Microstructure evolution during isothermal annealing of a standard duplex stainless steel type 1.4462

Abstract

Small alterations in chemical composition, even within the boundaries of the international standards, can drastically alter the formation kinetics of intermetallic phases in a stainless steel. Therefore, by means of isothermal annealing experiments, the time-temperature-precipitation (TTP) diagram was constructed for an industrially cold rolled and annealed standard duplex stainless steel of type 1.4462 (X2CrNiMoN22-5-3), having a distinct composition. Temperature was varied from 600 to 1050 °C, with annealing times from 10 to 3·105 s Two intermetallic phases were observed with scanning electron microscopy (SEM): σ phase and χ phase. σ precipitation occurred in a slightly higher temperature range than χ precipitation. In addition, at high temperatures σ was the first phase to appear, while at lower temperatures χ was the first. This could be explained by the driving force for transformation, which is larger for σ at high temperatures and larger for χ at low temperatures. The microstructural changes during the heat treatment were studied in detail in order to provide a complete overview of all the phenomena that occur during annealing. At temperatures between 750 and 900 °C precipitation was fastest and all the α was replaced by γ and σ after prolonged times. The presence of neighbouring ferrite seems to be a necessary condition for the χ phase to be stable. The appearance of large volume fractions of σ above 700 °C was accompanied by a strong growth of the austenitic phase resulting in a more isotropic microstructure. Beneath 700 °C, the precipitated volume fractions of σ were relatively small and consequently the original banded structure remained clearly visible. At these lower temperatures the mobility of alloying elements is limited and a Widmannstätten like austenite was observed to grow into the ferrite in a needle-like manner. Schon kleine Veränderungen der chemischen Zusammensetzung, selbst innerhalb der in internationalen Normen erlaubten Grenzen, können die Enstehungskinetik von intermetallischen Phasen in einem nichtrostenden Stahl drastisch verändern. Deshalb wurden isotherme Glühversuche herangezogen, um das ZTA-Diagramm der σ-Phasenbildung in einem industriell kaltgewalzten und geglühten Standard-Duplexstahl des Typs 1.4462 (X2CrNiMoN22-5-3) mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung aufzunehmen. Die Temperatur wurde zwischen 600 und 1050 °C variiert, die Glühzeiten von 10 bis 3·105 s. Zwei intermetallische Phasen wurden in Beobachtungen unter dem Rasterelektronenmikroskop (REM) nachgewiesen: σ- und χ-Phase. Die σ-Ausscheidung erfolgte in einem etwas höheren Temperaturbereich als die χ-Ausscheidung. Darüber hinaus trat die σ-Phase bei höheren Temperaturen vor der χ-Phase auf, während es bei niedrigeren Temperaturen umgekehrt war. Die Erklärung liegt in den treibenden Kräften der Phasenumwandlung: Bei höheren Temperaturen sind sie für die Bildung von σ-Phase größer, bei niedrigeren Temperaturen für die Bildung von χ-Phase. Die mikrostrukturellen Veränderungen während der Wärmebehandlung wurden genau untersucht, um eine vollständige Übersicht über alle während der Wärmebehandlung auftretenden Phänomene zu erhalten. Bei Temperaturen zwischen 750 und 900 °C lief der Vorgang der Ausscheidung am schnellsten ab. Nach langen Glühzeiten wurde der gesamte Ferrit durch Austenit und σ-Phase ersetzt. Die Anwesenheit von Ferit scheint eine notwendige Voraussetzung für eine stabile χ-Phase zu sein. Die Anwesenheit großer Volumenanteile an a-Phase oberhalb 700 °C ging mit einem starken Wachstum der austenitischen Phase einher, was zu einer isotroperen Mikrostruktur führt. Unterhalb 700 °C war das ausgeschiedene Austenitvolumen relativ klein. Folglich blieb das ursprüngliche Zeilengefüge nach wie vor deutlich erkennbar. Bei diesen niedrigen Temperaturen ist die Mobilität der Legierungselemente begrenzt, und es wurde beobachtet, wie Widmannstätten'scher Austenit nadelartig in den Ferrit hineinwuchs.