李 鹏，吴 桂，康喜唐，程逸明，常旭飞，拓雷锋，楚志兵

（1.山西太钢不锈钢钢管有限公司制造与技术部，山西 太原 030003；2.太原科技大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

S30432 属于奥氏体型耐热不锈钢，主要应用于650 ℃～700 ℃超超临界机组的锅炉过热器和再热器。我国超（超）临界锅炉过热器、再热器上大量使用的S30432 无缝厚壁管均需要从国外进口[1-2]，且该钢种的管材制造技术及应用市场长期被日本、西班牙、德国等发达国家垄断。因此，推动S30432 无缝厚壁管产品的国产化具有重要的工程意义和经济价值。

在推动S30432 无缝厚壁管国产化过程中，许多锅炉行业用户与国外对标后对产品提出了等轴均匀晶粒的组织要求，认为带状晶粒可能会对产品在高温高压环境中使用时产生不利影响，如影响材料的服役性能等。我国有学者对S30432 耐热钢开展了研究：包汉生等人研究了热处理对S30432 奥氏体耐热钢性能的影响[3-5]，徐松乾等人研究了固溶处理对S30432 奥氏体耐热钢中含铌析出相的影响[6-9]，史志刚等人研究了S30432 奥氏体耐热钢出现马氏体组织时的力学性能变化[10-13]，张冬宇等人研究了轧制过程中钢的奥氏体变形与再结晶[14-16]。资料显示很少有人对固溶处理和变形量对带状晶组织的影响进行研究。在S30432 厚壁不锈钢管国产化中发现冷轧后的热处理钢管内、外表面部分出现大量带状变形晶粒，目前国内外暂无关于此方面的研究报道。

1 试验材料及方法

S30432 冶炼后经模铸与初轧开坯后轧制成长度为6 m～8 m 的实心圆棒坯料，坯料的表面粗糙度为6 μm～8 μm 左右，圆度为0.035 mm～0.045 mm左右。经过剥皮、锯切和定心等机加工工序后加工成表面粗糙度为3 μm～4 μm，规格为φ（60～120）mm×（1 000～2 000）mm 的短截坯料，再经斜轧热穿孔与皮尔格冷轧后制成φ44.5 mm×10 mm×12 000 mm规格的无缝钢管，取12 支200 mm 长的短截试样进行试验。测得S30432 的化学成分如表1 所示。

表1 S30432 的实测化学成分（质量分数,%）

为研究同一规格的S30432 无缝钢管固溶温度与变形量对带状晶粒度的影响，采用不同的固溶处理温度和不同的冷轧变形量进行试验，测试室温力学性能并观察金相组织。固溶处理工艺如图1 所示。固溶处理温度，时间以及变形量如表2 所示。依据ASTM E112 标准进行金相试验的取样和侵腐，采用光学金相显微镜观察金相组织，拉伸试验则采用普通的拉伸试验机上进行。

图1 固溶处理曲线示意图

表2 试样的固溶处理温度与变形量

2 试验结果与分析

2.1 固溶温度对带状晶粒的影响

图2 所示为1#～2# 试样固溶处理后的金相组织，其中a）为1# 试样，加热温度为1 110 ℃，时间为20 min，应变量为20%，视场出现非等轴的带状晶粒，且方向为沿着纵向轧制方向，带状晶粒占整个视场60%左右；b）为2#试样：固溶处理温度增加到1 120 ℃且变形量与加热时间不变情况下，带状晶粒方向仍为沿着轧制纵向方向；c）为3#试样：固溶处理温度增加到1 130 ℃时带状晶粒无法消除；d）为4#试样：固溶处理温度增加到1 140 ℃时，部分带状晶粒消除，晶粒长大，出现了35 μm 的大晶粒。1#、2#、3#、4# 试样随着温度升高带状晶粒无法消除，晶粒度逐步变大，带状晶粒经不同温度固溶后无明显减少且晶粒度越来越粗大。

图2 1#～4#试样不同固溶温度处理后的金相组织

图3 所示为5#～8#试样固溶处理后的金相组织，其中a）为5#试样，固溶处理温度为1 150 ℃，时间为20 min，应变量为20%，带状晶粒占整个视场8%左右，同时晶粒出现长大，平均晶粒度为7 级左右；b）为6#试样，固溶处理温度增加到1 160 ℃且变形量与加热时间不变情况下，带状晶粒占整个视场5%左右，晶粒继续长大；c）为7#试样，固溶处理温度增加到1 170 ℃时带状晶粒消除，晶粒度为6.5 级左右；d）为8# 试样，固溶处理温度增加到1 180 ℃时，带状晶粒消除，晶粒长大，出现了40 μm的大晶粒。5#、6#、7#、8#试样随着温度升高带状晶粒消除，晶粒逐步变大，晶粒度由7 级逐步向6 级增大，不能满足标准要求。

图3 不同固溶温度处理后的金相组织

对1#样和2#样进行SEM 和EDX 分析，结果如图4 所示，能谱中带状晶粒主要元素除了基体外主要为Cr、Cu、Si、Al、Nb、B 等元素，非带状晶粒元素也与带状晶粒元素相同。图4c）所示的SEM 分析可以观察出带状晶粒附近存在细小的再结晶小颗粒，这是由于其再结晶不充分造成沿着轧制方向出现了带状晶粒。

图4 SEM 与EDX 分析

2.2 变形量对带状晶粒的影响

图5 所示为9#～12#试样的金相组织。a）为9#试样，加热温度为1 150 ℃，时间为20 min，应变量为30%，无带状晶粒，平均晶粒度为7.5 级左右；b）为10#试样，变形量增加到40%，无带状晶粒，晶粒度为8.5 级左右；c）为11# 试样，变形量增加到50%，晶粒度为9 级左右；d）为12#试样，变形量增加到60%，带状晶粒消除，晶粒度虽然为9.5 级左右，钢管内壁出现轧裂现象。9#、10#、11#、12#金相组织表明超超临界S30432 厚壁钢管再结晶及晶粒长大的大致规律，随变形量的增大，晶粒发生回复、再结晶越充分，晶粒越均匀、细小，实验变形量为30%～50%进行轧制，温度为1 150 ℃～1 180 ℃固溶处理，带状晶粒完全消除，平均晶粒度为7.5～9 级，完全满足标准要求。

图5 不同冷轧变形量固溶处理后的金相组织

试验结果表明，变形量对S30432 钢管晶粒形状的影响是由再结晶过程决定的。经过不同变形量冷轧后的S30432 钢管随着变形量增加内部能量越高，变形后的S30432 钢管内部处于不稳定的高自由能状态，具有向着低自由能状态回复的趋势，发生回复再结晶越容易。但是当变形量太大达到60%时轧制钢管出现内裂现象。对不同规格的超超临界S30432 不锈钢无缝钢管，需要找到固溶温度与轧制变形量最佳组合才能完全满足标准要求。

2.3 固溶温度对理化性能的影响

图6 所示为1#～8# 试样的硬度与抗拉强度随固溶温度变化的曲线，1 100 ℃～1 180 ℃固溶温度下，随着固溶温度增加，试样的硬度逐渐下降，屈服强度与抗拉强度也呈现下降趋势，其下降速率小于硬度下降的速率，在1 160 ℃～1 180 ℃固溶时硬度下降速度最快。

图6 固溶温度对试样硬度与强度的影响

3 结论

在1 100 ℃～1 150 ℃的固溶处理温度区间时，随着温度的升高，轧制过程带状晶粒无法消除，且硬度与强度随温度的升高而降低。在1 150℃～1 180 ℃的固溶处理温度区间时，随着温度的升高，带状晶粒消除，但晶粒出现长大，仍不能满足标准要求，且硬度与强度也随温度的升高而降低。在30%～50%的变形量区间内进行冷轧变形时，固溶处理温度为1 150 ℃～1 180 ℃，带状晶粒完全消除。硬度与强度随温度升高而降低，但仍在标准范围。