节镍型不锈钢的开发研究.doc
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1、节镍型不锈钢的开发研究我国合金元素镍的供应量逐年减少,在不锈钢生产中为满足奥氏体组织的高强度面心立方体钢的需要,在AOD转炉上使用氮作为代替不同合金进行不锈钢的合金化。氮不仅使用在奥氏体钢中,也应用在双相钢中,用氮和锰的复合合金代替昂贵的镍还具有提高氮溶解度的优点。高强度不锈钢一般泛指强度高于通用奥氏体铬镍不锈钢,特别是强度高于双相不锈钢的材料,一般涉及沉淀硬化不锈钢、马氏体时效不锈钢和铁素体时效不锈钢。沉淀硬化不锈钢的强度高,耐蚀性不低于304不锈钢,但韧性及冷成型性较差。马氏体时效不锈钢的冷热加工性、低温韧性以及强韧性配合均较好,但其耐蚀性较差;铁素体时效不锈钢具有较高的耐蚀性,但强度一般
2、不超过1000MPa。为了在节约镍的情况下,开发高强度的不锈钢,通常以锰和氮等元素部分或所有替代镍,由于锰和氮等元素可以部分或所有代替奥氏体不锈钢中镍,且是最经济方法,而碳有敏化钢的趋势,铜有热脆性的问题,都不是合适元素。锰是最有前景的元素,然而对于铬含量高于12%的不锈钢,只加锰不能稳定奥氏体,需要两倍的锰含量才干填补每单位的镍含量,这是形成200系列不锈钢合金成份的基础。不锈钢中镍含量减少相称于锰含量增长,一般在大气情况下,生产这样高铬高锰钢,由于锰对氮的互相作用参数为负值,且作用的同时约需要0.2%的增氮量,这导致了含铬量12%-18%的不锈钢产生。1节镍型不锈钢的特点节镍型不锈钢重要是
3、指200系列不锈钢。200系列和400系列也是节约型、缓解镍资源短缺的不锈钢。为减少奥氏体不锈钢的成本,节镍型不锈钢的开发受到重视,如用N来部分替代镍,但N只有在固溶状态下才干发挥其奥氏体稳定作用。Cr和Mo元素可以增长钢液中N的固溶度,在得到较高含N量的同时,还可以加入一定数量的锰元素。奥氏体不锈钢按成分可分为Cr-Ni系和Cr-Mn-N系两个系列。300系列(Cr-Ni系)不锈钢是最早开发的奥氏体不锈钢,其代表钢种为304和316,该系列钢中具有足够的Cr和Ni元素,通过较高Ni元素的加入来获得稳定的奥氏体组织,这类钢的特点是在室温和低温下都具有良好的塑性和韧性、高的弹性模数、低的热导率、
4、磁导率和电导率及良好的可焊接性能和耐腐蚀能力。虽然这类钢的机械性能比较低,且和铁素体不锈钢同样不能通过热解决进行强化,但可以通过冷加工变形的方法,运用加工硬化作用提高它的强度,这种钢缺陷是对晶问腐蚀及应力腐蚀比较敏感,需要通过添加适当的合金元素及工艺措施进行消除。这种钢为了获得特殊性能,可在钢液中添加其它元素,如Si元素含量一般在1.3时,可显着提高钢的抗氧化能力。为了提高不锈钢的层错能,可在节约Ni元素的同时,可适当添加Cu元素;为防止晶界贫Cr和产生晶间腐蚀现象,在不锈钢中添加Ti、Nb等元素以稳定组织结构;为提高钢的抗点腐蚀能力,可在钢中添加一定量的Mo元素,这对促进固溶强化作用是十分有
5、利的。200系列(Cr-Mn-N系)奥氏体不锈钢具有高Mn、N低Ni的特点,是为节约Ni资源而开发出来的,它的奥氏体化元素除Mn之外尚有N,其中Ni含量低于300系列不锈钢,钢中Mn元素起稳定奥氏体的作用。由于N是强烈形成并稳定奥氏体的元素,且能起到很好的固溶强化作用,提高了奥氏体不锈钢的强度,因此这个系列的不锈钢,适宜在承受较重负荷而耐蚀性又规定不太高的设备和部件上使用。节镍型Cr-Ni-N系奥氏体不锈钢由于其具有低镍、低成本的特点而受到广泛关注,但是由于其成份与传统的Cr-Ni系奥氏体不锈钢不同,因此该系列不锈钢在轧制过程中容易出现产品质量问题。这种产品质量的产生与凝固模式有关,奥氏体不锈
6、钢的凝固模式重要由化学成分决定,同时受冷却速度的影响。1.1400系列节镍型不锈钢的特性(1)从节Ni角度而言,400系列铁素体不锈钢具有耐大气腐蚀性能,且其加工性能和耐高温性能都非常优良,完全可以替代304的部分应用,应当说大量生产和使用铁素体型不锈钢是节约Ni合金、发展不锈钢的方向和出路。(2)铁素体不锈钢含碳量一般较低在0.12%以下,具有Cr量一般为12%-30%,较马氏体的铬含量高,其结构组织基本上是铁素体,它在加热到较高温度时只有一小部分转变为奥氏体,大部分仍为铁素体。含铬较高的钢在加热过程中一般不发生相变,钢中含铬量越高,则其塑性和耐蚀性就越高,但这种钢在退火或正火后的组织为铁素
7、体及少量的碳化物组成,碳含量越高则其硬度和耐磨性就越高。当铁素体不锈钢中铬含量超过17%时,会在475时发生脆性、相脆性及高温脆性现象。(3)不锈钢中铬含量为12%-18%和碳含量为0.1-0.4%时,其正火后的组织基本上是马氏体不锈钢;1.2200系列节镍型不锈钢特点和性能200系列节镍型不锈钢是以Mn、N代替部分Ni,部分钢种中还加入了少量的Cu以提高钢的腐蚀性能。对于具有耐蚀性的钢,规定铬含量最低为12%,所有工业化生产的奥氏体钢铬含量一般为18%。在不锈钢中铬含量18%的情况下,生产完全奥氏体钢规定最低的镍含量为8%,以18%铬为界线增长或减少铬含量都会影响到昂贵镍含量的增长,而18%
8、铬及8%镍成份的钢是完全的奥氏体钢,并且由于低温转变动力学的停滞,在室温下完全保存了奥氏体组织。200系列不锈钢的性能特点:1)对于奥氏体不锈钢,虽然塑性良好,但变形抗力大,为了便于进行热加工,就不得不在热加工前加热到较高的温度,否则在轧制过程中,将因宽度增长,容易出现制耳等缺陷。2)锰钢属于本质粗晶粒钢,本质粗晶粒钢在700-800时晶粒开始长大,但本质细晶粒钢在930-950温度下尚局限性长大,只有在超过这个温度以后才开始粗化,并随着温度的升高,它的长大趋势比本质粗晶粒还要大。3)对于钢的晶粒粗大,加热温度及加热时间有着决定性的作用。合金元素有增大晶粒长大的倾向,按其影响限度的强弱顺序为M
9、n、P和C。减少晶粒长大倾向的元素有V、Ti、Ai、Zr、W、Mo、Cr、Si和Ni,大多数合金钢的过热敏感性都要比碳钢低。4)奥氏体不锈钢当铬含量低于6-7%时,在冷态塑性变形过程中容易发生因奥氏体不稳定而诱发的马氏体转变使钢硬化。5)奥氏体不锈钢当含碳量大于0.06%时,在温度为500-600时慢冷或长时间加热时,容易沿晶界析出铬的碳化物。6)不锈钢在进行焊接时,热影响区温度在600-800时最容易产生晶间腐蚀。2合金元素对节镍型不锈钢组织的影响在节镍型不锈钢中,一般具有铬、镍、氮、铜、锰等重要元素,现对各元素作用分别说明如下:2.1铬的影响1)铬是不锈钢获得耐腐蚀性能的重要合金元素,对耐
10、蚀性起着决定作用,且对于氧化性环境特别有效。钢中添加铬后会在钢的表面形成一种化学配比为(Fe、Cr)2O3的致密氧化物膜,起到强烈的钝化作用;铬又能提高钢在电介质中的电极电位,提高钢的点蚀电位值,减少钢对点蚀的敏感性,当Cr与Mo配合使用时,不锈钢抗点蚀效果更好。因此,铬质量分数一般高于10.5的钢就被认为在大气环境中是不锈的,但在腐蚀性介质中要形成稳定的氧化物还需要更高的铬含量。2)铬是一种铁素体形成元素,当铬含量超过12.7时,Fe.Cr合金变成单一的铁素体组织,而在Fe.C、C系或Fe.Cr.Ni.C系合金中,增长铬含量将在奥氏体不锈钢中可促使铁素体的形成和残留。3)铬是一种很强的碳化物
11、形成元素,最重要的碳化物是M23C6,其中M重要是铬。不锈钢中能形成Cr7C3型碳化物、复合碳化物和碳氮化物M13(CN)6等。铬可与氮形成氮化物,最常见的化合物是Cr2N。4)铬是形成金属间化合物的重要成份,而金属间化合物有使不锈钢催化的倾向,最常见的是相,在Fe.Cr系中这是一种在815以下形成的(Fe、Cr)化合物。相可以在任何一种不锈钢中形成,但是在高铬奥氏体、铁素体和双相不锈钢中最为普遍。此外,铬也存在于相和Laves相金属间化合物中。5)铬由于在晶格中作为置换原子,因而可以起到固溶强化的作用。但当钢中碳和氮共存时,较高的含铬量可使钢的韧性和塑性急剧变差,因而,高铬含量的铁素体钢中应
12、把碳和氮含量降得较低。2.2镍的影响镍是扩大奥氏体区的元素,在不锈钢中镍与铬配合,可获得单相奥氏体组织,使钢具有更好的耐蚀性、良好的成形性能和焊接性能。镍能使合金表面钝化,扩大钢在酸中的钝化范围,但不能改善钢对稀硝酸的耐蚀性,它能提高不锈钢抗硫酸、盐酸等腐蚀介质的性能,是耐蚀钢的重要合金元素。假如单独使用镍作为合金元素,其质量分数要高达24才干得到完全奥氏体组织,而在低碳高铬不锈钢基础上加入质量分数9的镍,即可获得耐蚀性、综合力学性能较好、室温下稳定的奥氏体组织,既能满足钢的耐蚀性规定,又能提高钢的高温强度和抗氧化性能,成为优良综合性能的钢种。2.3碳的影响碳是奥氏体形成元素,碳对提高奥氏体钢
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