310S不銹鋼管是含Cr-25%，Ni-20%的高鉻鎳奧氏體耐熱鋼管，是應用廣泛的耐熱合金。在高溫氧化環境中具有良好的高溫力學性能,同時具有優良的耐蝕性,常用于爐管材料,石油化工，化肥廠轉化爐。310S不銹鋼管在高溫下表面形成FeO.Cr2O3、FeO.Fe2O3和尖晶石結(FeCr2O4，NiCr2O4)具有阻止O、N、S等有害氣體的侵入的保護性氧化膜，這種膜在高溫下穩定性比較好,阻礙基體與有害氣體的接觸。加入Al元素以后形成更穩定的Al2O3保護膜，這種保護膜在高溫下更穩定，熱膨脹系數也不高，從而可顯著的提高材料的高溫抗氧化性。另外，當加入鋁元素以后，合金中大部分的Al固溶于基體中，合金基體由最初的單相γ轉變為γ+δ鐵素體。鐵素體的存在提高了合金的室溫強度，降低了線脹系數。不論在動載或靜載條件下，比奧氏體不銹鋼具有更高的能量吸收能力。

    浙江至德鋼業有限公司技術人員前期用中頻無芯感應爐熔煉了不同鋁含量的310S不銹鋼管，研究了鋁含量對鑄態、固溶態的微觀組織、力學性能、抗高溫氧化性能的作用機制，發現不銹鋼中添加鋁元素以后，力學性能和抗高溫氧化性能都有較大幅度的提升。但對高鋁鑄態熱軋加工為板材的研究尚未進行，而310S不銹鋼管是其應用中的一種主要形式。結合前期的研究結果，選擇綜合性能優良的含鋁1.5%、2%、3%的鑄態坯料在1100℃、1150℃、1200℃進行軋制，然后于1150℃固溶處理30min，最后進行組織分析、力學性能、抗高溫氧化性能的測試，揭示鋁含量和熱軋工藝對310S板材組織以及力學性能的影響，為工業化的生產提供理論方面的指導。

一、實驗過程

    試驗合金的熔煉和熱軋鑄造過程：以選用的太鋼生產的310S不銹鋼管的原始成分為基礎，分別添加含量為1.5%、2%、3%的鋁元素，設計的成分如表所示。在大氣環境中采用中頻無芯感應爐（堿性鎂砂低碳高耐火度坩堝作為爐襯）進行熔煉，當合金溫度達到1600℃的時候，保溫20分鐘，保證合金充分熔化并和鋁混勻，最后出爐澆鑄在呋喃樹脂砂型（底部預埋20mm厚的冷鐵，保證組織致密性）中。

二、熱軋過程

    將不同鋁含量的鑄錠表面的氧化皮去除，線切割成75㎜×70㎜×5㎜的塊狀試樣。利用MR350手動軋機在1200℃下進行變形量50%的熱軋。實驗所用的箱式加熱爐如圖所示。要保證每道次間的保溫時間達到15min左右，經過多道次的軋制最后得到厚度為3.5㎜、2.5㎜、1.5㎜的熱軋鋼管，對熱軋鋼管表面的氧化層去除，如圖所示為不同鋁含量軋制前后實物對比圖。軋制好的板材固溶處理工藝為1150℃+30分鐘保溫后水冷。最后對試樣進行室溫拉伸、高溫氧化性能測試。

三、試驗合金的性能測試硬度測試方法

   先將310S不銹鋼管加工成10mm×10mm的塊狀試樣，不同軋制參數下的試樣，用水砂紙逐級將打磨光滑至1000目，選用HBRVU-187.5型布洛維氏光學硬度計測定各成分合金的硬度，加載載荷為298N，每種成分合金選不同部位重復測試6次，計算平均值即為材料的硬度值，保證測量誤差小于5%。

    1. 拉伸性能測試

    室溫力學性能按照GB/T228-2002中的技術要求進行測試，將熱軋的板材加工成如圖的標準試樣，標距為10mm，計算得到試樣截面積為3.4㎜，用150至800目的砂紙逐級將試樣打磨光滑。選用如圖所示的微機控制電子式萬能材料試驗機進行試驗，采用位移加載，實驗過程要保證夾頭兩端夾緊防止打滑，避免造成試驗誤差，拉伸速率為0.2mm/min，每次試驗在相同的參數條件下重復三次，保證試驗數據的準確性。最后根據拉伸試驗得到的載荷位移曲線計算出應力和其對應的變形量，繪制出應力-應變曲線，通過此曲線可以得到材料的屈服強度、抗拉強度、延伸率等。

   2. 斷口掃描

    利用JSM-6700F場發射掃描電子顯微鏡對310S不銹鋼管拉伸試樣的斷口形貌進行進行觀察，分析材料在不同的試驗條件下的斷裂方式及機理。采用增重法對310S不銹鋼管高溫氧化試樣進行測試。高溫氧化實驗按照GB/T13303-1991《鋼的抗氧化性能測定方法》的技術要求進行試驗，從軋制的板材上用線切割方法獲得尺寸為10mm×10mm×2.5mm的立方形試樣。用150至1000目的砂紙逐級將試樣打磨光滑，保證試樣表面粗糙度在0.8μm以下,并打磨處理已經將試樣試樣表面打磨過的棱角，使之圓滑。用游標卡尺測量計算出試樣的總表面積。在進行高溫氧化之前，將試樣分別放在酒精中用超聲波清洗，再放到干燥箱里，200℃保溫4小時以上，干燥完成以后，置于干燥盒子里等待實驗所用。在實驗前，為了減小誤差，將氧化實驗所用氧化鋁坩堝放到高溫加熱爐中，在1000℃加熱保溫一段時間，連續的焙燒，稱重，直到坩堝的重量不在變化。把實驗樣品置于焙燒至恒重的坩堝里，做好標記分類，然后稱量每一個坩堝和試樣的總質量并做記錄。

   3. 實驗操作

   開啟爐子并設定實驗溫度（900℃和1000℃），當爐子升溫至設定溫度時，把已經稱量好的實驗用陳放樣品的坩堝放進爐子。在設定的溫度下保溫20小時，要隨時關注爐子的溫度，保證溫度沒有很大的變化。等到20h的時候，用鉗子取出，按照參數順序排列，要求取出一個要迅速的用清洗干凈干燥的陶瓷蓋子蓋住，防止爐內和外邊的溫度變化大，空氣密度高，引起進一步的氧化，并防止310S不銹鋼管試樣表面的氧化膜在驟冷下飛濺出坩堝，影響測試結果。等冷卻至室溫時，將裝有試樣的坩堝在0.1mg的天平上（BP211D型）稱重，加熱氧化實驗總共循環五次，累計氧化時間為100小時。每組實驗參數要重復做3次，取測試結果的平均值。氧化實驗結束的樣品用掃描電鏡對其氧化表面進行觀察。

  4. 實驗結果

   如圖是不同鋁含量的310S不銹鋼管軋制態的宏觀照片。可以看出，隨著鋁含量的增加，板材的表面出現了裂紋。含鋁1.5%的鋼管表面基本沒有出現裂紋，完整性好。鋁含量2%的鋼管經過打磨以后，表面出現少量與軋制方向垂直的裂紋，還有少量裂紋與軋制方向平行。當鋁含量增加到3%時，鋼管表面縱橫裂紋數量增多，有少量的點狀缺陷，還出現了邊裂現象。