王連華，郭 玲，劉富強(qiáng)，邵海麗

（新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 056300）

新型哈氏合金UNSN08031是德國蒂森克虜伯VDM公司專門為抗鹵化物介質(zhì)腐蝕而研發(fā)的一種含氮Fe-Ni-Cr-Mo系合金（美國牌號UNS N08031），其性能介于超級奧氏體不銹鋼和已有的鎳基合金之間。該合金為面心立方晶格結(jié)構(gòu)，合金化程度較高，Ni含量30.0%～32.0%，Cr含量26.0%～28.0%，Mo含量達(dá)到6.0%～7.0%，同時還添加了0.15%～0.25%的N。高的Ni-Cr成分設(shè)計，增加了合金的耐蝕性、抗氧化性和抗揮發(fā)性［1］。高M(jìn)o的設(shè)計不僅細(xì)化晶粒，同時也顯著地提高了鋼的高溫強(qiáng)度［2］，N元素的添加起到了穩(wěn)定奧氏體相、降低金屬間沉淀析出的傾向。這種化學(xué)成分的設(shè)計將UNS N08031的臨界點蝕溫度提高了85℃［3-5］，同時也兼顧了高溫下抗氧化性、抗腐蝕性、抗高溫蠕變的特性［6-9］。高Cr、Mo的設(shè)計，很容易使材料在加工過程中析出大量的富Mo相，導(dǎo)致合金在熱加工變形及冷加工成型過程中具有較大的難度。目前用于二氧化氯等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)換熱器用管主要由德國、美國、日本等國制造，國內(nèi)關(guān)于UNSN08031合金無縫鋼管的研究和制造報道幾乎沒有；因此，為了滿足我國高端換熱裝備的國產(chǎn)化的需要，務(wù)必大力開展對UNSN08031合金無縫鋼管的研制工作。

1 產(chǎn)品的技術(shù)要求

新興鑄管股份有限公司針對國內(nèi)知名廠商的使用要求，2019年開發(fā)了用于化工行業(yè)中以二氧化氯為介質(zhì)的UNSN08031合金換熱器管。ASME SB 622—2019 規(guī)范［10］對 UNSN08031 合金管的化學(xué)成分、力學(xué)性能要求見表1～2。

表1 UNSN08031合金管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）要求 %

表2 UNSN08031合金管力學(xué)性能要求

2 UNS N08031合金煉鋼工藝

UNS N08031中的 Ni含量 30.0%～32.0%，Cr含量26.0%～28.0%，Mo含量達(dá)到6.0%～7.0%，如此高的合金元素含量對煉鋼提出了較高的要求，Mo是一種正偏析元素，如果冶煉工藝不當(dāng)會進(jìn)一步影響合金的加工性能和使用性能。為了得到成分、組織均勻及純凈度高的坯料，采用真空感應(yīng)熔煉（VIM）+真空自耗電弧熔煉（VAR）的雙真空冶煉方式，鋼錠經(jīng)過均勻化后開坯鍛造成Φ225 mm的圓棒管坯，管坯的化學(xué)成分符合表1中的要求。因管坯的純凈度要求較高，故要求夾雜物控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

3 UNS N08031合金擠壓工藝

UNSN08031合金管擠壓工藝路線主要為：坯料加工清洗→環(huán)形加熱爐預(yù)熱→一次感應(yīng)加熱→潤滑→擴(kuò)孔→二次感應(yīng)加熱→潤滑→擠壓→入水→檢驗。擠壓荒管規(guī)格為Φ135 mm×13 mm，擠壓采用玻璃粉潤滑劑，其中內(nèi)潤滑玻璃粉潤滑劑為國外進(jìn)口潤滑劑HNK-2，外潤滑玻璃粉潤滑劑采用844-7，玻璃墊玻璃粉潤滑劑為HDK-5，預(yù)熱溫度900～980℃，預(yù)熱時間為2.5 h。擴(kuò)孔溫度1 160～1 200℃，擴(kuò)孔擴(kuò)延系數(shù)1.23，擴(kuò)孔速度140～220 mm/s，擠壓溫度為1 180～1 230℃，擠壓速度100～200 mm/s，擠壓力30～36 MN，工模具預(yù)熱溫度范圍300～400 ℃。

擠壓制管的優(yōu)點是坯料在擠壓過程中受到三向壓應(yīng)力，即使材料的熱塑性較低，也不一定產(chǎn)生裂紋［11-13］。由于UNSN08031中具有高的Mo含量，固溶強(qiáng)化效果顯著，因此造成管坯的熱變形環(huán)節(jié)難度較大。由于擠壓變形通常會導(dǎo)致擠壓荒管頭、中、尾部的晶粒尺寸存在差異，如果組織差異性過大，將會導(dǎo)致后續(xù)冷軋變形的不均勻，最終導(dǎo)致管材軋裂。因此必須合理調(diào)整擠壓工藝，盡可能降低擠壓管的組織差異。故針對UNSN08031合金的擠壓特點，將擠壓比設(shè)計為7.68，并將二次感應(yīng)爐溫度提高到1 180～1 230℃，大擠壓比、高溫短時操作，是充分考慮到坯料經(jīng)過擠壓后盡可能使晶粒均勻一致。UNSN08031合金擠壓管頭、中、尾部的組織形貌如圖1所示?？梢钥闯觯懿脑跀D壓過程中已經(jīng)發(fā)生了充分的動態(tài)再結(jié)晶及晶粒長大，呈現(xiàn)尺寸分布均勻的等軸晶，管材頭、中、尾部的晶粒度級差在1級左右，組織均勻，管坯的縱向組織和析出相如圖2所示?？梢钥闯?，基體中存在較多沿鍛造方向呈條帶狀分布的析出相。結(jié)合平衡相圖和能譜分析可知，其為富Mo的σ相。

圖1 UNSN08031熱擠壓管不同部位的組織形貌

4 UNS N08031合金冷軋工藝

圖2 UNSN08031管坯縱向組織和析出相

UNSN08031合金管冷軋工藝路線主要為：擠壓荒管修磨→冷軋→去油→固溶→矯直→平頭→探傷→檢驗。因換熱管規(guī)格為Φ50.8 mm×4 mm，荒管規(guī)格Φ135 mm×13 mm，設(shè)計經(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50%以下，冷軋在皮爾格兩輥軋管機(jī)LG110、LG60上進(jìn)行處理。冷變形后需要進(jìn)行1 150～1 200℃的中間固溶，使變形組織發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶及晶粒長大，以消除加工硬化，便于下一道次的冷軋變形［14］。

通過三道次的冷軋，最終成功軋制出Φ50.8 mm×4 mm規(guī)格的成品管。冷軋態(tài)組織形貌如圖3所示，可見UNSN08031合金經(jīng)過冷軋后等軸晶沿軋制方向被拉長，管坯沿軋制方向存在較多呈現(xiàn)條帶狀分布的σ相，該析出相的存在會影響合金的加工性能，進(jìn)而影響使用性能。因此無論是熱加工還是冷加工，都應(yīng)該盡量降低合金中的析出相σ，以提高合金的熱塑性和冷加工性，從而提高單道次的變形量，實現(xiàn)較高的成材率及經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 冷軋后合金的微觀組織

5 UNS N08031合金熱處理工藝

UNSN08031合金在高溫下顯示出了優(yōu)異的耐蝕和力學(xué)性能，這主要得益于其高的合金化程度，尤其是高達(dá)6.0%～7.0%的Mo含量。UNS N08031合金管在制造過程中極易產(chǎn)生大量富Mo的σ相，因此為了保證合金具有良好的加工性能，必須采取合理的熱處理制度，使合金中的析出相回溶或盡可能地降低析出數(shù)量。因此，為了能制訂出合理的中間品及成品的固溶工藝，需要分析UNSN08031合金相的析出規(guī)律。

采用JMatPro軟件對UNSN08031合金的析出相進(jìn)行熱力學(xué)平衡計算，UNSN08031合金平衡相圖如圖4所示。由析出相圖可知，σ相為該合金在凝固過程中主要金屬間析出相，析出的溫度為450～1 120℃，合金的析出相為富Mo的σ相，隨著溫度的降低析出含量增加。在550～700℃析出含量最大，為0.28%。根據(jù)熱力學(xué)平衡計算，固溶溫度需要大于1 120℃才能保證σ相開始回溶。

圖4 UNSN08031合金平衡相圖

通過相關(guān)固溶試驗發(fā)現(xiàn)，不同固溶溫度下UNSN08031合金的微觀組織如圖5所示。1 120℃固溶時基體中仍然存在較多的σ相，1 150℃固溶時合金中還有少部分σ相沒有回溶充分，1 180℃固溶時合金中析出相基本完全回溶。成品管經(jīng)1 180℃固溶后，組織發(fā)生了充分的靜態(tài)再結(jié)晶和晶粒長大，為均勻的等軸晶，平均晶粒度為6級，晶界和晶粒內(nèi)第二相析出基本完全回溶。

同時對成品管按照ASTM E 8/E 8M—2016a《金屬材料拉伸試驗方法》進(jìn)行室溫拉伸，成品性能情況見表3。從表3可以看出，UNSN08031各個批次性能穩(wěn)定，合金的平均抗拉強(qiáng)度高達(dá)783.6 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)379.4 MPa，伸長率達(dá)到54.9%，硬度平均值83.31 HRB；所有性能完全符合ASME SB 622—2019 規(guī)范［10］要求。

圖5 不同固溶溫度下UNSN08031合金的微觀組織

表3 UNSN08031成品性能情況

6 結(jié) 語

采用VIM+VAR雙真空方式熔煉出的UNS N08031合金具有較高的純凈度，化學(xué)成分控制準(zhǔn)確，符合成分要求；采用熱擠壓+多道冷軋工藝開發(fā)出合金無縫換熱管UNSN08031，平均晶粒度6級，具有良好的力學(xué)性能和加工性能，滿足ASME SB 622—2019［10］等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求。