Nb對00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼顯微組織和晶間腐蝕敏感性的影響

閆治坤， 陳海濤， 郎宇平， 屈華鵬， 馮翰秋， 劉榮佩

(1. 昆明理工大學 材料科學與工程學院， 云南 昆明 650093；2. 鋼鐵研究總院 特殊鋼研究院， 北京 100081)

00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼是一種含氮奧氏體不銹鋼，其組織穩(wěn)定，且具有強度高、塑韌性好、耐蝕性強以及工藝性能優(yōu)異等特點，因而被廣泛應(yīng)用于航空、化工及核工業(yè)等領(lǐng)域[1-4]。而在00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼的生產(chǎn)過程中，常出現(xiàn)抗晶間腐蝕性能不合格的問題，這主要是由于富Cr碳化物在晶界的析出導致沿晶界出現(xiàn)了貧Cr區(qū)[5-6]。對此，有研究[7]表明將C含量控制在0.03%(質(zhì)量分數(shù)，下同)以下是確保其耐晶間腐蝕性能的前提條件。由于該型鋼的應(yīng)用范圍廣泛，且服役條件復(fù)雜，因此有必要從多個角度進一步提高其耐晶間腐蝕性能。

鈮(Nb)在奧氏體不銹鋼中主要作為穩(wěn)定化元素加入，以防止敏化態(tài)晶間腐蝕的發(fā)生[8]。由于Nb與C的親和力遠大于Cr，因此在奧氏體不銹鋼中會優(yōu)先與C結(jié)合形成NbC以防止或減少M23C6的形成，從而達到防止敏化態(tài)晶間腐蝕的目的。同時，Nb在鋼中還可以起到固溶強化以及析出強化作用，降低熱處理過程中晶粒的長大，提高鋼的強度，包括高溫強度[8]。由于以上優(yōu)點，有些含氮奧氏體不銹鋼中常加入Nb起穩(wěn)定化作用，含Nb奧氏體不銹鋼也常被用作焊接材料。但是，含氮奧氏體鋼中NbN的形成會降低鋼的塑韌性，影響鋼的冷成形性能。此外，Nb的溶質(zhì)拖曳作用和析出物的釘扎作用會提高奧氏體的再結(jié)晶溫度，擴大部分再結(jié)晶的區(qū)間，如果熱處理控制不當，會使其產(chǎn)生二次再結(jié)晶，形成混晶組織從而嚴重影響材料性能[9]。

綜上所述，本文分別對含Nb和不含Nb的00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼進行了不同溫度的固溶處理，通過顯微組織觀察，探究Nb對00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼固溶處理后顯微組織的影響，并通過DL-EPR法測試兩種鋼的晶間腐蝕敏感性。

1 試驗材料及方法

采用小型真空感應(yīng)爐冶煉了含Nb和不含Nb的兩種00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼，分別經(jīng)鍛造和軋制工藝制成厚度為6 mm的板材，兩種試驗鋼板材實測化學成分如表1所示。使用Thermo-Calc熱力學軟件計算Nb含量及溫度對00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼平衡態(tài)下相組成的影響，選用FE10.0數(shù)據(jù)庫，定義體系壓強為1個大氣壓。

表1 試驗鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

對兩種試驗鋼板材進行不同溫度的固溶處理，固溶溫度分別為950、1000、1050、1100、1150和1200 ℃，保溫時間均為1 h，水冷。在固溶處理后板材上取規(guī)格為10 mm×15 mm×6 mm的金相試樣，試樣經(jīng)磨制、機械拋光后浸蝕，浸蝕方法為10%(體積分數(shù))草酸溶液電解腐蝕，電流密度為0.3 A/cm2，浸蝕時間為90 s。使用OLYMPUS GX53顯微鏡觀察試樣的微觀組織。試驗鋼耐晶間腐蝕性能的表征采用雙環(huán)電化學動電位活化(DL-EPR)法，測試所用溶液為0.5 mol/L H2SO4+0.02 mol/L KSCN溶液，掃描速率為90 mV/min，鈍化回掃電位為200 mV，晶間腐蝕敏化制度為650 ℃×1 h，空冷，敏化前的固溶處理制度為1100 ℃×1 h，水冷。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 熱力學計算

圖1是Thermo-Calc軟件對Nb微合金化00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼相組成的計算結(jié)果。從圖1可以看出，在00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼中Nb的質(zhì)量分數(shù)從0增加至0.1%的過程中，Z相的溶解溫度從約900 ℃升高至約1230 ℃，高溫鐵素體的形成開始溫度略有下降。不含Nb的00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼全奧氏體化區(qū)間在890～1120 ℃，而當Nb在鋼中的質(zhì)量分數(shù)為0.057% 時，Z相的溶解溫度約為1180 ℃。

圖1 Nb含量對00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼相組成的影響Fig.1 Effect of Nb content on phase composition of the 00Cr21Ni6Mn9N stainless steel

為了定量描述試驗鋼的相組成隨溫度的變化，分別計算了兩種成分試驗鋼的性質(zhì)圖，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，在850～1180 ℃溫度范圍內(nèi)，0.057Nb 試驗鋼與0Nb試驗鋼的相組成區(qū)別主要在于是否析出了Z相。0.057Nb試驗鋼在900 ℃時Z相的含量接近于0.1%，在900 ℃以上隨著溫度的升高，鋼中Z相的含量逐漸減少，且減少的速度隨溫度的升高而提高，當溫度超過1000 ℃后Z相的含量隨溫度的升高快速下降，在約1180 ℃時可完全固溶。

圖2 試驗鋼中相組成與溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between phase composition in the tested steel and temperature

2.2 微觀組織分析

圖3為兩種試驗鋼熱軋態(tài)的顯微組織。從圖3 可以看出，兩種試驗鋼熱軋后的顯微組織區(qū)別并不大。

圖3 0Nb(a)和0.057Nb(b)熱軋態(tài)試驗鋼的顯微組織Fig.3 Microstructure of the 0Nb(a) and 0.057Nb(b) hot-rolled tested steels

兩種試驗鋼在熱軋過程中均發(fā)生了動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶，晶粒組織細小，且?guī)缀蹙鶠榈容S狀晶粒，鋼中偶爾出現(xiàn)異常長大的晶粒。這是由于鋼中第二相或雜質(zhì)小顆粒分布不均勻，在熱軋時的動態(tài)再結(jié)晶過程中，晶粒長大時所受到的阻力并不處處相等，因此造成晶粒的不連續(xù)長大。而由于熱軋后材料的溫度迅速降低，晶粒來不及繼續(xù)長大，異常長大的晶粒尺寸受限，因此鋼中晶粒大小整體均勻。

圖4為兩種試驗鋼經(jīng)不同溫度固溶后的顯微組織。從圖4可以看出，Nb的加入和固溶溫度的升高能顯著影響00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼的顯微組織。

當固溶溫度為950 ℃時，兩種試驗鋼中均出現(xiàn)了混晶組織，其中0.057Nb試驗鋼中異常長大的晶粒明顯大于0Nb試驗鋼中異常長大的晶粒，其粒徑已超過100 μm。當固溶溫度為1000 ℃時，0Nb試驗鋼晶粒已經(jīng)基本均勻，晶粒長大程度相似，而0.057Nb試驗鋼中仍存在大量未發(fā)生長大的晶粒。0.057Nb試驗鋼的混晶組織在固溶溫度達到1100 ℃時已基本消除，呈現(xiàn)均勻的奧氏體組織，雖然其尺寸小于0Nb試驗鋼在1100 ℃固溶后的晶粒尺寸，但略大于在1000 ℃時固溶的0Nb試驗鋼，說明如果只考慮晶粒尺寸，Nb含量在0.057%時不能起到細化晶粒的作用。當固溶溫度超過1150 ℃時，兩種試驗鋼的晶粒已經(jīng)發(fā)生相當程度的長大，而Nb對晶粒長大的阻礙作用已不再明顯。

圖4 0Nb(a～f)和0.057Nb(g～l)試驗鋼經(jīng)不同溫度固溶后的顯微組織Fig.4 Microstructure of the 0Nb(a-f) and 0.057Nb(g-l) tested steels after solution treatment at different temperatures(a,g) 950 ℃; (b,h) 1000 ℃; (c,i) 1050 ℃; (d,j) 1100 ℃; (e,k) 1150 ℃; (f,l) 1200 ℃

Nb對00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼組織的影響主要是因為Nb的微合金化提高了鋼的完全再結(jié)晶溫度，Nb的溶質(zhì)拖曳作用和析出物的釘扎作用阻礙了再結(jié)晶過程中晶粒的長大過程[9]。熱力學計算結(jié)果也表明，向00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼中加入0.057%的Nb可在鋼中析出Z相，其含量在900 ℃時約為0.1%，且其含量隨著溫度的升高而減少。在固溶處理過程中，由于析出物對晶界遷移的阻礙作用，當少數(shù)未受阻礙的晶界遷移，這些晶粒長大到超過它周圍的晶粒，由于大晶粒的晶界總是凹向外側(cè)的，因而晶界總是向外遷移而擴大，結(jié)果其越長越大，形成二次再結(jié)晶[10-11]。隨著固溶溫度繼續(xù)升高，Z相的含量不斷減少，熱力學計算結(jié)果表明，當固溶溫度為1100 ℃時，其含量降低至約0.05%，Z相含量的減少使其對晶粒長大的阻礙作用不斷減弱，直至其完全固溶。因此，當固溶溫度超過1100 ℃后，0.057Nb試驗鋼不再有較為明顯的混晶組織。

此外，在兩種試驗鋼的固溶溫度從1150 ℃升高至1200 ℃的過程中，晶粒的長大程度較低。分析其原因，與再結(jié)晶過程中晶粒長大的驅(qū)動力有關(guān)。由于在1150 ℃時，析出物的含量已經(jīng)非常少，且兩種試驗鋼的晶粒都已發(fā)生較大程度的長大，界面總面積減小，界面能降低，晶粒長大的驅(qū)動力逐漸減小，所以Nb對晶粒的細化作用和固溶溫度升高對晶粒大小的影響都變得不再明顯。

2.3 耐晶間腐蝕性能分析

雙環(huán)電化學動電位活化(DL-EPR)法是一種重要的評定不銹鋼及鎳基合金敏化程度的方法，具有快速、定量、非破壞性、對表面處理要求低等優(yōu)點[12]。Ra是DL-EPR法測試過程中再活化峰電流值Ir與活化峰電流值Ia的比值，Ra值越大，材料晶間腐蝕敏感性越高[12-14]。本文將含Nb和不含Nb的兩種00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼在1100 ℃固溶處理1 h，按照GB/T 29088—2012《金屬和合金的腐蝕雙環(huán)電化學動電位再活化測量方法》對兩種試驗鋼進行敏化處理后，測試兩種鋼的再活化率Ra值。兩種試驗鋼的DL-EPR測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 試驗鋼的DL-EPR曲線(a)及Ra值(b)Fig.5 DL-EPR curves(a) and Ra value(b) of the tested steels

從圖5可以看出，含Nb和不含Nb的兩種試驗鋼的Ra值均小于1%，均具有較低的晶間腐蝕敏感性，0.057Nb 試驗鋼的Ra值較不含Nb的鋼降低了約26.6%。盡管兩種試驗鋼中C含量都較低(約為0.02%)，0.057Nb 試驗鋼與0Nb試驗鋼相比仍表現(xiàn)出了較低的晶間腐蝕敏感性，說明在敏化處理的過程中，鋼中的Nb起到了穩(wěn)定化元素的作用，減少或消除了由晶界富鉻第二相的析出所導致的晶界附近貧鉻區(qū)的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

1) Nb的添加能提高00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼的完全再結(jié)晶溫度，當Nb含量為0.057%時，00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼的最低完全再結(jié)晶溫度由不含Nb時的1000 ℃升高至1100 ℃，其完全再結(jié)晶時的晶粒尺寸也略大于不含Nb的00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼。

2) 不含Nb和含0.057%Nb的00Cr21Ni6Mn9N不銹鋼均具有較低的晶間腐蝕敏感性，含Nb鋼的再活化率Ra值較不含Nb鋼進一步降低。