1乙二醇EO扩能改造项目新增加的一批设备(E-450、D-450等)运至现场时,我们发现其奥氏体不锈钢封头(折边附近)带有较大的磁性。众所周知,奥氏体不锈钢是不应有磁性的。最初怀疑所用的不锈钢材料不合格,经过光谱检测,未发现材料有异常,均为合格的S30408不锈钢。在与制造厂方技术人员沟通交流,及查阅学习相关资料后,基本确定封头产生磁性是由于奥氏体不锈钢在冷加工形变过程中组织发生了变化,部分奥氏体转变为马氏体。而体心立方结构的马氏体是具有磁性的。
那么,马氏体组织产生的原因,与哪些因素有关,对设备的使用性能是否有影响,如何避免产生马氏体等问题是作为使用单位及设备管理人员需要关注的。
2 马氏体产生的原因及影响因素按照组织成分的不同,不锈钢可以分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢及沉淀硬化相不锈钢,其中奥氏体不锈钢是使用量最大的一种。由于组织结构的原因,奥氏体不锈钢理论上是没有磁性的,但是经过冷加工后常用的18-8系列(304等)奥氏体不锈钢经常会产生磁性,特别是封头、弯管等加工程度较大的部件尤为明显。国内外的一些研究研究表明,这些封头的部件产生磁性的原因主要是奥氏体不锈钢经冷加工成型,部分奥氏体会发生马氏体转变。
1、马氏体转变机理
通常马氏体组织可以经过淬火工艺处理而得到,即将钢加热到奥氏体转变温度以上,保温一定时间,使钢充分奥氏体化后,快速冷却。当奥氏体降至马氏体转变温度Ms点以下,其组织就开始转变为马氏体,一直到温度Mf点停止转变。实验研究表明,当奥氏体不锈钢经冷加工成型时,部分奥氏体由于受到拉、压应力也会发生马氏体转变,且马氏体与奥氏体共用晶格,以切变方式在极短时间内发生无扩散相变,这种马氏体又称为形变马氏体。
2、影响马氏体转变的因素
影响马氏体转变的因素主要有:奥氏体不锈钢的稳定性,加工变形量,加工方法等。
2.1化学成分的影响
按照奥氏体的稳定性,奥氏体不锈钢可分为稳态和亚稳态奥氏体不锈钢。亚稳态奥氏体不锈钢在冷变形下更容易产生马氏体,如304、304L、321冷加工较易产生马氏体,而316、316L基本不产生马氏体。
奥氏体不锈钢的稳定性由其化学成分决定,Ni、N、C、Mn等奥氏体化元素越多,奥氏体就越稳定;而Cr、Mo、Nb等铁素体化元素在固溶体中具有扩散作用,在含量合适的情况下,能阻止奥氏体转变为马氏体,但是过量时又会促使奥氏体向马氏体、铁素体转化。
2.2加工变形量的影响在相同条件下,加工变形量越大,产生的形变马氏体量越大。
2.3 加工方法的影响奥氏体不锈钢封头的成形加工一般采用冷冲压或冷旋压,冷冲压采用标准模具一次冲压成形;冷旋压是利用两模具的反复挤压作用而成形。冷冲压加工程度较为激烈(变形速度快),在相同条件下产生形变马氏体含量较高。此外,马氏体的产生还与加工温度有关,加工温度越高,形变马氏体含量越低。
3、马氏体相变对设备性能的影响
奥氏体是面心立方结构,而马氏体是体心立方结构;马氏体的密度低于奥氏体,所以发生转变后体积会膨胀,从而引起内部的残余应力。奥氏体组织晶粒较细,强度及韧性等综合力学性能较好,而马氏体组织硬度较高、塑性差。当马氏体相变量较大时,对钢材的性能影响不容忽视。
1)由于体积的变化,马氏体相变会引起内部残余应力,可能会导致设备产生裂纹等缺陷。
2)马氏体的电位比奥氏体低,在腐蚀介质环境下,马氏体相对于奥氏体为阳极,优先被腐蚀,造成不锈钢电化学腐蚀。
3)有学者认为,亚稳态不锈钢的局部腐蚀与形变马氏体量之间存在一定关系。
4)由于存在残余应力和电化学腐蚀条件,形变诱发马氏体被认为是奥氏体不锈钢在CL离子环境中产生应力腐蚀的重要原因之一。
4、预防措施根据马氏体产生的原因及影响因素,其预防措施主要有以下几种:
1)在订购封头钢板时,在标准允许范围内提高奥氏体化元素的含量。
2)材料升级,采用316L、310等Ni含量较高的材料
3)改进加工工艺。如某厂家开发了一种新工艺,封头冷冲压预压,然后进行加温至大约250℃旋压。由于采用预压,减少反复压制从而减少了马氏体相变量,且旋压温度250℃,高于Md(加工引起马氏体相变的温度上限),因此可以避免奥氏体不锈钢冷加工产生的较大磁性。
4)固熔热处理,可完全消除磁性及加工硬化现象。但固熔处理成本较高,且对封头尺寸变形影响较大。
5)加强各环节质量管理,严格控制原材料质量,严格遵守加工工艺规程。
