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氮在高氮钢熔炼过程中的行为及氮对不锈钢耐腐蚀性能的影响

董廷亮  
【摘要】: 高氮钢属于不锈钢的一个种类,铁素体基体中氮含量大于0.08%或奥氏体基体的氮含量大于0.4%的钢是高氮钢。高氮钢具有很多优点,如高强度与高韧性、延展性好、低磁导率、良好的耐腐蚀性能等等。然而,大气压力下氮在液态钢中的溶解度很低,高氮钢的冶炼不像其它钢那样容易进行。采取经济有效的方法来冶炼高氮钢一直备受关注。 为促进高氮钢的研究和应用,本论文通过加压感应熔炼高氮Fe-Cr-V不锈钢及高氮304不锈钢,探讨了氮的溶解度及影响氮溶解度的因素和在熔炼过程中的氮的溶解动力学;讨论了不同渣在感应熔炼不锈钢过程中对铝脱氧效果的影响;对有渣及无渣情况下高氮钢重熔及凝固过程中氮的行为进行了探索;研究了氮对不锈钢耐腐蚀性能的影响。 采用MgO坩埚高频真空/加压感应炉在氮气压力0.4~1.0MPa、温度1570~1640℃下,对加压感应熔炼Fe-Cr-V系高氮不锈钢进行了实验研究。结果表明,在30CaO-45Al_2O_3-25SiO_2渣覆盖的情况下,氮在Fe-15Cr-1.0V、Fe-18Cr-1.0V、Fe-18Cr-1.5V和Fe-20Cr-2.0V液态合金中的溶解度分别为0.595%、0.736%、0.776%和1.02%,溶解度与氮分压的关系基本符合Sievert定律;渣对钢液吸氮和铝脱氧都起重要的作用,1873K、1.0MPa氮气氛中,在30CaO-45Al_2O_3-25SiO_2、40CaO-40Al_2O_3-20SiO_2、40CaO-50Al_2O_3-10SiO_2三种不同渣系作用下氮在液态Fe-18Cr-1.5V中的浓度分别是0.7764%、0.849%和0.884%,熔炼后由于合金成分的变化导致氮含量的不同。相应的氧含量分别为0.0211%、0.0179%和0.0168%; 1873K、1.0MPa氮气氛中Fe-18Cr-1.5V钢液的吸氮反应为一级反应,其传质系数为4.60×10-5m·s-1。 在1.0MPa的高压氮气感应熔炼条件下,用Al和Fe-50%Al合金加顶渣对Fe-Cr-V合金进行了脱氧实验。顶渣的成分影响铝脱氧的效果, 20CaF2-80CaO-20Al2O3渣比30CaO-45Al2O3-25SiO2渣对Al脱氧有较强的促进作用,渣量大、时间长有利于脱氧产物的排除;本实验条件下,用Fe-50%Al合金加20CaF2-80CaO-20Al_2O_3顶渣40分钟可使Fe-20Cr-1.93V合金的氧含量降低到0.0072%。 高氮钢的焊接和其他加热或重熔过程中氮的逸出是制约高氮钢应用的一个重要问题,本工作对高氮304不锈钢的重熔及凝固过程中氮的行为进行了研究。在无渣层覆盖的情况下,高氮304不锈钢重熔后的氮含量随重熔压力的减小而显著减小,不符合Sievert定律;在有渣层覆盖的情况下,高氮304不锈钢重熔后的氮含量随重熔压力的减小变化不大,重熔压力在0.2~0.8MPa范围内,重熔后氮含量稳定在0.4%左右;并且渣种对重熔后钢中氮含量的影响也很小,基本持平。造成这一现象的重要原因是重熔及凝固过程时间短暂,不能达到热力学平衡所致。 氮对不锈钢耐腐蚀性能有显著的改善作用,本工作采用6%的FeCl_3溶液,对含氮304奥氏体不锈钢进行了化学浸泡实验和金相分析;同时采用1mol/L H2SO4+0.5 mol/L NaCl溶液,对含氮304奥氏体不锈钢进行了电化学测试,研究了304不锈钢加氮后的耐腐蚀性能。结果表明,在钢中加入氮能显著提高不锈钢的耐腐蚀性能,氮含量为0.4~0.5%时不锈钢的耐腐蚀性能达到最佳,氮含量过高或过低时,耐腐蚀性能都有所降低。


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