增加，相同位置机械孪晶的宽度增加而孪晶间距基本保持不变。伴随着机械孪晶的出现，激光冲击波诱导的塑性变形同样导致了ε马氏体的转变。

4. 激光冲击波诱导的塑性变形层中第四个方向的机械孪晶交叉第一次被发现，孪晶孪晶交叉占据了塑性变形的主要部分?；谖⒐矍虻募す獬寤鞔问约?04不锈钢管的遗传晶体结构，提出了低堆垛层错能面心立方合金孪晶面的最大值。此外，激光冲击波机械效应下一个基于四个方向机械孪晶交叉的晶粒细化机制被提出。

304L不锈钢管和321不锈钢管耐腐蚀性能研究

Fri, 20 Nov 2020 02:11:10 +0800

浙江至德钢业有限公司通过电化学和化学浸泡法分析了304L不锈钢管和321不锈钢管耐点腐蚀和晶间腐蚀性能。结果表明:304L不锈钢管击穿电位Eb较高，Eb-Ep较大，304L不锈钢管抗点腐蚀能力强于321不锈钢管，但是钝化膜破坏后修复能力要弱于321不锈钢管。晶间腐蚀浸泡试验中321不锈钢管晶界腐蚀较深，勾画出了完整的晶界，而304L不锈钢管的晶界腐蚀总体上轻微，这看不到完整的晶界轮廓,这表明，304L不锈钢管在耐晶间腐蚀领域使用时可代替321不锈钢管。

304L不锈钢管和321不锈钢管同属18-8型奥氏体不锈钢，广泛应用于能源、石油、化工、造纸、船舶和军事等领域。由于富铬碳化物的析出会造成304不锈钢管等焊后晶间腐蚀的倾向，通常通过降低钢中碳含量(0.03%以下)和加入强碳化物形成元素(钛、铌)来控制。304L不锈钢管是在304不锈钢管基础上通过降低钢中的碳含量达到提高合金耐腐蚀性的目的。321不锈钢管是在304不锈钢管基础上加入钛元素，由于钛和碳的亲和力大，钢中的碳首先与钛形成TiC，抑制了铬与碳元素形成碳化铬而造成的贫铬问题，从而提高321不锈钢管的耐蚀性能。由于321等含钛钢中氮化钛、碳氮化钛等的析出对带钢表面质量会造成不良影响，以及浇铸水口由于氮化钛、碳氮化钛等析出而造成的结瘤等问题，国外发达国家已经由超低碳奥氏体不锈钢逐步取代321不锈钢管，而我国目前还在大量应用321等含钛不锈钢。鉴于此，至德钢业拟对304L不锈钢管和321奥氏体不锈钢的耐点腐蚀和晶间腐蚀性能进行对比研究。

一、试验材料与方法

实验所用材料为退火态304L不锈钢管和321奥氏体不锈钢，二者化学成分如表1所示，主要区别在于304L不锈钢管具有更低的碳含量，而321不锈钢管中添加了钛元素。两种试验用钢的冶炼工艺：电炉→氩氧脱碳转炉(AOD)→LF炉精炼→连铸；轧制工艺：加热炉→中厚板轧制→固溶处理→洗处理→入库。

采用电化学测试法和化学浸泡法对比研究了304L不锈钢管和321不锈钢管的耐点蚀和晶间腐蚀的性能。点腐蚀电化学分析样品经超声波清洗烘干后，点焊机焊接导线，环氧树脂封装，固化后用砂纸湿磨至1200目，用硅橡胶密封试样与环氧树脂连接处缝隙。点蚀的电化学分析在CS350电化学工作站进行，电解质为3.5%NaCl，采用三电极系统，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极。动电位扫描速率为0.6mV/s，30℃水浴恒温。晶间腐蚀的试样加工前经敏化处理，敏化温度为650℃，保温120分钟。晶间腐蚀的化学浸泡试验在65%的硝溶液中进行，试样置于硝溶液中保持微沸状态48小时，试验结束后流水冲洗，然后在酒精中用超声波清洗后取出烘干，共计三个周期，以失重腐蚀速率和晶间腐蚀形貌评价其耐晶间腐蚀性能。同时，将材料加工成尺寸为25mm×85mm×5mm的试样，经打磨后将试样置于硫-硫铜溶液中保持微沸状态16小时。试验结束后用流水冲洗，然后在酒精中用超声波清洗后取出烘干。将干燥冷却后的试样进行弯曲试验，冷弯角度180°，弯心5mm，将弯曲后的试样在显微镜下观察外表面有无因晶间腐蚀而产生的裂纹。

二、结果与讨论

1. 试样的金相组织

304L不锈钢管和321不锈钢管金相组织如图所示?？煽闯觯?04L不锈钢管和321不锈钢管基体均为奥氏体组织，基体上分布着少量碳化物，以及沿轧制方向分布的少量条状铁素体。

2. 点蚀试验

304L不锈钢管和321不锈钢管点腐蚀的电化学试验结果如图所示，表为具体的电化学参数?；鞔┑缥籈b代表抗点腐蚀能力，Eb越高，抗点腐蚀能力越强。Ep为保护电位，Eb-Ep代表修复能力，Eb-Ep越小，钝化膜破坏后修复能力越好。如表所示，304L不锈钢管的点蚀电位高于321不锈钢管，表明其抗点腐蚀能力强于321不锈钢管，但是304L不锈钢管 Eb-Ep高于321，表明其钝化膜修复能力要弱于321，原因可能是321不锈钢中添加了钛元素生成碳化钛等析出相所致。

3. 晶间腐蚀实验

304L不锈钢管和321不锈钢管在硫-硫铜溶液中保持微沸状态16小时后冲洗、烘干，将干燥冷却后的试样进行冷弯试验，结果表明,弯曲后的试样外表面均无裂纹产生。在硝溶液中浸泡腐蚀的结果如表所示，304L不锈钢管腐蚀失重相对稳定，而321腐蚀失重随周期的增加而明显增大，在整个过程中，304L不锈钢管失重明显小于321不锈钢。

晶间腐蚀试验后的组织如图所示。可看出，321不锈钢管发生了晶间腐蚀，晶界腐蚀较深，勾画出了完整的晶界；而304L不锈钢管的晶界腐蚀总体上较轻微，看不到完整的晶界轮廓，腐蚀后的组织和腐蚀速率结果相一致。

由以上结果知，304L不锈钢管抗点腐蚀能力强于321，尤其是耐晶间腐蚀性能优秀，可以替代321作为耐晶间腐蚀材料使用。304L不锈钢管较好的耐腐蚀性能主要归功于其较低的碳含量。

三、结论

1. 304L不锈钢管击穿电位Eb高于321不锈钢管，但是304L不锈钢管的Eb-Ep较大，表明304L不锈钢管抗点腐蚀能力强于321，但钝化膜破坏后修复能力要弱于321。

2. 晶间腐蚀浸泡试验表明敏化处理的321不锈钢发生了典型的晶间腐蚀，晶界腐蚀较深，勾画出了完整的晶界；而304L不锈钢管的晶界腐蚀总体上轻微，看不到完整的晶界轮廓，304L不锈钢管和321不锈钢管耐晶界腐蚀性的差异主要归因于304L较低的碳含量。