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超低温阀门用奥氏体不锈钢(二)

2024-02-02 15:22来源:Admin5浏览:
奥氏体不锈钢
3.1 种类
奥氏体不锈钢的种类繁多,但在超低温阀门制造中,广泛应用的是 Cr-Ni 奥氏体不锈钢,即美国标准中的 300 系列不锈钢。其中,F304、F304L、 F316 和F316L 是超低温阀中用量较多的几种牌号。这四种牌号钢都属于亚稳型不锈钢,在超低温下会发生马氏体转变(即相变),如果需要得到稳定的奥氏体组织,可选用F310 奥氏体不锈钢。
表 1 中所列各种牌号的不锈钢可用于超低温下-254 ℃或更低。在国外的一些标准或规范中,对奥氏体不锈钢的使用温度范围有明确的规定。例如日本高压气体法规F304定,SUS304L和 SUS316L(相当于 F304L和 F316L)允许使用到-269℃而SUS304和 SUS316(相当于 F304 和 F316)只允许使用到-254℃,这可能是因5a16为 SUS304 和SUS316 在煌接过程中,其热影响区容易产生晶界碳化物,可造成低漏F畫鲆骸21劣化而导致冲击韧性下降的原因。
F347
3.2 性能
注:F3随着温度的下降,奥氏体不锈钢的强度显著提高。从强度观点看,这意味着在常温下有足够强度的阀门在超低温下也必然是安全的。强度的提高,对韧性的影响较小,只是稍有下降。这就是奥氏体不锈钢能成为超低温阀门用材的主要原因。
奥氏体不锈钢的组织为面心立方结构,低温下没有脆性转变现象。除非存在第二相或处于导致应力腐蚀断裂的环境下,否则不会发生脆性断裂,韧性也不会随温度下降而突然下降。其主要原因是当温度降低时,面心立方金属的屈服强度没有显著变化而且不易产生形变孪晶,位错容易移动,同部应力易于松弛,裂纹不易传播,一般没有从延性到脆性的转折(温度)。所以在超低温下,仍能保持较高的冲击韧性而且远远超过 27J(该值为欧盟 97/23/EC《承压设备指令》所规定的低温用钢所必须的最小平均冲击功),可完全满足超低温阀门的使用要求。
3.3 铸件
在超低温阀门制造中,经常采用奥氏体不锈钢铸件作为阀门的主体材料。铸件易于成型,对以锻造方法难以成型的零件,采用铸造方法则很容易获得。目前,国际上通用的是美国 ASTM A351 CF类不锈钢铸件,
由于铸件可能存在着合金偏析和树枝晶组织等缺陷,加之 CF 类不锈钢铸件都含有定数量的铁素体,因此其低温韧性必然受到影响。一般情况下,CF 类不锈钢铸件的全到,低温冲击值要低于同种牌号的变形合金。与美国ASMEB16 13《工艺管路》所规定的 CF 类不锈钢铸件的应用温度范围不同,日本」IS 8243 《压力容器的结构》和高压气体管理法都将奥氏体不锈钢铸件的最低使用温度限制在-196℃。30413.4 Cr-Mn-N 系不锈钢。
Cr-Mn-N 系不锈钢是一种节镍型的奥氏体不锈钢,如 03Cr13Ni5NMn19万用于-253 ℃)、07Cr21Mn7Ni5N(可用于-269℃ )等。与 Cr-Ni奥氏体不锈钢不同,Cr-Mn-N 不锈钢在低温下有韧性-脆性转变现象。这是由于钢中含有 Mn,在低温时形成大量层错,阻碍位错相交而造成的。通常超低温阀门用材很少采用CrMn-N 系不锈钢。
4工艺处理
4.1固溶处理
固溶处理是奥氏体不锈钢的基本热处理方法,是防止晶间腐蚀的重要手段。而作为超低温阀门使用的奥氏体不锈钢,固溶处理的目的是为了使碳化物充分溶解,提高其抗脆性能力,从而可以在更低的温度下安全使用。对于含Ti、 Nb 的稳定化奥氏体不锈钢,固溶处理主要是为得到较均匀的成分和组织,保证其良好的韧性和塑性。对于铸件,固溶处理可使其在凝固过程中所产生的偏析得以改善,使组织接近均匀。此外,奥氏体不锈钢在焊接时,其热影响区由于碳化物析出及铁素体生成,会明显降低材料的低温韧性。因此,焊后亦应进行固溶处理,以恢复其低温韧性。
4.2 深冷处理
大部分 Cr-Ni奥氏体不锈钢在常温下处于亚稳定状态,而在超低温范围内会因晶格畸变而发生马氏体转变。马氏体开始转变时的温度即为马氏体转变点(亦称相变点用符号 Ms 来表示。Ms 点的温度主要取决于固溶在奥氏体内合金元素的量。当奥氏体不锈钢的工作温度等于或低于其马氏体转变点 Ms 时,就会发生马氏体转变。因马氏体的比容比奥氏体的大,由此而引起的体积膨胀和组织应力会使零件尺寸发生变化最终导致阀门泄漏。为防止材料在使用过程中发生马氏体转变,需对其进行深冷处理、
深冷处理是将奥氏体不锈钢材料浸在冷却剂中进行冷却、保冷,使之发生马氏体转变的一种工艺方法。深冷处理可使材料预先进行马氏体转变,以保证在使用中的组织稳定性。深冷处理一般在零件的精加工之前进行。深冷处理的温度应以材料的Ms点为依据。材料不同,Ms点各异。即使是同一牌号的材料,由于批次(或炉号)的不同,其Ms点也各不相同,而且差别很大。有的在超低温范围的上限附近即可产生马氏体转变。
马氏体的转变量随温度的降低而增加,为确保工件在使用过程中的组织稳定性深冷处理所用介质的温度需等于或低于阀门工作温度。深冷处理的冷却介质多采用液氨或液氦等溶液。可根据阀门使用温度来确定。浸在深冷介质中的零件达到介质温度(介质表面所冒气泡完全消失)时,即可计算保冷时间。根据实践经验,保冷1~2h 即能达到处理目的。时间过长,对马氏体的转变无明显影响。保冷结束即可将零件取出在空气中放冷至常温。
经过一次深冷处理后,奥氏体不锈钢的马氏体转变基本完成,一般情况下可以满足使用要求。对于密封性要求较严或靠介质压力密封的超低温止回阀,可增加深冷处理的次数。
结语
奥氏体不锈钢是理想的超低温阀门用钢,尤其是在-196℃C以下,奥氏体不锈钢几乎是唯一可以选用的超低温阀门用钢。为避免在使用过程中发生马氏体转变,建议在设计时选择奥氏体组织更加稳定的不锈钢。对于亚稳型不锈钢,应采用深冷处理使其预先完成马氏体转变,以达到使用中的组织稳定。

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