1 引言

321不锈钢是Ni-Cr-Ti型奥氏体钢，具有耐磨蚀性、耐高温、抗蠕变性等，用于制造耐磨容器和耐磨设备的衬里、输送管道、石油化工、电力、桥梁和汽车等行业，其性能与304相似，但是由于加入了金属钛，使其具有了更好的的耐晶界腐蚀性及高温强度。由于添加了金属钛，使其有效的控制了碳化铬的形成，增加了耐腐蚀能力。目前321不锈钢的热处理制度主要为“固溶”和“固溶+稳定化处理”，稳定化处理主要是在860~930℃之间保温1~4小时后快冷，为了生成大量的碳化钛避免出现“贫铬”造成晶界腐蚀，提高材料的耐腐蚀能力，对于没有晶间腐蚀要求的可只进行固溶热处理^[1、2]。

对于只有室温力学性能要求的产品可按照上述热处理工艺进行便能达到要求，当有高温性能要求和锻件尺寸较大时（接近150mm），常规的热处理工艺很难达到要求，特别是稳定化处理后，抗拉强度会出现下降的现象，单纯的固溶强化并不能给高温抗拉强度带来提升，稳定化处理后强度反而更低^[3]。因此，本文研究了高温强度下降的原因，然后通过制定恰当的热处理工艺，分别从321不锈钢的细晶强化、固溶强化和沉淀相强化进行研究，旨在得到提高该材料高温抗拉强度的热处理工艺。

2原材料及试验方案

2.1 原材料

06Cr18Ni11Ti材料的化学成分列于表1。采用真空感应加真空自耗工艺冶炼，轧制成φ40*3120的棒材，轧制温度区间为850~1150℃，轧制后缓冷退火，截取尺寸为φ130*200的棒材作为试样件。

表1  06Cr18Ni11Ti材料的化学成分(%,质量分数)

2.2 试验方案

1.将试样进行固溶热处理，记作试验1；

2.将试样进行固溶+稳定化处理，记作试验2；

3.将试样进行缓慢升温后再固溶处理，记作试验3；

以上3个试验结束后分别进行高温拉伸试验，试验1热处理工艺1050℃×2.5h（水冷），试验2热处理工艺1050℃×2.5h+890℃×2h（水冷、空冷），试验3热处理工艺600℃×2.5h+600℃~900℃（缓慢升温）+900℃×2.5h+1050℃×2.5h水冷。拉伸试验在LD26.305S型拉伸试验机上进行，采用d0＝10mm的标准试样。试验试样先进行敏化处理，然后腐蚀试验按GB/T 4334-2008 E法要求进行，采用光学显微镜MP-1B AXIO VERT A1进行金相观察。

3 试验结果以及分析讨论

3.1. 稳定化处理对06Cr18Ni11Ti材料力学性能的影响

只做固溶热处理和固溶+稳定化处理的力学性能的见表2所示，从表3可以看出稳定化后强度下降明显，两种热处理制度强度都呈下降趋势，对比锻后态高温性能，固溶后抗拉强度下降4%，稳定化后抗拉强度下降10%，由于锻件截面较大，性能要求高，固溶后内应力消除，变软，导致强度整体低于锻后态，但延伸率有所提高；试样经稳定化后强度下降幅度更大，通过金相观察可以发现两者晶粒度差别不大（见图1图2），铁素体分布也较为均匀，但稳定化后会在晶界有明显的析出物，初步判定为碳化钛，因为该材料钛含量较高，会与已经固溶的碳结合生成化合物，造成强度降低 ^[4,5]。

表2不同淬火冷却方式下的力学性能

图1 固溶处理金相组织               图2固溶+稳定化处理金相组织

3.2控程升温对06Cr18Ni11Ti材料高温性能的影响

为了提高321不锈钢的高温强度，我们采取了分段程控升温的方法，通过逐级析出晶间强化相提高强度，试验结果见图3。

（a）室温强度                    （b）350℃强度

图3  分段程控升温试验结果

从图6可以看出在350℃高温下的强度经过热处理后总体呈下降趋势，其中屈服下降最为明显，抗拉强度下降较小但低于标准验收值，经过几种热处理制度，在930℃×2h固溶后屈服下降最低，下降比为0.3%，抗拉下降0.6%，抗拉不满足要求；稳定化后抗拉下降最明显，下降比为0.8%，主要是析出少量的化合物，导致强化降低；经过控程升温后，抗拉强度下降不明显，下降比为0.1%，在600`900℃缓慢升温主要是为了在温度区间析出少量的σ相，该项硬而脆，会使钢的强度强度得到一定提升，但会对塑性有一定影响，从图中可以看出屈服强度下降最大，约为36%，虽然仍然满足性能要求，但室温屈服及冲击也会有下降的趋势。

4 结论与展望

（1）稳定化处理会降低321不锈钢的整体强度，通过金相观察，能发现稳定化后在晶界会生成部分碳化钛，钛元素会与已固溶后的碳结合生成化合物，从而降低不锈钢的强度； 

（2）在600~900℃缓慢升温后再进行固溶借助析出相的强化作用能够有效稳住高温抗拉强度，但屈服强度急剧下降（下降比36%），会导致室温屈服偏低的情况，因此在后续的试验研究中可以降低固溶温度来提高屈服强度；

（3）后期对于大截面（∅130~∅150）之间的试样要求高温性能时，应该从原材料入手，控制碳含量，热处理始终只是一个均匀组织，消除应力和软化的过程，依靠固溶强化很难达到要求。

参考文献：

[1] 吴林，邢长军，姚春发等.合金元素Ti及热处理工艺对0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢组织及性能的影响[ J ].金属热处理，2016, 41(10) :21~24.

[2]马海涛，赵艳辉，王来等. 固溶处理对服役后AISI 321钢组织和性能的影响[J]. 金属热处理, 2011, 36(SI):416-419.

[3] 戴启勋.金属学热处理 [M]. 北京：化学工业出版社，2008.

作者简介：

田源（1995.01-），男，汉族，贵州遵义人，冶金工程硕士研究生，工程师，研究方向：金属材料。