杜小兵，石 軍

（西南鋼管有限公司，四川 江油 621701）

0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼是從蘇聯(lián)引進(jìn)的一種高強(qiáng)度沉淀硬化不銹鋼（蘇聯(lián)牌號(hào)為 08х15н5л2т-ш），是在17-4PH 沉淀硬化不銹鋼的基礎(chǔ)上，通過(guò)降低Cr和Cu 含量，提高Ni 含量，并用Ti 代替Nb 進(jìn)行改性的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，固溶狀態(tài)組織是奧氏體，快冷至室溫后的組織為過(guò)飽和狀態(tài)下的馬氏體組織，通過(guò)中溫時(shí)效使富銅的ε 相沉淀析出，從而提高鋼的強(qiáng)度。該鋼具有良好的強(qiáng)韌性配合和足夠的中、低溫性能，其焊接性、成型性等工藝性能明顯高于同類馬氏體沉淀硬化不銹鋼，且具有奧氏體不銹鋼的耐蝕性和馬氏體不銹鋼的強(qiáng)度，耐腐蝕性能與17-4PH 相當(dāng)，并在腐蝕介質(zhì)中有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，主要用于關(guān)鍵承力耐蝕部件。

2018 年西南鋼管有限公司開(kāi)始進(jìn)行0Cr15Ni-5Cu2Ti 不銹鋼管的批量生產(chǎn)研制，根據(jù)以往小批量生產(chǎn)該材質(zhì)管材的經(jīng)驗(yàn)和材料的固有特性，重新對(duì)該材料的冷加工、熱處理和酸洗工藝等進(jìn)行了摸索和研究，實(shí)現(xiàn)了批量穩(wěn)定生產(chǎn)?，F(xiàn)主要介紹Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格0Cr15Ni5Cu2Ti 不銹鋼管的生產(chǎn)工藝情況。

1 材料研制的主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)用戶技術(shù)條件制定出0Cr15Ni5Cu2Ti 不銹鋼管的化學(xué)成分控制要求；采用940～980 ℃空冷淬火+600～625 ℃回火 1～3 h 熱處理狀態(tài)交貨；成品管晶粒度級(jí)別≥5 級(jí)；成品鋼管進(jìn)行擴(kuò)口檢驗(yàn)，按原直徑擴(kuò)大約10%后，要求擴(kuò)口處無(wú)裂紋、裂口；按GB/T 5777—2019《無(wú)縫和焊接（埋弧焊除外）鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動(dòng)超聲檢測(cè)》中的U2 級(jí)規(guī)定，逐支探傷；管材彎曲度不超過(guò)3 mm/m，表面粗糙度≤2.5 μm，表面不允許有折疊、龜裂、折痕、發(fā)紋、深劃傷、凹坑、凹痕、裂口、過(guò)酸洗痕跡；允許表面打磨，但打磨后管材的尺寸不能超出負(fù)偏差。0Cr15Ni5Cu2Ti 不銹鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和力學(xué)性能控制要求見(jiàn)表1。

2 工藝試驗(yàn)研究及生產(chǎn)工藝制定

2.1 冶煉、制管工藝流程

0Cr15Ni5Cu2Ti 不銹鋼管的冶煉、制管工藝為：真空感應(yīng)爐煉鋼→澆注電極棒（規(guī)格Φ300 mm）→電渣重熔錠（電渣錠規(guī)格Φ550 mm）→鍛造開(kāi)坯（坯料規(guī)格200 mm×200 mm）→軋制管坯（坯料規(guī)格Φ100 mm 圓棒）→熱軋穿孔成 Φ105 mm×10 mm 荒管→退火、酸洗、冷軋→去油→打頭→退火→矯直→切管→酸洗、修磨等→冷拔成品→成品去油、退火、矯直、酸洗→精整→檢驗(yàn)入庫(kù)。

2.2 鋼管加工工藝研究

0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼是高強(qiáng)度馬氏體沉淀硬化不銹鋼，由于冶煉時(shí)化學(xué)成分控制合理，且Cu 含量不高，其主要組織為馬氏體+殘余奧氏體。作為含Cu鋼，Cu 含量不超過(guò)3%時(shí)，其熱加工塑性良好，但Cu 元素在鋼錠中易產(chǎn)生偏析，因此要求鋼錠保溫較長(zhǎng)時(shí)間，以減少重熔錠的成分偏析。因此，根據(jù)0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼的熱加工塑性和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工藝裝備設(shè)備情況，分析研究并制定合理的管坯加工工藝。

2.2.1 熱軋穿孔工藝研究

2.2.1.1 管坯加熱工藝

0Cr15Ni5Cu2Ti 坯料的穿孔較為困難，在以往穿孔過(guò)程中，由于坯料加熱溫度控制不穩(wěn)定，穿孔時(shí)出現(xiàn)過(guò)前卡、壁厚偏心嚴(yán)重、內(nèi)折，甚至內(nèi)裂問(wèn)題。通過(guò)查閱相關(guān)資料［1-4］，并反復(fù)摸索，制定出了較為合理的管坯加熱制度，加熱工藝如圖1 所示。

2.2.1.2 管坯加熱注意事項(xiàng)

（1） 為避免管坯在穿孔過(guò)程中因加熱不均而產(chǎn)生的內(nèi)翹皮、內(nèi)折等缺陷，在管坯加熱過(guò)程中要增加翻轉(zhuǎn)管坯次數(shù)，確保管坯在均熱段的受熱均勻。

圖1 0Cr15Ni5Cu2Ti 管坯的加熱工藝示意

（2） 為避免因穿孔過(guò)程節(jié)奏過(guò)快而導(dǎo)致的穿孔荒管尾部過(guò)燒，穿孔時(shí)嚴(yán)格控制軋輥轉(zhuǎn)速，軋輥轉(zhuǎn)速控制在60 r/min。

采取上述措施后，Φ105 mm×10 mm 荒管酸洗后的表面情況良好。

2.2.2 冷加工變形工藝研究

0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼是以Cu 作為主要強(qiáng)化元素，材料特性與沉淀硬化不銹鋼15-5PH 很相似，其熱成型性能較好，但冷成型能力弱。西南鋼管有限公司曾采用常規(guī)300 系列不銹鋼管冷軋（拔）工藝生產(chǎn)0Cr15Ni5Cu2Ti 管材，但由于冷加工變形量大，造成了軋制開(kāi)裂或冷拔拉毛、斷頭等問(wèn)題；因此，需控制冷加工變形量，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，原則上冷軋變形量以不超過(guò)50%為宜。

針對(duì)0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼種的特性，設(shè)計(jì)和編制了Φ48 mm×7.5 mm 成品管的變形工藝，采用冷軋+冷拔聯(lián)合工藝生產(chǎn)。設(shè)計(jì)的0Cr15Ni5Cu2Ti 管材變形工藝為：先將Φ105 mm×10 mm 荒管冷軋成Φ76 mm×8.5 mm，變形量40.23%；然后再冷軋成Φ51 mm×7.5 mm，變形量43.13%；最后再冷拔成Φ48 mm×7.5 mm，變形量6.50%。

由于0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼的強(qiáng)度較高，為確保鋼管冷拔（軋）表面質(zhì)量，在冷拔（軋）過(guò)程中采用慢速軋制及拔制，軋制速度控制在50～60 次/min，送進(jìn)量≤4 mm。

2.2.3 穿孔荒管及在制品熱處理工藝

0Cr15Ni5Cu2Ti 的奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Ac1為670 ℃ ， 奧 氏 體 轉(zhuǎn) 變終 了溫 度 Ac3為 750 ℃［5］。400～700 ℃是0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼固溶處理后的時(shí)效強(qiáng)化溫度區(qū)間；700～750 ℃是去應(yīng)力退火處理溫度區(qū)間，屬于不完全退火處理溫度區(qū)間。在700～750℃溫度區(qū)間退火，0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼的組織會(huì)發(fā)生不完全重結(jié)晶，可以降低材料硬度，改善材料加工性能，消除內(nèi)應(yīng)力。因0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼在800 ℃長(zhǎng)時(shí)間保溫，表面氧化膜厚度增加，隨著氧化膜厚度的增加，管材內(nèi)應(yīng)力也迅速增大，不銹鋼基體中發(fā)生馬氏體向奧氏體的逆轉(zhuǎn)變，使貧鉻層厚度增加［6］。不完全退火的溫度相對(duì)較低，在降低材料硬度，去除內(nèi)應(yīng)力的同時(shí)，可確保氧化皮薄，且便于酸洗清除氧化皮。

根據(jù)上述分析，結(jié)合冷加工變形量的分配，采用了不完全退火工藝，退火溫度設(shè)定為720～750℃，保溫充分后隨爐緩冷至600 ℃以下空冷，可確保管材冷變形時(shí)不發(fā)生裂紋、開(kāi)裂等冷加工缺陷。

0Cr15Ni5Cu2Ti 荒管及其在制品在車底式加熱爐中進(jìn)行熱處理，熱處理工藝如圖2 所示。

圖2 0Cr15Ni5Cu2Ti 荒管、在制品的熱處理工藝示意

2.2.4 成品酸洗工藝的理論研究和工藝制定

0Cr15Ni5Cu2Ti 荒管及其在制品經(jīng) 720～750 ℃退火處理后，鋼管表面形成外層細(xì)晶的鐵氧化物Fe3O4·Fe2O3和內(nèi)層尖晶石結(jié)構(gòu)的 FeO·Cr2O3氧化膜，需要清除。FeO·Cr2O3氧化膜非常致密，單純采用HNO3+HF 混合酸洗液酸洗時(shí)，酸洗液會(huì)與內(nèi)層保護(hù)膜發(fā)生反應(yīng)，首先形成類似鈍化膜的結(jié)構(gòu)，阻斷了酸洗反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，隨著反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)，酸洗液會(huì)從氧化膜薄弱部位逐漸侵蝕到鋼管基體，對(duì)基體造成腐蝕性細(xì)微孔洞，這些細(xì)微孔洞隨著反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行逐漸形成腐蝕坑、腐蝕洞等，從而破壞鋼管表面［7］。而 Fe3O4·Fe2O3鐵氧化物采用HNO3+HF 混合酸洗液酸洗，即可清除。

鑒于0Cr15Ni5Cu2Ti 荒管及其在制品熱處理保溫時(shí)間較長(zhǎng)，氧化皮較厚，單純采用HNO3+HF 酸洗液酸洗效果不好，氧化皮難于清除等情況，制定了堿酸聯(lián)合酸洗工藝：先采用NaOH 堿爆處理，溫度450 ℃；再采用18%～20%HNO3+2%～3%HF 溶液酸洗?；墓芗捌湓谥破吩诟邷厝廴跔顟B(tài)下的NaOH堿液中浸泡，堿液與尖晶石結(jié)構(gòu)的FeO·Cr2O3氧化膜發(fā)生反應(yīng)，在不影響基體的前提下，起到了疏松尖晶石氧化膜的作用，這樣再通過(guò)后續(xù)的酸洗，更容易將氧化皮清除干凈［8-9］。采用上述堿酸聯(lián)合酸洗工藝后，酸洗效果較好，氧化皮清除較為干凈，滿足了客戶使用要求。

2.2.5 成品管材熱處理工藝試驗(yàn)

0Cr15Ni5Cu2Ti 是馬氏體沉淀硬化鋼，除了馬氏體組織相變強(qiáng)化外，時(shí)效過(guò)程中馬氏體基體上析出的第二相質(zhì)點(diǎn)是主要的強(qiáng)化相［10-13］。0Cr15Ni5Cu2Ti在高溫固溶后空冷至室溫，會(huì)形成低碳馬氏體組織，一些合金元素（如Cu、Ti 等）在高溫下會(huì)溶入奧氏體中，快速冷卻至室溫成為過(guò)飽和狀態(tài)，而此時(shí)的固溶體是馬氏體，溶解這些元素的能力比同溫度的奧氏體小得多，因此過(guò)飽和度更大，有利于沉淀硬化。在時(shí)效溫度下會(huì)產(chǎn)生沉淀硬化，強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步提高。為使0Cr15Ni5Cu2Ti 管材的綜合性能達(dá)到最佳，進(jìn)行了熱處理工藝試驗(yàn)。

2.2.5.1 固溶處理溫度對(duì)成品管性能的影響

選擇 8 個(gè)固溶處理溫度（850，900，950，1 000，1 050，1 100，1 150，1 200 ℃），保溫 30 min，空冷，分析固溶處理溫度對(duì)Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格0Cr15Ni5Cu2Ti 管材性能的影響。0Cr15Ni5Cu2Ti管材經(jīng)不同固溶處理溫度處理后的力學(xué)性能見(jiàn)表2，力學(xué)性能變化曲線如圖3 所示。

表2 Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格 0Cr15Ni5Cu2Ti 管材經(jīng)不同固溶處理溫度處理后的力學(xué)性能

圖3 Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格 0Cr15Ni5Cu2Ti 管材經(jīng)不同固溶處理溫度處理后的力學(xué)性能曲線

從圖3 可以看出：固溶處理溫度不超過(guò)1 100℃時(shí)，隨著固溶處理溫度的提高，0Cr15Ni5Cu2Ti管材的抗拉強(qiáng)度逐漸提高，伸長(zhǎng)率提高不明顯；固溶處理溫度超過(guò)1 100 ℃后，隨著固溶處理溫度升高，管材強(qiáng)度逐漸下降，伸長(zhǎng)率略有升高。

根據(jù)成品管的力學(xué)性能要求并結(jié)合圖3，原則上0Cr15Ni5Cu2Ti 成品管的固溶處理溫度不宜超過(guò)1 100 ℃，能夠同時(shí)滿足成品管室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率較好的固溶處理溫度區(qū)間為940～980 ℃，最佳固溶處理溫度為950 ℃［14］。因此，選擇最佳固溶處理溫度950 ℃，開(kāi)展成品管的時(shí)效熱處理溫度研究。

2.2.5.2 時(shí)效溫度對(duì)成品管性能的影響

一般0Cr15Ni5Cu2Ti 鋼不在固溶狀態(tài)下使用，這是因?yàn)楣倘軤顟B(tài)下的強(qiáng)度有時(shí)不能滿足要求，且其組織為未回火的馬氏體組織，韌性低，抗應(yīng)力腐蝕斷裂的性能差；因此要進(jìn)行回火時(shí)效處理，以改善其各種性能。

采用固溶處理溫度950 ℃，保溫30 min，選擇7 個(gè)時(shí)效溫度（400，450，500，550，600，650，700 ℃）進(jìn)行時(shí)效處理［15］，時(shí)效處理時(shí)間 4 h。Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格 0Cr15Ni5Cu2Ti 管材經(jīng)不同時(shí)效溫度處理后的力學(xué)性能見(jiàn)表3，力學(xué)性能變化曲線如圖4 所示。

從圖4 可以看出：Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格0Cr15Ni5Cu2Ti 管材經(jīng)950 ℃固溶處理后，時(shí)效處理溫度在450 ℃以下時(shí)，隨著時(shí)效溫度的升高，其強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率均有所升高，在450 ℃時(shí)效溫度處理時(shí)強(qiáng)度達(dá)到峰值；時(shí)效溫度超過(guò)450 ℃，隨著溫度的升高，強(qiáng)度逐漸下降，伸長(zhǎng)率則進(jìn)一步升高，并在600 ℃達(dá)到最高值；時(shí)效溫度超過(guò)600 ℃時(shí)，強(qiáng)度下降趨緩，超過(guò)650 ℃時(shí)略有上升，但伸長(zhǎng)率下降較明顯。由此可見(jiàn)，0Cr15Ni5Cu2Ti 管材在580～650 ℃溫度區(qū)間進(jìn)行時(shí)效處理，可獲得較好的綜合機(jī)械性能。

表3 Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格 0Cr15Ni5Cu2Ti 管材經(jīng)不同時(shí)效溫度處理后的力學(xué)性能

圖4 Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格0Cr15Ni5Cu2Ti 管材經(jīng)不同時(shí)效溫度處理后的力學(xué)性能曲線

2.2.5.3 成品管性能檢測(cè)情況

根據(jù)管材上述熱處理試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)Φ48 mm×7.5 mm 0Cr15Ni5Cu2Ti 成品管采用了淬火及回火熱處理工藝。在輥底式連續(xù)熱處理爐中進(jìn)行淬火（950～980 ℃保溫30 min，空冷），在車底式加熱爐中進(jìn)行時(shí)效溫度600～625 ℃、保溫1～3 h 處理，部分管材的力學(xué)性能不穩(wěn)定，存在抗拉強(qiáng)度偏低或伸長(zhǎng)率無(wú)法完全滿足要求的問(wèn)題。經(jīng)調(diào)整時(shí)效溫度，優(yōu)化回火工藝，在車底式加熱爐中進(jìn)行回火（590～600 ℃保溫4 h，空冷），管材的力學(xué)性能完全滿足技術(shù)條件要求。通過(guò)上述熱處理，Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格0Cr15Ni5Cu2Ti 成品管的性能見(jiàn)表4，其力學(xué)性能均滿足了用戶要求。

表4 Φ48 mm×7.5 mm 規(guī)格0Cr15Ni5Cu2Ti 成品管的性能

3 結(jié) 論

（1） 0Cr15Ni5Cu2Ti 管坯在熱穿孔前采用1 100～1 130 ℃保溫20 min 的加熱工藝，實(shí)際穿孔效果較好，管坯的質(zhì)量滿足后續(xù)加工要求。

（2） 0Cr15Ni5Cu2Ti 成品管采用 950～980 ℃淬火保溫30 min 的工藝及590～600 ℃回火保溫4 h的熱處理工藝，可獲得良好的綜合機(jī)械性能，滿足用戶要求。

（3） 0Cr15Ni5Cu2Ti 荒管酸洗時(shí)，采用 NaOH堿爆及HNO3+HF 酸洗的聯(lián)合工藝，可較好地清除荒管內(nèi)外表面氧化皮，保證成品管材表面質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。