固溶處理溫度對10cr21mn16nin高錳氮奧氏體不銹鋼組織性能的影響

固溶處理溫度對10cr21mn16nin高錳氮奧氏體不銹鋼組織性能的影響

高鉻和高鉻是指奧氏合金超含量超過0.4%（質量比）的水體鉻。它用于取代昂貴而稀少的鉻。由于其具有高強高韌性和良好的耐腐蝕性,近些年來高氮奧氏體不銹鋼得到了業(yè)界的廣泛關注。研究表明,利用氮進行合金化處理有很多優(yōu)點:1)與碳相比,氮是更加有效的固溶強化元素,同時可以促進晶粒細化;2)氮是強烈的奧氏體化形成元素,可以減少合金中的鎳含量,降低鐵素體和形變馬氏體形成能力;3)盡管氮對材料在酸中抗總體腐蝕性能沒有明顯改善,但可以極大地提高材料抗點蝕和縫隙腐蝕能力。氮主要作為固溶強化元素提高不銹鋼的強度,但并不損害鋼的韌性和塑性。同時,氮提高鋼的耐腐蝕性能,特別是耐局部腐蝕,比如耐晶間腐蝕、點蝕和縫隙腐蝕等。錳的加入主要是促進氮元素在鋼液中的固溶,錳的奧氏體穩(wěn)定化作用有利于改善鋼的低溫缺口敏感性,提高鋼及焊縫的低溫韌性。高氮奧氏體不銹鋼在室溫有較高的強度和韌性,還有好的耐腐蝕性。10Cr21Mn16NiN不銹鋼是太鋼2009年新開發(fā)出的一種新型高錳高氮奧氏體不銹鋼,該產品填補了世界不銹鋼冶煉史的空白,它具有較高的強度及無磁性能,可用于電子電器架、元件、彈性材料、高強螺栓、耐磨絲網、沿海大橋鋼筋及高強度設備等。目前,有關10Cr21Mn16NiN不銹鋼加工工藝、微觀組織、力學性能之間關系的研究報道還很少,為了深入了解這種鋼的熱處理制度對組織和力學性能間的影響規(guī)律,提高產品質量,筆者將研究固溶處理溫度對該鋼顯微組織和室溫力學性能的影響,希望通過對固溶處理工藝合理優(yōu)化和控制,獲得綜合性能更為優(yōu)異的高錳高氮奧氏體不銹鋼。1熱處理和拉伸試驗試驗材料取自太鋼工業(yè)化生產的12mm厚10Cr21Mn16NiN高錳氮奧氏體不銹鋼熱軋板材,其化學成分如表1所示。通常,熱軋加工后板材心部會有一定量的析出相產生,如碳氮化合物、σ相等(如圖1所示),嚴重影響板材的力學性能和抗腐蝕性能指標。因此,熱軋后進行固溶處理是十分必要的工藝環(huán)節(jié)。采用箱式電阻爐對10Cr21Mn16NiN熱軋板材在1000～1350℃范圍進行固溶處理,保溫1h后水冷至室溫。采用Leica光學顯微鏡(OM)觀察不同熱處理狀態(tài)下的微觀組織,利用LeicaQMetals圖像分析軟件測定平均晶粒尺寸,視場大小為250μm×250μm。根據GB/T2651—2008標準在德國產型號為ZDM-50的萬能試驗機上對固溶處理后的試樣進行室溫拉伸試驗;根據GB/T17897-1999,對處理后的試樣進行氯離子腐蝕實驗;沖擊試驗溫度在-196～20℃下進行,利用SEM進行斷口形貌觀察。2結果與討論2.1固溶溫度對晶粒度的影響圖2為10Cr21Mn16NiN高錳氮奧氏體不銹鋼的thermo-calc計算相圖?？梢钥闯?在低溫階段的析出相主要有M23C6、Cr2N和σ相。在高于1150℃時,相圖顯示有δ-鐵素體析出。圖3為10Cr21Mn16NiN高錳氮奧氏體不銹鋼在不同固溶溫度下的顯微組織?？梢钥闯?圖3-a在1000℃固溶處理后,在奧氏體晶界上仍分布著一定量的二次析出相(圖中箭頭所示),但其含量與圖1熱軋態(tài)金相組織相比已經明顯減少。進一步提高固溶溫度,二次相會更多地溶入奧氏體基體直至完全消失,見圖3-b中箭頭所示二次析出相已很少。通常通過固溶處理能使析出相在高溫時重新溶解到奧氏體中,進而消除其對鋼的組織與性能帶來的不利影響。研究表明,氮化物是高氮鋼中比較常見的析出相,主要有Cr2N(六方晶體)和CrN(立方晶體)兩種。一般認為,氮化物的析出存在一個溫度敏感區(qū)間,約為600～1075℃。在該溫度區(qū)間,氮化物的析出還可誘發(fā)其他第二相粒子的形成。因此,合金在熱加工和使用過程中應避免在該區(qū)停留較長的時間。我們知道,氮是形成和穩(wěn)定奧氏體相區(qū)能力最強的元素,同時它還有降低鐵素體和馬氏體的形成能力;而錳是比較弱的奧氏體形成元素,但具有強烈的穩(wěn)定奧氏體的作用。二者的合理配比和互相作用有利于得到全奧氏體。在快速冷卻過程中,奧氏體晶格切變形成了大量孿晶,這一過程也與錳氮的含量有關,因為氮含量的增加有助于奧氏體中孿晶的形成,錳會降低層錯能,降低了生成層錯的能壘,將有助于增加層錯和晶內孿晶的形成。固溶溫度對奧氏體晶粒尺寸的影響很大,圖4為固溶溫度和晶粒尺寸的關系曲線。圖中可見,隨著固溶處理溫度的升高,奧氏體晶粒度級別呈現(xiàn)出下降的趨勢,即隨著固溶溫度的升高晶粒尺寸增大。圖4表明,在1100～1150℃時,對應的晶粒尺寸下降較為平緩;溫度低于1150℃時,晶粒度為6～8級;而當溫度高于1150℃時,晶粒尺寸急劇增大,可達1～3級晶粒度。因此1150℃的固溶處理溫度可確定為10Cr21Mn16NiN奧氏體不銹鋼晶粒度變化的轉折點。2.2研究對象的變化率圖5為10Cr21Mn16NiN鋼室溫力學性能隨固溶溫度的變化規(guī)律。圖中可以看出,屈服強度和抗拉強度隨固溶溫度的升高而略有降低,延伸率有所增加。這與李志等人的研究結果相一致,而且它們的變化率也均不大。圖6為固溶溫度對10Cr21Mn16NiN鋼耐腐蝕性能的影響?？梢钥闯?隨著固溶溫度的升高,腐蝕速率逐漸降低,即耐腐蝕性能逐漸增強。因為固溶溫度的升高促使熱軋過程形成的M23C6、Cr2N和σ等析出相逐漸溶解,使其周圍的貧Cr區(qū)減少直至消失,從而對耐腐蝕性能增強?？傮w上說,對于10Cr21Mn16NiN鋼,含有少量的析出相對力學性能的影響相對較小,但是對耐腐蝕性能的影響很大。因此,工業(yè)化生產中高于1100℃進行固溶處理是合適的。2.3韌脆轉變溫度對10cr21nan鋼力學性能的影響圖7為10Cr21Mn16NiN鋼的低溫沖擊韌性的變化規(guī)律?？梢钥闯?當實驗溫度從-60℃下降到-117℃時,沖擊功由200J急劇下降到48J。隨著實驗溫度的進一步降低,在-196℃時沖擊功可以達到9J。因此,10Cr21Mn16NiN鋼在低溫條件發(fā)生了明顯的韌脆轉變行為,韌脆轉變溫度在-110℃附近。這種變化規(guī)律與低溫條件下奧氏體的組織穩(wěn)定性有關,具體表現(xiàn)在斷裂方式的改變。圖8分別列出了-60℃(8-a)、-137℃(8-b)下10Cr21Mn16NiN鋼的沖擊斷口形貌。圖中可以看出,這兩個溫度對應的斷口有明顯的差別。圖8-a的斷口可見到細小等軸型韌窩以及解理小刻面,屬于典型的韌脆混合形貌;圖8-b已經看不到韌性斷口痕跡,均為脆斷小刻面及層狀臺階,屬于脆性斷口形貌。3固溶溫度對n鋼基復合材料力1)固溶溫度可以促進熱軋階段形成的有害析出相重新溶解,從而消除其對性能的影響。2)