高强度奥氏体不锈钢钢带特性分析与研究

时间：2024-05-22

杨海波*

（上海瑞柏造粒机有限公司）

0 引言

目前造粒机中大多采用高强度奥氏体不锈钢钢带，这类钢带用作输送带时具有以下优点：（1）高强度；（2）高硬度；（3）抗腐蚀；（4）耐磨性；（5）较好韧性；（6）抗疲劳。

1 高强度奥氏体不锈钢钢带成分分析

石油化工领域造粒广泛采用的输送带有2 种：瑞典山特维克公司1200SA 奥氏体不锈钢钢带和奥地利百德福公司的Nicro12.1 奥氏体不锈钢钢带。尽管这两家公司还研制出了碳钢钢带、低碳及超低碳马氏体钢带，但在化工行业中，高强度奥氏体钢带应用更广泛。表1 是高强度奥氏体不锈钢钢带的化学成分（质量分数）。

表1 高强度奥氏体不锈钢钢带成分（质量分数） %

奥氏体不锈钢具有优异的抗腐蚀性和较好的韧性，适合应于冷却输送腐蚀性的物料；其缺点是力学性能较差，抗拉强度较低，热传导性差，热膨胀系数大。单一的奥氏体不锈钢钢带无法作为冷却输送带使用，输送带缠绕2 个转鼓运行，需要承受较大的张紧力和承载物料的输送拉力。因此需要将奥氏体不锈钢钢带强化为高强度不锈钢钢带，常用的钢带强化工艺包括以下5 种：（1）马氏体硬化热处理；（2）冷加工拉伸硬化强化；（3）固溶化硬化热处理；（4）晶粒细化热处理；（5）析出硬化热处理。

奥氏体不锈钢是17Cr+7Ni 铬镍不锈钢，不同的合金元素会使材料具有不同的相变温度，一些元素（镍、锰、氮）支持奥氏体形成，另一些元素支持铁素体形成。奥氏体不锈钢不能通过热处理的方式来改变金相组织形成大量马氏体达到提高力学性能的目的，而只能通过冷加工拉伸工艺使奥氏体金相组织转变为马氏体金相组织从而提高钢带的力学性能。图1所示为钢带冷加工量与强化产生马氏体量的微晶组织图。

图1 钢带冷加工量与强化产生马氏体量的微晶组织图

2 高强度奥氏体不锈钢钢带力学性能分析

通过冷加工拉伸硬化后，奥氏体不锈钢钢带的抗拉强度和屈服强度明显提高。奥氏体晶格组织的不锈钢抗拉强度通常为500 MPa 左右，经过冷加工硬化产生马氏体金相组织后，其抗拉强度可达1 200 MPa。表2 为奥氏体不锈钢钢带与高强度奥氏体不锈钢钢带力学性能。

表2 奥氏体不锈钢与高强度奥氏体不锈钢钢带力学性能对比

在某个温度下，奥氏体不锈钢进行冷加工也不可能产生形变马氏体，在该温度下奥氏体金相组织非常稳定，而该温度即为形变马氏体产生的临界温度（Md30）。Md 温度越低奥氏体组织就越稳定。实际钢带轧制时常采用Md30 温度，其值可以由钢化学成分含量计算确定，在该温度下30%的冷变形可以产生50%的高强度马氏体。大量马氏体的生成使钢带强度提高，从普通奥氏体不锈钢钢带转化为高强度奥氏体不锈钢钢带。这类形变产生的马氏体由于碳含量较低，被称之为低碳马氏体或超低碳马氏体，与高碳马氏体相比，其具有更高的强度、硬度、韧性以及很低的脆裂性，焊接性能也良好。

3 高强度奥氏体不锈钢钢带机械性能与物理性能分析

高强度奥氏体不锈钢钢带的机械性能和物理性能可见表3。

表3 高强度奥氏体不锈钢钢带的机械性能与物理性能

奥氏体不锈钢钢带质量主要根据其机械性能和物理性能来判断，抗拉强度、屈服强度、弹性极限以及疲劳强度越高，钢带在冷却输送机中运转就越不容易损坏，使用寿命就越长。结合近30 年实际工作经验，对同样冷却输送机分别安装的普通奥氏体不锈钢钢带和高强度奥氏体不锈钢钢带进行统计分析，普通奥氏体不锈钢钢带寿命一般不超过1 a，而高强度奥氏体不锈钢钢带寿命可以达到5～6 a，寿命最长的钢带运行至今已超过14 a。

通常钢带抗拉强度越高，钢带的疲劳强度也较高，钢带回转运行时越不容易产生裂纹。根据钢带制造商提供的钢带动态载荷试验，选取30 个钢带样品进行循环往复试验，其中有50%样品钢带没有运行超过2 000 000 圈，试验结果可见表4 和图2。

表4 钢带回转运行动态试验

图2 钢带回转圈数与应力关系

大多钢带产生裂纹是因为钢带疲劳失效，尽管钢带所受最大应力没有超过钢带的弹性强度，但交替反复波动的应力变化起初形成细微裂纹，最后演变为较大的明显裂纹而失效，具体可见图3。

导致钢带产生微裂纹的应力包括拉应力、压应力、剪切应力、扭曲应力、弯曲应力及热应力等，钢带局部热变形会导致上述多种应力产生。制造商给出的疲劳强度是指在室温下钢带能够承载的最大应力，如果钢带受热，疲劳强度会明显降低。

奥氏体不锈钢热传导率较低，热膨胀系数较大，在使用过程中应尽量使钢带受热均匀，避免其表面产生局部热膨胀变形，甚至产生裂纹。

图3 典型的微裂纹