310S耐热不锈钢金相组织和表面缺陷分析

  浙江至德钢业有限公司通过冶炼—轧制—退火酸洗工艺生产310S耐热不锈钢卷板，研究其连铸板坯、轧制态以及退火态金相组织，退火态力学性能和表面缺陷。结果表明：310S耐热不锈钢在三种状态下的组织均为奥氏体相和残留的高温铁素体相，这种高温铁素体难以通过热处理消除；轧制态和退火态金相组织中，厚度方向近表面铁素体含量少，心部铁素体含量高；高温铁素体的存在不影响产品的力学性能；通过连铸板坯的精修磨可以避免表面缺陷的产生。

  310S耐热不锈钢属于高铬、镍奥氏体型不锈钢，在氧化性介质中具有优良的性能，同时具有优良的高温力学性能，广泛应用于锅炉、压力容器、冶金和石油化工行业中。目前国内310S不锈钢使用量每年大约在几万吨左右，但由于该钢种钢板生产难度大，对此钢的研究和生产经验少、分析检测也缺乏成熟的经验，因此国内生产量仍无法满足市场需求。至德钢业对310S耐热不锈钢连铸板坯、轧制态以及退火态金相组织、退火态力学性能和表面缺陷进行了研究，以期为工业生产及后续产品使用提供一定的理论指导。

一、生产工艺及试验方法

   310S耐热不锈钢工业试验的具体工艺流程如下：电炉→AOD转炉冶炼→LF炉精炼→板坯连铸→板坯修磨→加热炉加热→粗轧机轧制→炉卷轧机轧制→卷取→热退火酸洗→检验、入库。310S耐热不锈钢成分如表所示。取其连铸板坯（厚度220mm）中心试样、轧制态以及退火态（厚度6mm）中部试样，将不同状态的309S样品打磨、抛光、腐蚀（HCl+FeCl3溶液）后，采用光学显微镜分别对近表面和心部金相组织进行观察。用拉伸试验机检测310S不锈钢退火后力学性能。用扫描电镜观察310S不锈钢表面缺陷形貌。

二、连铸坯金相组织

   图为310S不锈钢连铸坯金相组织，从图可以看出，黑色的铁素体相分布在奥氏体基体上，用光学显微镜自带的测量软件测得铁素体含量为10．1%。对于奥氏体不锈钢，合金元素的作用可分成两大类，即铁素体形成元素和奥氏体形成元素。两大类元素之间的平衡关系决定了奥氏体中铁素体含量的多少。根据309S奥氏体不锈钢的成分，计算镍铬当量比如下：镍当量（%）=wNi+30wC+30wN+0．5wMn=16．67铬当量（%）=wCr+wMo+1．5wSi=22．99铬当量/镍当量=1．38

   根据计算的镍铬当量比和Fe-Cr-Ni三元合金平衡相图，凝固过程为：L—L+γ—L+δ+γ—δ+γ—γ。凝固结晶时，首先从液相析出γ相，而使周围成为富Cr、贫Ni的区域。温度继续下降，根据对应液相的溶质浓度差异，发生L－δ+γ反应，其结果是在γ相周围形成高温铁素体δ，然后γ和δ同时向液相内生长。根据310S耐热不锈钢的成分，计算液相线温度为1435℃，处于γ和δ两相区。连铸凝固过程冷却速率快，导致高温铁素体δ来不及转化为奥氏体相，最终保留到铸坯中。

三、轧制态金相组织

 310S不锈钢轧制态试验断面处金相组织如图所示，从图=可以看出，310S不锈钢轧制态组织主要为奥氏体加高温铁素体，高温铁素体在轧制力的作用下呈长条状分布，而奥氏体组织则出现部分再结晶现象。沿厚度方向，近表面铁素体含量比心部铁素体含量低。用光学显微镜自带的测量软件测得心部铁素体含量为9.6%，与310S不锈钢连铸坯金相组织中铁素体含量相近。这说明板坯加热、轧制和后续卷曲过程中没有发生高温铁素体的相变。310S不锈钢轧制态组织中近表面铁素体含量低，跟连铸板坯中铬偏析有关。310S不锈钢板坯中柱状晶十分发达，而柱状晶生长过程是以逐层凝固的方式，固液界面几乎呈平面方式向前推进，导致在凝固过程中开始结晶的固相中铬含量低，后凝固的固相中铬含量高，因此连铸板坯近表面铁素体含量低，心部铁素体含量高。在后续板坯加热、轧制和卷曲过程中没有发生高温铁素体的相变，最终在轧制态金相组织中，厚度方向近表面铁素体含量低，心部铁素体含量高。

三、退火态金相组织

   310S不锈钢在1150℃和1160℃退火后的金相组织如图所示。从图中可以看出，1150℃退火处理后的组织为铁素体和再结晶的奥氏体。在高温退火过程中，奥氏体主要发生再结晶，铁素体主要以回复为主。退火后的铁素体形貌跟热轧态形貌相比，部分拉长的铁素体发生回复，呈断续态分布。沿厚度方向近表面铁素体含量比心部铁素体含量低。用光学显微镜自带的测量软件测得心部铁素体含量为9.3%，说明退火处理对铁素体含量的影响比较小。1160℃退火处理后的组织跟1150℃退火处理后的组织相比，铁素体含量没有发生明显变化，如图所示。用光学显微镜自带的测量软件测得心部铁素体含量为9.1%，说明高温铁素体很难通过热处理来消除。

四、力学性能

   310S耐热不锈钢退火后，头、中、尾各取1个试样，用拉伸试验机检测力学性能，如表所示。从表可以看出，310S耐热不锈钢退火后力学性能满足标准要求，说明高温铁素体的存在不影响产品的力学性能。

五、产品缺陷

   310S耐热不锈钢酸洗后，正反面全宽方向无规则发生表面缺陷。主要缺陷照片如图所示。对表面缺陷进行扫描电镜观察如图所示，从图可以看出，缺陷部位在放大60倍的情况下，形貌为凹进去的一个小沟槽，周围没有异常物质存在；放大200倍后，缺陷部位形貌基本和正常部位一致，缺陷底部没有发现小裂纹存在。从对缺陷的扫描电镜观察结果来看，产生缺陷的主要原因如下：309S奥氏体耐热不锈钢连铸板坯表面的粗糙度影响热轧过程氧化膜的形貌。目前310S不锈钢板坯修磨没有采用精修磨，板坯表面粗糙度大，如图所示。表面粗糙度大，热轧过程中产生的氧化膜就不均匀。此外，310S耐热不锈钢，在高温时容易形成Cr2O3和NiO等保护性氧化膜，不容易被去除。这两个因素导致高压水除鳞过程中，氧化膜除不干净，在随后的轧制过程中，就会加以延伸，在精轧后就会呈现出一定的方向性。到冷轧热线酸洗的过程中，310S不锈钢表层残留的氧化皮被酸洗干净，就会留下山形痕迹。因此，可以通过连铸板坯的精修磨来改善热轧过程氧化膜的形貌，从而有效避免表面缺陷的产生。

  310S体耐热不锈钢在三种状态下的组织均为奥氏体相和残留的高温铁素体相，这种高温铁素体难以通过热处理消除；高温铁素体的存在不影响其力学性能。310S不锈钢连铸板坯中心试样、轧制态以及退火态中部试样中，铁素体含量分别为10%、9.6%和9.3%，说明轧制和退火处理对铁素体含量的影响比较小。轧制态和退火态金相组织中，近表面铁素体含量少，心部铁素体含量高。通过连铸板坯的精修磨可以改善热轧过程氧化膜的形貌，从而避免表面缺陷的产生。