不同含氮量Cr-Mn-Mo奧氏體不銹鋼的理化性能

翁建寅 彭 偉 劉騰軾 陸恒昌 寧小智 鮑賢勇 李 北 董 瀚,

(1.鋼鐵研究總院，北京 100081；2.飛亞達(dá)精密科技股份有限公司，廣東 深圳 518057；3.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

不銹鋼大致可分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、雙相不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼、奧氏體不銹鋼等5類。奧氏體不銹鋼具有良好的理化性能，應(yīng)用廣泛。典型的奧氏體不銹鋼為SUS316L鋼，但其鎳含量較高，價(jià)格昂貴。高氮Cr-Mn-Mo奧氏體不銹鋼是一種新材料[1]，具有良好的強(qiáng)韌性、耐點(diǎn)蝕和耐應(yīng)力腐蝕性能，且無磁性[2]，但強(qiáng)度的提高會(huì)降低其塑性和韌性[3]。高氮Cr-Mn-Mo奧氏體不銹鋼以Mn和N代Ni，還含有一定量的Mo，可提高其耐點(diǎn)蝕性能。鋼中的N以間隙固溶原子的形式存在，具有固溶強(qiáng)化、提高加工硬化系數(shù)和改善耐蝕性的作用。以往，對(duì)含氮Cr-Mn-Mo奧氏體不銹鋼的研究主要集中于冶煉技術(shù)[4-6]和氮含量對(duì)其力學(xué)性能的影響，氮含量對(duì)其物理和化學(xué)性能的影響尚不明確。線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等物理性能對(duì)精密機(jī)械零件的使用影響很大，自腐蝕電位、耐晶間腐蝕性能對(duì)接觸腐蝕介質(zhì)的零部件的影響也很大。因此，本文設(shè)計(jì)、冶煉了不含氮和含0.42%、0.59%和0.77%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)氮的Cr-Mn-Mo奧氏體不銹鋼，系統(tǒng)研究了氮含量對(duì)其理化性能的影響，研究結(jié)果將有助于高氮Cr-Mn-Mo奧氏體不銹鋼在輕工行業(yè)的應(yīng)用，并為對(duì)鎳釋放量有特殊要求的手表、醫(yī)療器械、首飾等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[7]。

1 試驗(yàn)材料和方法

設(shè)計(jì)了4種以18Cr14Mn3Mo鋼成分為基礎(chǔ)的不含氮和含氮量不同的Cr-Mn-Mo奧氏體不銹鋼，用50 kg加壓感應(yīng)爐冶煉，并進(jìn)行電渣重熔，鑄錠的化學(xué)成分如表1所示。為了消除成分的微觀偏析，將鑄錠在1 250 ℃加熱10 h，鍛造成截面尺寸為40 mm×40 mm的方棒。再于1 100 ℃保溫1 h水冷固溶處理。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

采用NETZSCH DIL402ES/S型膨脹儀根據(jù)GB/T 4339—2008測(cè)定鋼的線膨脹系數(shù)，測(cè)量溫度范圍為35～800 ℃，試樣尺寸為φ6 mm×20 mm。采用TH2515型直流電阻測(cè)試儀根據(jù)GB/T 351—1995測(cè)量鋼的室溫電阻率，試樣尺寸為φ2.1 mm×200 mm。用Autolab-PGSTAT302N型電化學(xué)工作站測(cè)定鋼的極化曲線，試樣尺寸為φ30 mm×2 mm，工作液為體積分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液，參比電極為甘汞電極。采用Sytsys evo同步熱分析儀根據(jù)ASTM E1269—2011檢測(cè)鋼的比熱容，試樣尺寸為φ3 mm×3 mm。采用LFA 427激光閃射法導(dǎo)熱儀根據(jù)ASTM E1461—13測(cè)量試驗(yàn)鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，試樣尺寸為φ12.6 mm×2.5 mm。按GB/T 4334—2008檢測(cè)鋼的耐晶間腐蝕性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 含氮量對(duì)物理性能的影響

圖1為不同含氮量鋼在不同溫度范圍的平均線性膨脹系數(shù)?？梢钥闯?，試驗(yàn)鋼的平均線膨脹系數(shù)均隨著溫度的提高而增大。不含氮的W0N鋼的平均線膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于含氮鋼的，約小(4～6)×10-6/℃，其平均線膨脹系數(shù)的增大速率也較小，即曲線的斜率較小。值得注意的是，W04N、W06N和W08N鋼在不同溫度范圍的平均線膨脹系數(shù)幾乎相同，即含氮量超過0.42%的Cr-Mn-Mo奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)無明顯變化。

圖1 不含氮和含氮量不同的試驗(yàn)鋼在不同溫度范圍的平均線膨脹系數(shù)

圖2為不含氮和含氮量不同的試驗(yàn)鋼的導(dǎo)熱系數(shù)?？梢钥闯?，試驗(yàn)鋼的導(dǎo)熱系數(shù)隨著含氮量的升高而線性降低。通過擬合獲得了鋼的含氮量ω(N)與導(dǎo)熱系數(shù)(λ)之間的關(guān)系，如式(1)所示。

圖2 含氮量對(duì)試驗(yàn)鋼的導(dǎo)熱系數(shù)的影響

λ=17.23-6.72ω(N)

(1)

圖3為不含氮和含氮量不同的試驗(yàn)鋼的比熱容?？梢钥闯觯囼?yàn)鋼的比熱容并不隨著含氮量的升高而單調(diào)變化。不含氮的鋼的比熱容為0.466 J/(g·K)，含0.42%N的W04N鋼的最大，為0.479 J/(g·K)。隨著含氮量的進(jìn)一步升高，比熱容逐漸減小，W08N鋼的最小，為0.446 J/(g·K)。

圖3 含氮量對(duì)試驗(yàn)鋼比熱容的影響

2.2 含氮量對(duì)化學(xué)性能的影響

圖4為不含氮和含氮量不同的試驗(yàn)鋼的極化曲線。顯然，無氮W0N鋼的自腐蝕電位最低，為-0.175 V，而含氮量超過0.4%的W04N、W06N和W08N鋼的自腐蝕電位差別不大，分別為-0.153、-0.157和-0.151 V。自腐蝕電位的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 含氮量對(duì)試驗(yàn)鋼自腐蝕電位的影響

圖4 不含氮和含氮量不同的試驗(yàn)鋼的極化曲線

圖6為耐晶間腐蝕試驗(yàn)后彎曲試樣的形貌，W0N、W04N、W08N鋼試樣均完全斷裂，W04N鋼試樣斷口發(fā)生了彎曲變形。值得注意的是，W06N鋼試樣未斷裂，僅在彎曲部位的外表面有垂直于彎曲方向的微裂紋，說明W06N鋼的耐晶間腐蝕性能最佳。

圖6中晶間腐蝕試樣彎曲部位(即斷口和彎曲部位的外表面)的微觀形貌如圖7所示。W0N和W08N鋼試樣斷口有大量微裂紋，根據(jù)其形貌可判斷是沿晶界分布的。W06N鋼試樣的塑性變形最顯著，W04N鋼的次之。W0N鋼和W04N鋼的耐晶間腐蝕性能差，可能與Cr23C6或金屬間化合物的析出有關(guān)；W08N鋼的耐晶間腐蝕性能也不良，可能與Cr2N的沿晶析出有關(guān)。不同含氮量鋼的析出相特性有待詳細(xì)研究。

圖7 晶間腐蝕試樣彎曲部位的微觀形貌

圖6 晶間腐蝕和彎曲試驗(yàn)后試樣

3 結(jié)論

(1)不含氮和含0.42%、0.59%及0.77% N的Cr-Mn-Mo奧氏體不銹鋼的平均線膨脹系數(shù)均隨著溫度范圍的提高而增大，氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.42%的鋼的線膨脹系數(shù)無明顯變化。

(2)試驗(yàn)鋼的導(dǎo)熱系數(shù)隨著含氮量的升高而減小，含氮量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系式為λ=17.23-6.72ω(N)。

(3)鋼的比熱容隨著含氮量的升高而減小，含0.42%N的鋼的比熱容最高，為0.479 J/(g·K)。

(4)不含氮的試驗(yàn)鋼的自腐蝕電位最低，3種含氮量試驗(yàn)鋼的自腐蝕電位差別不大。

(5)含0.59%N的試驗(yàn)鋼的耐晶間腐蝕性能最佳。