N含量對Fe-21Cr-3Ni-1Mo-N雙相不銹鋼組織的影響

危志強(qiáng), 陳湘茹, 仲紅剛, 翟啟杰

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海200444;2.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司,南昌330031)

雙相不銹鋼(duplex stainless steel,DSS)是指鐵素體相與奧氏體相各占約一半,一般較少相也需達(dá)到30%的不銹鋼.由于兩相組織的特點(diǎn),通過適當(dāng)控制化學(xué)成分和熱處理工藝,可使雙相不銹鋼兼有鐵素體不銹鋼的較高強(qiáng)度、耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能和奧氏體不銹鋼的優(yōu)良韌性、焊接性的優(yōu)點(diǎn)[1].正是這些優(yōu)越的性能使雙相不銹鋼作為一種重要的可焊耐蝕結(jié)構(gòu)材料,日益受到人們的重視,具有廣闊的應(yīng)用前景,并已廣泛應(yīng)用于石油化工和造船工程等領(lǐng)域[2-3].

自2000年以來,經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼已成為雙相不銹鋼的發(fā)展方向.經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼主要通過N,Mn代替Ni,Mo來降低成本,其中2101經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼是典型代表[4].但已有的經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼熱加工難度大、薄板延伸率低,基于此,一種具有相變誘導(dǎo)塑性(transformation induced plasticity,TRIP)效應(yīng)[5]的經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼被開發(fā)出來,其熱加工性能優(yōu)于已有經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼.本工作的研究對象Fe-21Cr-3Ni-1Mo-N便是上海寶鋼公司設(shè)計(jì)并開發(fā)的具有TRIP效應(yīng)的經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼.

由于雙相不銹鋼由兩相組成,其中兩相比例對雙相不銹鋼的力學(xué)性能及抗腐蝕性能有較大影響,是雙相不銹鋼性能的重要影響因素.已有研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)奧氏體與鐵素體兩相比例接近1∶1時(shí),雙相不銹鋼可以獲得最佳的綜合性能[6-8].影響雙相不銹鋼兩相比例的主要因素為合金成分與冷卻速率.合金成分的影響主要是通過控制鐵素體形成元素與奧氏體形成元素的比例來實(shí)現(xiàn),其中N元素是一種強(qiáng)奧氏體形成元素,在雙相不銹鋼中加入適量的N可以有效調(diào)整雙相不銹鋼的兩相比例以及奧氏體相的尺寸、形貌[9].并且,N元素可以固溶于奧氏體中,起固溶強(qiáng)化的作用,同時(shí)N元素可以提高γ相的耐點(diǎn)蝕能力,從而防止由于點(diǎn)蝕造成的應(yīng)力腐蝕發(fā)生,提高了雙相不銹鋼的的強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性能[10-12].鑒于此,本工作研究了N含量對Fe-21Cr-3Ni-1Mo-N雙相不銹鋼凝固組織的影響.

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)所用的母料為上海寶鋼公司提供的原始鑄坯,熔煉裝置如圖1所示.該裝置主要由氣氛保護(hù)系統(tǒng)和加熱熔煉系統(tǒng)組成.將質(zhì)量約為200 g的坯料放入固定于水平石墨支架上的坩堝中,加熱爐升溫、保溫直至試樣熔化,然后降溫至1 000°C并保溫60 min,此時(shí)加熱爐沿導(dǎo)軌移動(dòng)至左側(cè),液淬槽上升對試樣進(jìn)行快速淬火冷卻,淬火液為鎵銦錫合金液.在整個(gè)熔煉過程中,試樣處于保護(hù)氣體氣氛下,實(shí)驗(yàn)設(shè)置了如下3組保護(hù)氣體氣氛:①0.6個(gè)大氣壓的氬氣;②0.6個(gè)大氣壓的氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w,其中氬氣和氮?dú)飧髡家话?③0.6個(gè)大氣壓的氮?dú)?由于整個(gè)熔煉過程相同,3組試樣的升溫、保溫及降溫過程均相同,唯一的區(qū)別在于氣氛中氮?dú)夂坎煌?因此可用于研究N含量對Fe-21Cr-3Ni-1Mo-N雙相不銹鋼凝固組織的影響.

圖1 熔煉裝置Fig.1 Melting device

將3組不同氮?dú)夂繗夥障碌娜蹮挊悠愤M(jìn)行編號,其中編號1,2,3對應(yīng)于上述氣氛①,②,③.利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(Leeman,PERKINE-7300DV)測量Cr,Ni,Si,Mn,Mo,Cu元素含量;利用碳硫分析儀(Leco,CS-600)測量C元素含量;利用氮氧化物分析儀(Leco,TC-436)測量N元素含量.測量結(jié)果如表1所示,其中除N元素外其他元素含量接近,編號1～3的N元素含量從0.700%增加至2.200%.利用光學(xué)金相顯微鏡(Leica,DM6000M)拍攝金相組織照片,腐蝕劑為鹽酸和水1∶1比例混合制成,水浴加熱至75°C,將樣品浸入腐蝕劑中,腐蝕時(shí)間約30 s.利用鐵素體儀(Fisher,FMP30)測量鐵素體含量.由于試樣在1 000°C保溫淬火后,組織基本由鐵素體和奧氏體組成,其余相含量幾乎可以忽略不計(jì),故可計(jì)算出其中奧氏體含量.

表1 Fe-21Cr-3Ni-1Mo-N雙相不銹鋼成分Table 1 Composition of Fe-21Cr-3Ni-1Mo-NDSS %

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

試樣1,2,3的金相組織如圖2所示,由圖可以看出,奧氏體均在鐵素體基體上析出.奧氏體的固態(tài)相變?nèi)Q于相變驅(qū)動(dòng)力,這與成分、組織結(jié)構(gòu)及降溫過程有著密切關(guān)系[9,13].由于本實(shí)驗(yàn)條件除N含量外均一致,檢測出的試樣成分中除N元素外其他元素含量變化很小,可以認(rèn)為兩相比例與形貌的變化主要是由于N含量的變化引起的.

圖2 不同N含量Fe-21Cr-3Ni-1Mo-N雙相不銹鋼金相組織Fig.2 Metallographic structures of Fe-21Cr-3Ni-1Mo-NDSS with different Ncontent

試樣1,2,3金相組織對應(yīng)于圖2(a),(b),(c),其中鐵素體為基體,奧氏體在鐵素體上析出,圖中箭頭所示即為奧氏體.當(dāng)N含量為0.700%時(shí),奧氏體在鐵素體基體上呈團(tuán)簇狀析出,團(tuán)簇彌散分布,奧氏體含量較低,約為23.2%;當(dāng)N含量為1.500%時(shí),奧氏體在鐵素體基體上呈小塊狀或枝晶狀析出,尺寸較小,分布較均勻,奧氏體含量約為48.9%,兩相比例接近1∶1;當(dāng)N含量為2.200%時(shí),奧氏體在鐵素體基體上呈粒狀或塊狀析出,并且大部分奧氏體相連,尺寸較大,奧氏體含量較高,約為62.7%.N含量從0.700%增加至1.500%時(shí),奧氏體含量從23.2%增加至48.9%,增加了110.8%;當(dāng)N含量從1.500%增加至2.200%時(shí),奧氏體含量從48.9%增加至62.7%,增加了28.2%.可見,N含量的增加可以顯著增加奧氏體的含量,對調(diào)整雙相不銹鋼兩相比例影響巨大.在雙相不銹鋼中,N是強(qiáng)奧氏體化元素,其奧氏體化作用是Ni的30倍[14].當(dāng)N含量較低時(shí),N含量的增加(從0.700%～1.500%),使奧氏體從少量析出到大量析出,鐵素體與奧氏體比例從3.31∶1降至1.04∶1,并且奧氏體沒有聚集長大,尺寸較小呈彌散分布;但當(dāng)N含量超過1.500%時(shí),隨著N含量的繼續(xù)增加(從1.500%～2.200%),奧氏體相逐漸增大,枝晶狀?yuàn)W氏體主干逐漸吞并枝干,奧氏體輪廓更加圓潤,奧氏體形貌從小塊狀或枝晶狀變成了大的塊狀或粒狀相連的狀態(tài),鐵素體與奧氏體比例從1.04∶1降至0.59∶1.

Fe-21Cr-3Ni-1Mo-N雙相不銹鋼中的合金元素可以分為兩部分:一部分為鐵素體穩(wěn)定化元素如Cr,Mo,Si;另一部分為奧氏體穩(wěn)定化元素如Ni,Mn,C,N,Cu.Schaeラ[15]提出了利用等效Cr當(dāng)量(Creq)來表征鐵素體穩(wěn)定化元素的效果,并提出:

同樣,利用等效Ni當(dāng)量(Nieq)來表征奧氏體穩(wěn)定化元素的效果,并提出:

石璐璐等[16]研究了Cu對Cr22雙相不銹鋼顯微組織的影響,并采用0.25作為等效Ni當(dāng)量系數(shù),所以可計(jì)算Ni當(dāng)量:

將編號1,2,3三種成分代入上述公式可以得到Creq/Nieq值分別為3.32,2.54,2.07.

根據(jù)元素Cr,Ni當(dāng)量比(Creq/Nieq),可將不銹鋼凝固模式分為四類[17],本工作中的Fe-21Cr-3Ni-1Mo-N雙相不銹鋼凝固模式為mode F:

即在鐵素體基體上通過固態(tài)相變過程析出奧氏體相.不同元素在奧氏體與鐵素體相中主要以兩種形態(tài)存在:一種是以金屬元素Cr,Ni為代表,以置換原子形式存在于晶體中;另一種是以非金屬元素C,N為代表,以間隙原子存在于晶體中.根據(jù)Atamert等[18]提出的熱力學(xué)模型可知,N原子在奧氏體與鐵素體兩相中的溶質(zhì)分配比高達(dá)7∶1(摩爾分?jǐn)?shù)比).由于熱運(yùn)動(dòng)的影響,N原子在鐵素體基體上存在濃度起伏,當(dāng)N原子濃度足夠高時(shí),奧氏體開始形核,同時(shí)由于N原子溶質(zhì)分配在兩相中的不同,造成了鐵素體與奧氏體的相界面處存在濃度差,在濃度差的驅(qū)動(dòng)下間隙原子N源源不斷地從高濃度的奧氏體相向低濃度的鐵素體相擴(kuò)散,這樣相界面不斷向鐵素體相中推移,使奧氏體不斷長大直至兩相平衡.由此可知,N含量對兩相比例影響巨大,N含量越高,鐵素體基體中奧氏體晶核形核位置越多,同時(shí)奧氏體晶核增多后,N原子從奧氏體相向鐵素體相擴(kuò)散距離縮短,最終造成組織中奧氏體含量增多.

奧氏體含量、Creq/Nieq值隨N含量的變化如圖3所示.可以看出,當(dāng)N含量從0.700%增加至2.200%時(shí),Creq/Nieq值從3.32減小至2.07.分析奧氏體含量在圖3中點(diǎn)的分布規(guī)律發(fā)現(xiàn),其與Creq/Nieq值的分布規(guī)律一致.這從另一個(gè)角度驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)過程中除N元素外,其他元素的成分變化很小.奧氏體含量的變化主要是由于N含量的變化導(dǎo)致的,分析式(2)可知各元素在奧氏體穩(wěn)定化中的效果,其中N元素的系數(shù)為30,即奧氏體化作用是Ni元素的30倍.利用最小二乘法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,回歸曲線對測量值的擬合程度較高,奧氏體含量與N含量符合如下關(guān)系:

式中,Y為奧氏體含量(%),X為N含量(%).當(dāng)奧氏體與鐵素體兩相比例接近1∶1時(shí),雙相不銹鋼可以獲得最佳的綜合性能[6-8].將Y=50代入式(5)可求解出X=0.154 5,即1.545%.因此,當(dāng)N含量為1.545%時(shí),Fe-21Cr-3Ni-1Mo-N雙相不銹鋼組織狀態(tài)最佳.

圖3 奧氏體含量、Creq/Nieq值隨N含量的變化Fig.3 Change of Creq/Nieqand austenite content with nitrogen content

3 結(jié)論

本工作采用不同氮含量保護(hù)氣氛下熔煉坯料、1 000°C固溶保溫1 h并快速淬火的方式研究了N含量對Fe-21Cr-3Ni-1Mo-N雙相不銹鋼凝固組織的影響,并得出以下結(jié)論.

(1)通過熱力學(xué)分析發(fā)現(xiàn),N元素可以顯著影響Fe-21Cr-3Ni-1Mo-N雙相不銹鋼兩相比例.當(dāng)N含量從0.700%增加至2.200%時(shí),奧氏體含量從23.2%增加至62.7%.

(2)當(dāng)N含量超過1.500%時(shí),奧氏體相逐漸增大,枝晶狀?yuàn)W氏體主干逐漸吞并枝干,奧氏體形貌從小塊狀或枝晶狀變成了大的塊狀或粒狀相連的狀態(tài),奧氏體輪廓更加圓潤.

(3)通過對測量數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn),奧氏體含量與N含量符合Y=-7.9+501.8X-822.5X2關(guān)系式.當(dāng)N含量為1.545%時(shí),Fe-21Cr-3Ni-1Mo-N雙相不銹鋼兩相比例為1∶1,并通過對Creq/Nieq值的計(jì)算驗(yàn)證了N元素的奧氏體化作用是Ni的30倍.