高氮奥氏体不锈钢的冶炼理论基础及其材料性能研究

【摘要】： 高氮奥氏体不锈钢具有优异的力学性能和耐腐蚀性能,其研究和开发受到国内外的高度重视。因此对高氮奥氏体不锈钢冶炼的理论基础及其性能进行深入的研究,对于推动我国高氮钢的大规模工业化生产和品种开发意义重大。本论文是国家自然基金委和上海宝钢集团联合资助的重点项目“高氮不锈钢中氮的作用机理及对性能的影响”的一部分。通过高氮奥氏体不锈钢的冶炼理论基础进行了分析,建立了氮在不锈钢不同相中的溶解度模型,以及氮在高氮奥氏体不锈钢凝固过程中的析出和偏析的数学模型。并利用氮气保护的真空感应炉和氮气保护的电渣重熔炉进行了高氮奥氏体不锈钢的制备,并对制备的高氮奥氏体不锈钢的力学性能和耐腐蚀性能进行了研究。 建立了氮在不锈钢熔体中的溶解度模型,在该模型中引入了氮分压对氮活度影响的作用系数δNp(当pN2/pθ≥1.0时,δNp=0.06；当pN2/pθ1.0时,δNp=0)。该模型的计算值与实验测量值吻合得很好。加压熔炼可显著提高不锈钢熔体中氮的溶解度。在一定的氮分压条件下,温度对熔体中氮溶解度的影响取决于氮的活度系数,而活度系数与合金成分密切相关,因此温度对熔体氮溶解度的影响,取决于体系的合金成分。当fN,1873-0.057时,A0,熔体中氮溶解度随温度的增加而减小；当fN,1873-0.057时,A0,熔体中氮溶解度随温度的增加而增大。 建立了氮在γ相以及δ相中溶解度模型,该模型能比较准确预测出氮在固相不锈钢合金体系中的溶解度。提高体系氮分压,不仅可以提高氮在γ相以及δ相中的溶解度,而且可以减小氮溶解度较低的6相区,从而抑制高氮奥氏体不锈钢在凝固过程中的析出。在冶炼高氮奥氏体不锈钢过程中,适当提高奥氏体形成元素(如Ni、Mn、C等)的含量,在高氮奥体体不锈钢凝固过程中经过的6相区减小甚至可能消失。利用氮在高氮奥氏体不锈钢凝固过程中析出和偏析的数学模型,分析得出提高氮分压和采用快速冷却手段可显著地抑制氮在凝固过程中的偏析和析出。 在氮气保护的真空感应炉内,合理地控制冶炼温度和浇注温度,通过添加氮化合金的方式可获得接近理论氮含量的高氮奥氏体不锈钢。铸锭经电渣重熔后可获得组织致密、成分均匀的高氮奥氏体不锈钢,其最高氮含量为0.96%。由于在电渣重熔过程中采用铝脱氧和氮气保护措施,锰烧损显著降低；通过降低熔化速率,可提高氮的收得率。 冷变形态的高氮奥氏体不锈钢Al在1100℃,40s到60min的退火时间内已发生完全再结晶,退火再结晶晶粒尺寸随时间的延长从8.3gm增加到49.5μm。随着退火再结晶晶粒尺寸的减小,高氮奥氏体不锈钢的抗拉强度和屈服强度增加,HV硬度增加,但断后伸长率下降。高氮奥氏体不锈钢的抗拉强度、屈服强度、HV硬度与晶粒尺寸之间的关系满足Hall-Petch方程,分别为Rm=895.7+17.2·d-1/2, Rp0.2=507.6+11.7·d-1/2, H=253.5+6.7·d-1/2,断后伸长率与晶粒尺寸之间满足类似的Hall-Petch关系A=73.4-2.6·d-1/2。在-196-500℃实验温度范围内,高氮奥氏体不锈钢Al的抗拉强度和屈服强度随温度的升高而降低。在-196-300℃实验温度范围内,随着温度的升高,断后伸长率增大；当温度超过300℃后,随温度的升高,断后伸长率减小。高氮奥氏体不锈钢A1在室温具有优异的力学性能。随着横梁移动速度的增加,高氮奥氏体不锈钢A1和A3钢的抗拉强度和断后伸长率降低,而屈服强度增加。Ludwigson方程能很好地描述高氮奥氏体不锈钢A1和A3的塑性流变行为。随着横梁移动速度的增加,A1和A3钢的加工硬化指数n1降低。随钢中氮含量的增加,强化系数K1、加工硬化指数n1、过渡应变εL和exp(K2)增大,而-n2逐渐减小 高氮奥氏体不锈钢A1、A2和A3均存在明显的韧脆性转变现象,Al、A2和A3钢的韧脆性转变温度为-95℃、-90℃、-85℃。随着钢中氮含量的增加,其韧脆性转变温度提高。高氮奥氏体不锈钢断裂模式的变化规律为：拉长或等轴形韧窝→浅坑形韧窝→类解理和韧窝混合型→脆性解理刻面。A2钢在-196℃断裂为穿晶解理断裂。 316L不锈钢在60℃,40%H2SO4中较高氮奥氏体不锈钢具有优异的耐均匀腐蚀性能,对于高氮奥氏体不锈钢A1,A2和A3而言,A2钢耐均匀腐蚀的性能最好,A1钢最差,高氮奥氏体不锈钢A1,A2和A3不适合于在H2SO4体系中使用。 高氮奥氏体不锈钢在3.5%NaCl溶液中点蚀电位均在1V以上,较316L不锈钢具有优异的耐点腐蚀性能。随着高氮奥氏体不锈钢中氮含量的增加,点蚀电位、极化电阻Rp和临界点蚀温度均增大,因此其耐点腐蚀性能随钢中氮含量的增加而增强。随着溶液NaCl浓度的增加和PH值的下降,A2钢的点蚀电位Eb10下降,但其下降幅度不是很大,高氮不锈钢A2在强酸性Cl-环境中具有优异的耐点蚀性能。高氮奥氏体不锈钢Al、A2和A3具有优异的耐缝隙腐蚀性能,且随着钢中氮含量的增加,其耐缝隙腐蚀性能增强。 EPR溶液2mol/LH2SO4+1 mol/LNaCl+0.01 mol/LKSCN溶液体系可用来检测Fe-Cr-Mn-Mo-N系不锈钢晶间腐蚀的敏感性,不适合于检测316L不锈钢晶间腐蚀敏感性。且随着扫描速度的降低,Ir/Ia和Qr/Qa增大,在本研究中扫描速度选取1.6667mV/s比较合适。A2钢在650℃-950℃的温度范围内进行保温2h后空冷,在850℃时析出量最大,在650℃-850℃温度范围内,随着温度的增加,析出量增多,超过850℃后,随温度的增加,析出量减少。EPR的实验结果表明,在650℃-950℃温度范围内,A2钢的Ir/Ia和Qr／Qa先增大,后减小,在850℃时达到最大,EPR的实验结果与晶间的析出物吻合得很好。高氮奥氏体不锈钢A3在700℃的析出速度最快,析出量最大,晶间腐蚀敏感性最大,A1钢次之,A2钢的晶间腐蚀敏感性最小。