镍对SUH409L热轧卷组织与性能的影响

王志军

（1.山西太钢不锈钢股份有限公司 技术中心，太原 030003；
2.太原钢铁（集团）有限公司 先进不锈钢材料国家重点实验室，太原 030003）

SUH409L不锈钢因具有优良的成形性能和高温耐蚀性能，被广泛应用于汽车排气系统零部件的制造，而SUH409L不锈钢热轧中厚卷（板）主要用于制造汽车排气系统的密封连接件——法兰.由于我国地域辽阔，南北纬度跨度大，寒冷地区冬季的极端温度可达到-40℃以下，故汽车排气系统用法兰除要承受发动机和高温高速燃烧废气的高频振动及排放废气的腐蚀性外，还要承受-40～900℃的大温差所导致的变形［1-3］.这就对汽车排气系统用法兰的力学性能，尤其是在低温环境下的冲击韧性提出了更高的要求.本文中在相同退火工艺下，分析研究镍添加量（质量分数，下同）对SUH409L不锈钢热轧卷退火后的组织和性能的影响，以期为提高SUH409L不锈钢的冲击韧性提供理论指导.

1.1 实验试样及制备

本实验选用典型SUH409L不锈钢（Ni添加量为0），以及在此成分基础上Ni添加量分别为0.59%，0.92%的3种材料.具体成分如表1所列.

表1 3种试样的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical compositions of three samples（mass fraction） %

实验试样的生产工艺流程如下：先采用90 t K-OBM-S炉进行粗炼，随后采用VOD＋LF精炼模式将成分控制在要求范围内，通过立弯式连铸机生产出200 mm×1 250 mm的连铸坯，经表面修磨后，利用热连轧将铸坯轧制成厚度为10 mm的热轧卷.在热轧卷上取若干300 mm×50 mm的长条试样（垂直于轧制方向），采用箱式电加热炉模拟退火.3种材料均采用750℃＋保温20 min＋空冷的退火工艺.

1.2 实验试样分析

依据《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》（GB／T229—2020），使用ZBC-300B型号冲性能试验机测试退火处理后的试样（7.5 mm×10 mm×55 mm，V形口）在室温（25℃），0和-40℃下的冲击韧性；
依据《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》（GB／T228.1—2010），使用100 kN电子拉伸试验机测定试样的强度及伸长率；
依据《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》（GB／T4340.1—2009），使用FV-700A型号维氏硬度计测定试样的硬度；
对金相试样进行打磨抛光，经FeCl3＋HCl混合酸溶液侵蚀后，利用光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）对试样进行组织观察.

2.1 试样的金相组织和扫描电镜观察组织形貌

图1为3种试样的金相组织图.从图中可看出，试样1＃为典型轧制态组织.这是由于试样1＃不含Ni，其在《耐热不锈钢和钢带》（JIS G4312：2019）中给出的最低参考退火温度为780℃，且有研究发现厚度为10 mm的SUH409L热轧卷需经850℃退火才可获得良好的组织性能和力学性能［4］，故在该实验温度下试样1＃达不到最低回复和再结晶的温度.当SUH409L添加不同含量的Ni后，退火组织发生了改变，试样2＃发生了明显的回复现象，并出现部分再结晶晶粒［见图1（b）］；
而试样3＃随着Ni添加量的增大，出现完全回复的再结晶晶粒［见图1（c）］.

图1 3种试样的金相组织图Fig.1 Metallographic structure of three samples

图2示出了试样2＃和3＃的扫描电镜（SEM）图及能谱分析结果.由图可知：试样2＃可观察到带状组织倾向，并在晶界和晶内发现大量的细小颗粒状物质，能谱分析结果显示其为碳化物；
试样3＃的组织呈不规则块状铁素体分布，在晶内也存在细小颗粒状的碳化物，但碳化物数量明显减少.其中，试样3＃的磷含量偏高，这是由高温下的磷偏聚析出后与金属间化合物结合所致.

图2 试样2＃和3＃的扫描电镜图和能谱分析结果Fig.2 Scanning electron micrograph and energy spectrum analysis results for samples 2＃and 3＃

2.2 试样的冲击韧性

图3 示出了3种试样在室温（25℃），0及-40℃下的冲击韧性.从图中可看出，随着Ni添加量的增大，3种试样的冲击韧性大幅提高，特别是-40℃下的低温韧性得到显著改善.

图3 3种试样在不同温度下的冲击性能Fig.3 Impact energy of three samples at different temperatures

2.3 试样的力学性能

3种试样的厚度均为10 mm，其力学性能如表2所列.试样1＃主要为轧制态组织，故强度和硬度均较高，伸长率较低.随着试样中Ni添加量的增大，再结晶的温度降低，与试样1＃相比，试样2＃和3＃基体的抗拉强度和硬度均得到提高，伸长率也得到提高，这表明试样的塑性得到了改善.

表2 试样的力学性能Table 2 Mechanical properties of the samples

Ni是强稳定奥氏体且扩大γ相区奥氏体形成的元素.它不仅能使点A1下降［5-7］，还能使铁素体、奥氏体及碳化物的共存温度降低.随着铁素体钢中Ni添加量的增大，回复和再结晶的温度降低，其组织变化见图1.可以发现，在一定实验温度下，试样2＃仅完成回复并未完成再结晶，而试样3＃再结晶程度较高.

有研究结果表明［8-9］，Ni的加入会导致大量细小的碳化物在晶界或晶粒边缘析出.在细化晶粒的同时，碳化物与位错的相互作用会阻碍位错运动，起到析出强化的作用，以此提高基体的强度和硬度.但随着Ni添加量的增大，回复和再结晶的温度降低，细小碳化物数量减少，再结晶晶粒的大小对基体强度将起主导作用.因此，与试样2＃相比，试样3＃基体的强度提高而硬度下降.

Wu等［10］研究发现，添加Ni可获得优异冲击功的主要原因是Ni降低了铁素体的转变温度，同时还增加了针状铁素体的比例，使得高Ni钢中大角度晶界的比例增加、有效晶粒的尺寸减小.陈广生等［11］认为，随着Ni添加量的增大，Ni原子会降低位错与间隙原子的交互作用，从而可以改善晶体的应力场、减少晶格畸变，以及降低晶界处的应力敏感性，最终达到改善材料冲击韧性的目的.魏广升等［4］研究发现，钢的冲击韧性随镍含量的增大而提高，主要是由于钢的组织由单一铁素体变为双相组织.这与试样1＃，2＃，3＃随着Ni添加量的增大所呈现的冲击韧性的变化相一致.

同时，SUH409L不锈钢中Ni添加量的增大会促进碳的扩散，使细小碳化物在晶界或晶内大量析出，材料的冲击韧性也因此得到大幅提高.其主要原理是在受力条件下，晶界区可以通过碳化物细小颗粒间的相对滑移来松弛应力集中，从而提高合金的冲击韧性［12］.随着Ni添加量的进一步增大，铁素体中回复和再结晶的晶粒会进一步变小，碳化物的数量也在逐渐减少，冲击韧性持续增强［13-15］.这与试样2＃，3＃的检测结果相吻合：试样2＃在实验退火工艺下强度和冲击韧性受组织处于回复期所制约，大量细小颗粒状碳化物沉淀析出，对基体起到强化作用；
而试样3＃在实验退火工艺下完成回复和再结晶过程，其基体的强度和冲击韧性均得到提高，此时镍的细晶强化起到关键作用.

（1）SUH409L不锈钢随着Ni添加量的增大，在相同退火温度下冲击韧性得到大幅提高，尤其是低温冲击韧性.

（2）添加Ni后，在SUH409L不锈钢热轧态组织回复阶段，对强度及冲击韧性起主要作用的是晶界和晶内析出的细小碳化物.

（3）添加Ni后，在SUH409L不锈钢热轧态组织完成回复和再结晶后，对强度及冲击韧性起关键作用的是镍的细晶强化.

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