鐵素體不銹鋼中合金元素對韌性及晶界腐蝕的影響

蘇學虎

江蘇萬恒鑄業有限公司 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。以wC+N=0.03%為分界，前后對應的斷裂轉變溫度截然相反，而且正好對應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，分析發現17Cr鋼穩定的鉻碳氮化物沉淀的出現是與在800℃退火時的再結晶過程是一致的，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，主要因為減少了沉淀相數量。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，這是因為如果碳＋氮含量增加，回火馬氏體的體積比也增加，在900℃高溫下轉變為奧氏體，在冷卻時轉變為細微組織，如果在高溫下共存奧氏體相，由于奧氏體的形變應力比鐵素體大得多，熱軋時鐵素體相形變比平均形變大，在退火時容易生成細微的再結晶晶粒[1]。但是，在雙相組織中隨著碳＋氮含量的繼續增加，韌性逐漸惡化，這種現象可歸因于相變量的增加發生了晶粒細化作用，而晶粒粗化在1100℃就已經發生了，因為釘扎在再結晶原始晶粒的碳氮化物在持續高溫下溶解，晶界失去約束力而發生遷移，形成粗晶。如果回火馬氏體占的比例大，鋼在退火時就容易形成細晶粒組織，這種晶粒細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。發現wC+N≤0.03%時為單相鐵素體組織，轉變溫度幾乎與碳＋氮含量成正比。當wC+N≤0.015%時轉變溫度降至室溫以下，HAZ區韌性比退火鋼板好[2]。當wC+N＞0.03%時，轉變溫度在150℃左右趨于水平且與碳＋氮含量無關，而且這個范圍顯微組織為鐵素體+馬氏體雙相組織。研究在HAZ區試樣隨著碳＋氮含量增加韌性降低的原因，在1100℃下保溫10min，然后水冷后進行碳氮化物的穩定化處理，設計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，脆性轉變溫度下降，當wC+N＜0.015%時轉變溫度低于室溫，wC+N每減少0.01%，轉變溫度約下降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，隨著晶界沉淀相數量的增加，韌性降低。

熱處理主要起到兩個作用：

1）溶解在熱軋過程中形成的碳氮化物。

2）再結晶。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定化的鈮（碳＋氮含量的8～10倍）后，就不會產生晶界沉淀[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，但韌性卻發生惡化，與加入鈮相比，夾雜物數量有明顯的增加現象，夾雜物主要為尖角狀的TiN。在wCr=15%～30%、wMo=0～3%的范圍內，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。但由于Cr、Mo的固溶，強度明顯增加。即使組織中晶粒度變化顯著，轉變溫度卻變化不大。而且在脆性范圍內，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，這是因為在高鉻鐵素體不銹鋼中碳、氮的溶解度特別低，在高純材料中晶粒度有顯著變化，轉變溫度仍保持不變。鋼中的雜質包括氧、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，因鉻含量變化而產生的碳氮化物沉淀數量的變化對轉變溫度實質上沒什么影響。例如，對于合金19Cr-2Mo鋼進行設計時，對薄板同時用鈮鈦混合穩定化，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 結束語

1）鐵素體不銹鋼中的雜質包括氧、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品形狀來調整合金設計。

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