不锈钢无缝管快速热处理工艺中的奥氏体相变规律

 浙江至德钢业有限公司不锈钢无缝管初始组织由铁素体和珠光体组成，在拉拔过程中，铁素体被拉长，可见沿变形方向形成的亚晶界；在3000倍放大条件下，可见珠光体呈块状，内部为片层状组织结构，基本未受到变形的影响。这是由于在钢管冷拔过程中，需经过多次的中间退火以避免拉拔时造成开裂，所以珠光体的整个变形过程中并未被压碎。加热至临界区退火时，奥氏体在珠光体所在位置形核，通过扩散的方式长大。工艺临界区退火的时间为20秒，由于保温时间较短，没有为碳元素提供充分的扩散时间，奥氏体体积较小，所以内部的碳浓度仍然较高，经过20秒的贝氏体等温后，得到了如图所示的退火组织。在等温淬火过程中，两相区形成的奥氏体相变为弥散的碳化物，位于原珠光体区域，但不存在片层结构，大多呈现为粒状。而铁素体在退火后，内部的亚晶界消除并呈等轴化，晶粒尺寸有所增加，可见，铁素体再结晶在短时间内迅速完成。由至德钢业退火后的组织分析可知，在20秒的两相区退火过程中，铁素体完成了再结晶，在原珠光体区域奥氏体晶核形成，此过程发生在铁素体／珠光体晶界处以及铁索体内部，由于时间非常短，所以可以认为，奥氏体晶核形核在铁素体内部和边界几乎是同时形核的。而奥氏体的长大是通过扩散控制的，所以在该工艺条件下，并未完成充分的长大，并且奥氏体内部碳浓度存在较大梯度，造成在淬火的过程中，并未形成预期的低温贝氏体组织，而是在原珠光体区域形成了弥散分布的碳化物。为确定造成该现象的原因，进行了工艺的两阶段退火实验。

  在第一种工艺中，保持两相区退火时间20秒不变，增加贝氏体区等温时间至60秒，退火后组织如图所示，可见，随着保温时间的增加，细小的碳化物消失，其通过相互融合的方式聚集，形成了尺寸较大的碳化物组织，但仍未形成低温贝氏体组织。两阶段退火工艺将两相区退火时间增加至30秒，贝氏体区等温时间保持20秒不变，得到了如图所示的微观组织。奥氏体经过贝氏体区等温淬火，形成了岛状组织，为典型的低温淬火组织，多分布于铁素体晶界处，少量分布于铁素体内部。由图可见，岛状组织分为两种分布方式，一为相互聚集在贝氏体区域，在图中由白色虚线圈出，二为单独存在的M/A岛分布于铁素体晶界或铁素体内部，组织内部仍存在少量的碳化物，可见，在两相区内奥氏体的长大仍未完全。在第二种工艺条件下的试样经EBSD相分析后，得到如图所示的结果。不同取向的残余奥氏体标示在图中，可见，在该工艺下，残余奥氏体的含量较低，大部分的岛状组织为贝氏体或马氏体，在图中呈现为黑色，这是由于其菊池花样不明锐造成的。

  由以上实验结果可知，两帽区退火过程中，奥氏体在原珠光体区域形核，由于奥氏体的长大是山扩散控制的，所以需经过在两相区足够时间的保温，使奥氏体长大过程中溶解碳化物，从而直接决定奥氏体的最终淬火组织，而单纯延长贝氏体区等温时间无法达到该效果。在830℃临界区退火条件下，两相区保温时间30秒为改变奥氏体淬火组织的临界保温时间。通过拉伸试验对不同工艺的试样力学性能进行测试，得到如图所示的工程应力．应变曲线。三种工艺的曲线中均出现了屈服平台，组织中碳化物的存在会对位错脱钉造成困难，从而使试样在屈服过程中出现位错缠结形成了屈服平台。工艺中的试样中碳化物含量相当，但是工艺中碳化物的尺寸较大，所以屈服平台更长，而工艺中碳化物的含量很少，所以屈服平台最短。另外，碳化物对屈服的影响也体现在屈服强度方面，在表所示的力学性能参数中可见，工艺中的屈服强度最高，而工艺最低。由于本实验中各工艺所得到的不锈钢无缝管的基体组织均为铁素体，所以抗拉强度相差不大，所以屈服强度直接影响试样的屈强比。贝氏体区等温淬火形成了少量的残余奥氏体，对试样的塑性有一定程度的提高，加工硬化指数和延伸率略有上升。由此可见，通过合理的退火工艺，可以消除不锈钢无缝管的屈服平台，降低屈强比，提高延伸率，最大程度地提高其二次加工性能。

 浙江至德钢业有限公司将两相区的保温时间为别制定为60秒、120秒和300秒，与工艺进行对比，通过微观组织和力学的性能的分析，进一步对奥氏体在等温淬火过程中的相变过程进行研究，作为不锈钢无缝管快速热处理工艺开发的依据。经过不同工艺退火后的试样微观组织扫描照片如图所示，可见，保温时间由30秒增加至120秒过程中，岛状组织体积分数随着保温时间的增加而增加，即两相区奥氏体的体积分数随着保温时间的增加而增加。而对比图可见，保温时间增加至300秒时，两相区退火时奥氏体的体积分数变化不大，由此可知，在830℃临界退火条件下，120秒时奥氏体和铁素体的体积分数达到了平衡，继续增加保温时间不会造成两相间体积分数的变化。另外，经不同时间的临界区退火后，图中的岛状组织体积分数增加，是由于产生了新的晶粒，而不是原有晶粒尺寸增加，可知，两相区中的奥氏体的晶粒尺寸在保温时间增加时不会有较大的变化，体积分数增加主要来自新形成的奥氏体晶粒。所以，不锈钢无缝管在两相区临界退火过程中，奥氏体的形核也具有一定的先后顺序，随着保温时间的增加，奥氏体晶核增多，生成更多的奥氏体晶粒。珠光体密集区域最先形核的奥氏体，定义为γ1，其次为独立的珠光体区域形核的奥氏体，定义为Y2;最后为弥散的碳化物区域形核的奥氏体，定义为Y3。

  保温时间增加至300秒时，在试样微观组织中观察到了薄膜状组织，在图中由红色圆圈标注，该组织在前三种工艺中均未出现。通过之前的分析可知，该种组织为新形成的奥氏体，在等温淬火后大多以残余奥氏体的形式存在。相比块状残余奥氏体，薄膜状的残余奥氏体具有更高的机械稳定性，在变形过程中对塑性的提高更明显。对比传统不锈钢无缝管生产工艺所形成的微观组织，快速热处理工艺条件下的不锈钢无缝管中存在更多的薄膜状残余奥氏体，如图所示，分别为传统工艺和快速热处理工艺条件下的不锈钢无缝管的微观组织，图中箭头所示的为薄膜状残余奥氏体，在贝氏体区域和铁素体晶界或内部均可观察到该组织，而传统工艺条件下则几乎不存在。在传统工艺过程中，为了使碳原子充分的扩散至奥氏体中，增加了两相区保温时间，使γ1奥氏体晶粒具有很高的化学稳定性，从而保证其在室温下能够保留下来；而γ2奥氏体晶粒含碳量较低，在淬火至贝氏体区时发牛贝氏体相变，而使其周围未相变的奥氏体晶粒二次富碳，降至室温时保留了下来，为了保征二次富碳充分，贝氏体区的保温时间也需要有所延长。γ3奥氏体在长时间的保温过程中，晶粒呈球状，如图中箭头所示。