ریزساختار و خواص فولاد ضد زنگ دوبلکس NSSC 2120 سرد تغییر شکل یافته در ریخته گری سرمایه گذاری

نتایج نشان می‌دهد که نسبت‌های دو فازی (α/γ) فریت و آستنیت وقتی در دمای 1200-950 درجه سانتیگراد بازپخت به تدریج افزایش می‌یابد و ساختار آستنیت لایه‌ای به جزایر کوچک تبدیل می‌شود. بافت الیاف α و مولفه بافت فیبر γ به تدریج تشکیل و تقویت شد. با افزایش دمای بازپخت، استحکام کششی مواد به تدریج کاهش یافت، ازدیاد طول ابتدا افزایش و سپس کاهش یافت و مقاومت به خوردگی ابتدا کاهش و سپس افزایش یافت. پس از بازپخت در دمای 1000 درجه سانتیگراد، فولاد دوفاز سرد تغییر شکل داده شده دارای بهترین خواص مکانیکی است و استحکام کششی و ازدیاد طول آن به ترتیب 730 مگاپاسکال و 58 درصد است. پس از بازپخت در دمای 1200 ℃، چگالی جریان خوردگی مواد کمترین مقدار 2.5μA•cm-2 است، مقاومت در برابر خوردگی آن قوی ترین است و دارای بافت برنجی و سایر اجزای بافت متبلور مجدد است.

فولاد ضد زنگ دوبلکس نوعی فولاد است که در آن فاز فریت (α) و فاز آستنیت (γ) در ساختار محلول جامد هر کدام حدود نیمی از آن را تشکیل می دهند. DSS چقرمگی و جوش پذیری خوب فولاد زنگ نزن آستنیتی و استحکام بالاتر و مقاومت در برابر خوردگی کلرید فولاد ضد زنگ فریتی را ترکیب می کند. در سال های اخیر، DSS به طور گسترده در صنایع نظامی، صنعت نفت و گاز، صنعت کود، پل سازی، صنایع دریایی و صنایع نفتکش های شیمیایی مورد استفاده قرار گرفته است. فولاد ضد زنگ دوبلکس دو روند توسعه را نشان می دهد: یکی این است که به استحکام بالا و مقاومت در برابر خوردگی خوب فولاد زنگ نزن دوبلکس بازی کند و فولادهای ضد زنگ فوق دوبلکس مانند 2750 و 2906 برای جایگزینی فولادهای ضد زنگ فوق آستنیتی مانند 904L ایجاد شود. مزایای صرفه جویی در منابع فولاد ضد زنگ دوبلکس را کاملاً به کار ببرید و فولادهای ضد زنگ دوبلکس اقتصادی مانند UNS S32304 و LDX 2101 را توسعه دهید. فولاد ضد زنگ دوبلکس کم مصرف از N، منگنز و عناصر دیگر برای جایگزینی فولاد ضد زنگ دوبلکس سنتی استفاده می کند، در حالی که استحکام فلزات معمولی را دو برابر می کند. ضد زنگ آستنیتی فولاد، و مقاومت در برابر خوردگی عالی را حفظ می کند. در مقایسه با فولاد زنگ نزن دوبلکس سنتی، به دلیل افزایش محتوای N، بارش فاز σ تا حد معینی سرکوب می شود، اما در عین حال، بارش نیتریدهایی مانند Cr2N نیز ارتقا می یابد، که باعث می شود انعطاف پذیری حرارتی فولاد ضد زنگ دوبلکس اقتصادی کمتر شود، و مشکل تغییر شکل داغ در حل شدن من بیشتر است. ترموپلاستیسیته برای تولید مقرون به صرفه بسیار مهم است فولاد ضد زنگ دوبلکس

در سال 2014، Nippon Steel & Sumikin Stainless Steel Co., Ltd. برای اولین بار با موفقیت یک فولاد ضد زنگ دوبلکس اقتصادی جدید NSSC 2120 (21Cr-2Ni-3Mn-1Cu-N) را توسعه داد که می تواند عملکرد جوشکاری را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد و جایگزین فولاد ضد زنگ SUS304 شود. در مقایسه با فولاد ضد زنگ SUS304، NSSC 2120 دارای عملکرد جوش خوب و استحکام بهبود یافته است.

دو برابر شده است، اما همچنین دارای مزیت کم هزینه است. به عنوان یک فناوری بالغ، پردازش تغییر شکل سرد دارای دقت ابعادی بالا، کیفیت سطح خوب و ساختار پایدار است که می تواند به طور موثر از نقص های ایجاد شده در طول پردازش حرارتی جلوگیری کند و عملکرد خوب مواد را تضمین کند. در حال حاضر، انواع کمی از تحقیقات در مورد تکامل ریزساختار و خواص فولاد ضد زنگ دوبلکس صرفه جویی در انرژی با تغییر شکل سرد پس از آنیل و عملیات حرارتی وجود دارد. در این پروژه، اثر بازپخت تبلور مجدد بر ریزساختار و خواص فولاد زنگ نزن دوبلکس با تغییر شکل سرد با انجام عملیات حرارتی بازپخت با دمای بالا فولاد ضد زنگ دوبلکس NSSC 2120 با تغییر شکل سرد در دماها و زمان‌های مختلف مورد بررسی قرار می‌گیرد.

1 مواد و روش های آزمایش

بیلت ریخته گری فولاد ضد زنگ دوبلکس NSSC 2120 توسط فرآیند ریخته گری سرمایه گذاری و کوره القایی فرکانس متوسط ​​تهیه می شود. ترکیب شیمیایی در جدول 1 نشان داده شده است. فولاد ضد زنگ دوبلکس 2120 ذوب شده تحت عملیات محلول در کوره عملیات حرارتی جعبه SXL-1400C قرار می گیرد، دمای محلول 1100 درجه سانتیگراد است و حرارت به مدت 2 ساعت برای خاموش شدن آب نگه داشته می شود. پس از محلول جامد، نمونه به ضخامت 10 میلی‌متر برش داده شد و سپس با یک آسیاب دو رول φ200 میلی‌متر × 200 میلی‌متر با سرعت 2.5 متر در دقیقه برای چندین پاس نورد سرد شد، کاهش پاس 0.5 میلی‌متر بود و تغییر شکل نورد سرد 70 درصد است. پس از آن، نمونه ها در دمای 950، 1000، 1050، 1100، 1150 و 1200 درجه سانتیگراد در کوره مقاومتی جعبه ای آنیل شدند. زمان آنیل 30 دقیقه بود و سپس آب خاموش شد (کدهای RA-950، RA-1000، RA-1050، RA -1100، RA-1150، RA-1200 بودند).

2 نتایج آزمون و تجزیه و تحلیل

2.1 تأثیر دمای بازپخت بر ریزساختار و بافت

شکل 1 ریزساختار فولاد ضد زنگ دوبلکس NSSC 2120 نورد سرد و آنیل شده در دماهای مختلف را نشان می دهد. از شکل 1 الف مشاهده می شود که سطح TD نمونه پس از نورد سرد با تغییر شکل 70 درصد، ساختار دو فاز α/γ (آستنیت/فریت) است که در جهت نورد به صورت لت کشیده شده است. فاز آستنیت ثانویه سوزنی ریز (γ2) در بین لت های آستنیتی پراکنده شده است و دانه های ساختار دو فازی به وضوح تصفیه شده یا حتی شکسته می شوند. به دلیل شکل و اندازه ناهموار ساختار دو فاز در حالت محلول جامد، سختی دو فاز نیز متفاوت است. عرض ساختار لایه ای دو فاز پس از نورد سرد تغییر شکل بزرگ ناهموار است و نسبت فاز α و γ پس از تغییر شکل سرد حدود 40.1٪ و 59.9٪ است. از شکل 1 مشاهده می شود که پس از بازپخت در دمای 950 درجه سانتی گراد و در دماهای بالاتر، هیچ رسوب آشکاری در ساختار متالوگرافی یافت نمی شود و دمای بازپخت بالاتر، فازهای رسوبی مانند Cr2N را در خود حل می کند. پس از بازپخت در دمای 950 درجه سانتیگراد، دانه‌های بلوری فاز α در ساختار لایه‌ای فاز γ هسته‌دار شدند. با افزایش دمای بازپخت، دانه‌های بلوری فاز α که توسط هسته‌زایی تبلور مجدد تشکیل شده‌اند به ادغام ادامه می‌دهند و ساختار فاز γ فیبری دال شکسته و می‌شکند. فازهای γ2 پراکنده درهم می‌پیچند، ادغام می‌شوند و به صورت زنجیره‌ای در امتداد جهت غلتش توزیع می‌شوند. هنگامی که دمای بازپخت به 1150 درجه سانتیگراد، 1200 درجه می رسد، فاز γ اساساً به جزایر ناپیوسته تبدیل می شود و در ماتریس α توزیع می شود. توزیع دو فاز یکنواخت تر است و دو فاز نیز به طور قابل توجهی تغییر می کنند. دانه های فاز α آشکارا رشد کرده و ادغام شده اند. دانه های γ کوچکتر.

(a)CR;(b)RA-950;(c)RA-1000;(d)RA-1050;(e)RA-1100;(f)RA-1150;(g)RA-1200

شکل 1 ریزساختار نورد سرد و دماهای مختلف بازپخت تبلور مجدد

برای اندازه گیری کسر حجمی سازه دو فاز پس از بازپخت از نرم افزار Image-Pro استفاده شد و برای محاسبه مقدار میانگین برای هر ماده 15 میدان دید اندازه گیری شد. نتایج در شکل 2 نشان داده شده است. از شکل 2 می توان دید که پس از بازپخت در دمای 950 درجه سانتیگراد، نسبت فاز γ به حدود 56 درصد کاهش یافته است. با افزایش دمای بازپخت، کسر حجمی فاز γ به تدریج کاهش می‌یابد و کسر حجمی فاز α بر این اساس افزایش می‌یابد. هنگامی که دمای بازپخت تبلور مجدد به 1200 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، γنسبت فاز به 39٪ کاهش می یابد.

شکل 2 تغییرات نسبت فاز γ در دماهای مختلف بازپخت تبلور مجدد

شکل 3 تصاویر بازسازی EBSD فولادهای زنگ نزن دوبلکس نورد سرد را نشان می دهد که در دماهای 950، 1000، 1100 و 1200 درجه سانتی گراد آنیل شده اند. دانه‌های سفید دانه‌های α، دانه‌های خاکستری دانه‌های γ هستند، خط ریز مرز دانه‌ای با زاویه کم (LAGBS، 15-2 درجه)، خط عمیق، مرز دانه با زاویه بالا (HAGBS، ≥15 درجه)، خط چین نازک مرز دوقلو است (TWINS). از شکل 3 مشاهده می شود که پس از بازپخت مجدد تبلور مجدد، دانه های ریز γ تبلور مجدد در لایه هایی در امتداد جهت نورد توزیع می شوند، دانه های ریز α بین جزایر آستنیتی توزیع می شوند و نوارهای طولانی بازپخت در دانه های γ وجود دارد. دوقلوها، فاز α به دلیل انرژی بالای انباشتگی گسل پس از تغییر شکل، تشکیل دوقلو آسان نیست. پس از بازپخت کریستالیزاسیون مجدد، دانه های γ و α توسط مرزهای دانه با زاویه بالا احاطه می شوند و در تعداد کمی از دانه های فرعی مرزهای دانه با زاویه کوچک وجود دارد که نشان می دهد فولاد دوفاز نورد سرد کاملاً تبلور مجدد شده است. دانه های ریز α تبلور مجدد را می توان در جزایر γ نمونه های آنیل شده در دمای 950 درجه سانتیگراد مشاهده کرد. با افزایش دمای بازپخت، دانه ها ادغام می شوند و به طور قابل توجهی رشد می کنند. جزایر آستنیتی لایه ای به دلیل دانه های α پیچیده رشد می کنند و خود را حفظ می کنند. هنگامی که دمای بازپخت به 1200 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، دانه های تبلور مجدد دو فازی به دلیل اثر سنجاق فاز γ به طور یکنواخت در امتداد جهت نورد توزیع می شوند.

(الف) RA-950; (ب) RA-1000; (ج) RA-1100; (د) RA-1200

شکل 3 بازسازی EBSD نمونه ها در دماهای مختلف بازپخت

جدول 2 نسبت مرز دانه های بزرگ و کوچک، مرز دانه های دوقلو و مرزهای شبکه شبکه سنگین نمونه های فولاد زنگ نزن دوبلکس نورد سرد در دمای 950، 1000، 1100 و 1200 درجه سانتیگراد را نشان می دهد.

شکل 4 اندازه متوسط ​​دانه های کریستال فاز FCC و BCC فولاد ضد زنگ دوبلکس نورد سرد در دماهای بازپخت متفاوت را نشان می دهد.

(الف) RA-950; (ب) RA-1000; (ج) RA-1100; (د) RA-1200

شکل 3 بازسازی EBSD نمونه ها در دماهای مختلف بازپخت

2.1.1 تأثیر دمای بازپخت بر بافت

شکل 5 نمای مقطعی ODF (φ2=0°، 45°، 65°) از ساختارهای α و γ نمونه های آنیل شده در 950، 1000، 1100 و 1200 ℃ با زوایای اویلر φ1 و Φ به عنوان مختصات افقی و عمودی است. اجزای بافت معمولی در نمودار ODF فلز مکعبی در شکل 6 نشان داده شده است. بافت تغییر شکل با یک مثلث، بافت تبلور مجدد با یک مربع و بافت خالص با یک دایره نشان داده شده است.

شکل 5 تکامل بافت مشخص شده توسط فضای اویلر ODF در ساختارهای آستنیتی و فریتی نمونه های مختلف آنیل شده

شکل 6 اجزای بافت معمولی فلز مکعبی

2.2 اثر بازپخت تبلور مجدد بر خواص مکانیکی

شکل 7 نتایج آزمون کشش نمونه های فولاد زنگ نزن دوبلکس NSSC 2120 نورد سرد را در دماهای مختلف بازپخت تبلور مجدد در دمای اتاق نشان می دهد.

شکل 7 استحکام کششی و ازدیاد طول فولاد نورد سرد 2120 دوفاز در دماهای مختلف بازپخت تبلور مجدد

2.3 اثر بازپخت تبلور مجدد بر مقاومت در برابر خوردگی

شکل 8 منحنی های پلاریزاسیون بالقوه نمونه های فولاد ضد زنگ دوبلکس NSSC 2120 نورد سرد را در دماهای مختلف بازپخت تبلور مجدد در آب دریا مصنوعی نشان می دهد (25.54g/L NaCl + 11.10g/LMgCl2+ 4.09g/L Na2SO4g/LCaC). پتانسیل خود خوردگی مربوطه (Ecorr)، محل حفره (Epit) و چگالی جریان خوردگی (Icoor) در جدول 3 نشان داده شده است.

شکل 8 منحنی های پلاریزاسیون فولاد دوفاز 2120 نورد سرد در دماهای مختلف بازپخت تبلور مجدد

شکل 9 مورفولوژی حفره‌ای نمونه‌های فولاد زنگ نزن دوبلکس NSSC 2120 نورد سرد را در دماهای مختلف بازپخت تبلور مجدد نشان می‌دهد. از شکل 9 می توان دید که خوردگی حفره ای عمدتاً در مرز فاز α/γ و ماتریس α رخ می دهد. گودال ها در نواحی به شدت حفره دار به فاز γ تبدیل می شوند. اندازه چاله ها در سطح نمونه های RA-1050 و RA-1100 نسبتا بزرگ است. بزرگ، اندازه سوراخ های خوردگی روی سطح نمونه RA-1200 کوچکتر است و مقاومت در برابر خوردگی قوی ترین است. خوردگی حفره‌ای روی سطح نمونه‌های RA-950 و RA-1000 در γ، γ2 و α شکسته رخ می‌دهد و دانه‌های دو فازی کوچک باعث می‌شوند که گودال‌های خوردگی به سمت آستنیت به سمت داخل گسترش یابند. مورفولوژی حفره‌ای نمونه‌ها در دماهای مختلف بازپخت اساساً با نتایج چگالی جریان خوردگی اندازه‌گیری شده توسط منحنی پلاریزاسیون مطابقت دارد. در محیط Cl-، فاز α همیشه ترجیحاً خورده می شود. با افزایش دمای بازپخت تبلور مجدد، نسبت فاز α در فولاد دوفاز نورد سرد افزایش می یابد (شکل 2 را ببینید)، و مقاومت در برابر خوردگی حفره ای نمونه به تدریج کاهش نمی یابد. این به این دلیل است که ساختار دو فازی نمونه هنوز در امتداد جهت غلتش در دمای 950 یا 1000 درجه سانتیگراد در حال رشد است، اندازه دانه دو فاز کوچک است، توزیع مرز دانه متراکم است (شکل 3 را ببینید)، و اندازه مرز دانه کوچک است و بیشتر باعث خوردگی ترجیحاً در امتداد مرزها می شود. تعداد زیادی از مرزهای دانه ∑CSL پایین تا حد زیادی محتوای عیوب خالی و عناصر ناخالصی را در مرز فاز کاهش می دهد، اتصال مرز دانه را قطع می کند و نرخ خوردگی مرز دانه را کاهش می دهد. بنابراین، مقدار زیادی مرز ∑3 دانه پس از آنیل کردن، مقاومت خوردگی دوگانه نورد سرد مرزهای دانه فولاد فاز را بهبود می بخشد. و با افزایش دمای تبلور مجدد، درجه تبلور مجدد بیشتر بهبود می یابد، دانه های دو فاز ادغام می شوند و رشد می کنند، نسبت مرز دانه با زاویه بزرگ و مرز دانه سنگین سایت افزایش می یابد، توزیع ساختار دو فاز یکنواخت تر می شود، عیوب ماتریس کاهش می یابد و غیرفعال شدن حاصل می شود. پایداری فیلم افزایش یافته و مقاومت در برابر خوردگی بهبود یافته است.

(الف) RA-950 (ب) RA-1000 (ج) RA-1050 (د) RA-1100 (e) RA-1150 (f) RA-1200

شکل 9 مورفولوژی حفره‌ای فولاد ضد زنگ دوبلکس 2120 نورد سرد در دماهای مختلف بازپخت تبلور مجدد

3 نتیجه گیری

(1) فولاد ضد زنگ دوبلکس NSSC 2120 شکل سرد، اساساً پس از بازپخت در دمای 950 درجه سانتیگراد، بازپخت تبلور مجدد را تکمیل کرده است. ساختار آنیل شده آن از α، γ و γ2 سوزنی شکل تشکیل شده است که در لایه هایی در امتداد جهت غلتش توزیع شده اند. با افزایش دمای بازپخت، نسبت فاز α به افزایش خود ادامه می‌دهد، مرزهای دانه‌ای با زاویه بزرگ مواد و مرزهای دانه CSL کمی افزایش می‌یابد، و دانه‌های دو فازی به تبلور مجدد و ادغام و رشد ادامه می‌دهند. پس از بازپخت در دمای 1200 درجه سانتیگراد، نسبت فاز α به 61 درصد افزایش یافت، ساختار دو فازی یکنواخت و بدون نقص بود و توزیع محوری را نشان داد و دانه‌های α و γ تا 16.2 میکرومتر و 33.8 میکرومتر رشد کردند.

(2) با افزایش دمای بازپخت، اجزای بافت دو فازی به طور قابل توجهی تغییر می‌کنند و بافت فیبر α در فاز γ و اجزای بافت الیاف γ در فاز α تقویت می‌شوند. پس از بازپخت در دمای 1000 درجه سانتیگراد، استحکام بافت فاز α فولاد ضد زنگ دوبلکس NSSC 2120 تغییر شکل سرد به طور قابل توجهی افزایش می یابد و استحکام بافت فاز γ با افزایش دمای بازپخت تغییر زیادی نمی کند. پس از بازپخت در دمای 1200 ℃، عمدتاً بافت برنجی و بافت نوع P در فاز γ و {111} بافت و بافت مس در فاز α وجود دارد.

(3) با افزایش دمای بازپخت، استحکام کششی فولاد ضد زنگ دوبلکس NSSC 2120 شکل سرد به تدریج کاهش می یابد و ازدیاد طول آن ابتدا افزایش می یابد و سپس کاهش می یابد. بازپخت در دمای 1000 درجه سانتیگراد بهترین خواص مکانیکی را دارد، در این زمان استحکام کششی و کشیدگی 730 مگاپاسکال و 58٪ است.

(4) با افزایش دمای بازپخت، پتانسیل خوردگی حفره ای و چگالی جریان خوردگی فولاد دوفاز نورد سرد پس از آنیل ابتدا افزایش می یابد و سپس با افزایش دمای آنیل کاهش می یابد. پس از بازپخت در دمای 1200 درجه سانتیگراد، چگالی جریان خوردگی به 2.5 μA•cm-2 کاهش می یابد، گودال حفره ای کوچکترین است و مقاومت حفره ای قوی ترین است.