鐵素體不銹鋼中合金元素對韌性及晶界腐蝕的影響

蘇學(xué)虎

江蘇萬恒鑄業(yè)有限公司 江蘇濱海 224500

1 C、N及顯微組織對17Cr不銹鋼韌性影響

不銹鋼用真空感應(yīng)電爐熔煉成10kg鋼錠，再熱軋為7mm厚鋼板，然后在800℃退火1h空冷。加工成4mm厚試樣做沖擊試驗(yàn)。以wC+N=0.03%為分界，前后對應(yīng)的斷裂轉(zhuǎn)變溫度截然相反，而且正好對應(yīng)相組織上單相鐵素體與鐵素體加回火馬氏體雙相組織的分界線。在單相鐵素體中，隨著碳＋氮含量的降低，韌性提高，分析發(fā)現(xiàn)17Cr鋼穩(wěn)定的鉻碳氮化物沉淀的出現(xiàn)是與在800℃退火時(shí)的再結(jié)晶過程是一致的，即對于單相鐵素體組織隨著碳＋氮含量的降低，韌性得到改善，主要因?yàn)闇p少了沉淀相數(shù)量。對鐵素體和回火馬氏體雙相組織中隨著碳＋氮的含量增加，韌性有改善的傾向，這是因?yàn)槿绻迹吭黾?，回火馬氏體的體積比也增加，在900℃高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，在冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)微組織，如果在高溫下共存奧氏體相，由于奧氏體的形變應(yīng)力比鐵素體大得多，熱軋時(shí)鐵素體相形變比平均形變大，在退火時(shí)容易生成細(xì)微的再結(jié)晶晶粒[1]。但是，在雙相組織中隨著碳＋氮含量的繼續(xù)增加，韌性逐漸惡化，這種現(xiàn)象可歸因于相變量的增加發(fā)生了晶粒細(xì)化作用，而晶粒粗化在1100℃就已經(jīng)發(fā)生了，因?yàn)獒斣谠俳Y(jié)晶原始晶粒的碳氮化物在持續(xù)高溫下溶解，晶界失去約束力而發(fā)生遷移，形成粗晶。如果回火馬氏體占的比例大，鋼在退火時(shí)就容易形成細(xì)晶粒組織，這種晶粒細(xì)化作用消除了沉淀相的增加對韌性的不利影響。

鐵素體不銹鋼要想得到推廣，必須解決HAZ區(qū)的脆化問題，特別是焊縫附近粗晶粒的脆化。將之前的試樣重新加熱到1100℃保溫10min，然后水冷，再做沖擊試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)wC+N≤0.03%時(shí)為單相鐵素體組織，轉(zhuǎn)變溫度幾乎與碳＋氮含量成正比。當(dāng)wC+N≤0.015%時(shí)轉(zhuǎn)變溫度降至室溫以下，HAZ區(qū)韌性比退火鋼板好[2]。當(dāng)wC+N＞0.03%時(shí)，轉(zhuǎn)變溫度在150℃左右趨于水平且與碳＋氮含量無關(guān)，而且這個(gè)范圍顯微組織為鐵素體+馬氏體雙相組織。研究在HAZ區(qū)試樣隨著碳＋氮含量增加韌性降低的原因，在1100℃下保溫10min，然后水冷后進(jìn)行碳氮化物的穩(wěn)定化處理，設(shè)計(jì)800℃保溫1h空冷，17Cr鋼在800℃下碳氮化物沉淀最快，而在加熱1h中不會出現(xiàn)σ相沉淀。在單相鐵素體中碳氮化物主要沉淀于晶界，而在鐵素體+馬氏體雙相組織中，馬氏體的分解產(chǎn)生軟化作用。

2 合金元素對高鉻鐵素體不銹鋼韌性影響

隨著碳+氮含量的逐漸降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度下降，當(dāng)wC+N＜0.015%時(shí)轉(zhuǎn)變溫度低于室溫，wC+N每減少0.01%，轉(zhuǎn)變溫度約下降110℃。改善韌性的效果取決于冷卻速度，隨爐冷的改善效果幾乎全部消失。降低碳＋氮含量及冷卻速度的效果都與晶界沉淀相密切相關(guān)，隨著晶界沉淀相數(shù)量的增加，韌性降低。

熱處理主要起到兩個(gè)作用：

1）溶解在熱軋過程中形成的碳氮化物。

2）再結(jié)晶。熱處理溫度是控制韌性的重要因素。

在鐵素體不銹鋼中加入穩(wěn)定化的鈮（碳＋氮含量的8～10倍）后，就不會產(chǎn)生晶界沉淀[3]，即使冷卻速度慢也能得到良好的韌性。加入鈦也能制止晶界沉淀，但韌性卻發(fā)生惡化，與加入鈮相比，夾雜物數(shù)量有明顯的增加現(xiàn)象，夾雜物主要為尖角狀的TiN。在wCr=15%～30%、wMo=0～3%的范圍內(nèi)，超低碳、氮的高純度情況下，韌性是相同的，即降低碳＋氮含量而獲得的韌性與Cr、Mo含量無關(guān)。但由于Cr、Mo的固溶，強(qiáng)度明顯增加。即使組織中晶粒度變化顯著，轉(zhuǎn)變溫度卻變化不大。而且在脆性范圍內(nèi)，所有斷裂都是穿晶斷裂而不是沿晶斷裂，即使在高氧含量時(shí)也是如此。在高鉻鐵素體不銹鋼中，碳＋氮含量即使比在碳素鋼中低，還會形成碳氮化物，水冷也難以充分制止它們在晶界沉淀析出，這是因?yàn)樵诟咩t鐵素體不銹鋼中碳、氮的溶解度特別低，在高純材料中晶粒度有顯著變化，轉(zhuǎn)變溫度仍保持不變。鋼中的雜質(zhì)包括氧、鋁、磷、硅及錳都會降低韌性，但與碳、氮相比，它們影響是很小的，硫幾乎沒影響。在高鉻鐵素體不銹鋼中，沉淀相位置上的裂紋源左右著韌性，由于在700～800℃高鉻鋼中碳的溶解度非常小，因鉻含量變化而產(chǎn)生的碳氮化物沉淀數(shù)量的變化對轉(zhuǎn)變溫度實(shí)質(zhì)上沒什么影響。例如，對于合金19Cr-2Mo鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對薄板同時(shí)用鈮鈦混合穩(wěn)定化，取wC+N＜0.02%，wTi+Nb≥16wC+N。反之對鋼板，韌性更為重要，雖然對于高氮+碳含量下為防止晶界腐蝕，要求鈮含量超過碳＋氮含量的16倍[4]，但是對于韌性是不利的。為了兼顧兩者，將wC+N控制在0.012%或更低些，將鈮含量控制在碳＋氮含量的8～10倍。

3 結(jié)束語

1）鐵素體不銹鋼中的雜質(zhì)包括氧、鋁、磷、硅及錳都降低韌性，但與碳、氮相比，它們的影響是小的，硫幾乎沒影響。

2）鈮和鈦是鐵素體鋼主要穩(wěn)定化元素，而鈮和鈦對韌性和塑性兩方面起著恰恰相反的作用，因此可以按照所需產(chǎn)品形狀來調(diào)整合金設(shè)計(jì)。

3）在鐵素體不銹鋼中，C、N對韌性影響很大。用中頻感應(yīng)電爐+AOD雙聯(lián)熔煉可以降低其對韌性的影響。