雙相不銹鋼中主要合金元素作用
不銹鋼中最重要的是銘元素,當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10.5%時(shí),氧化介質(zhì)中的鋼會(huì)在表面形成一層致密的薄膜,避免鋼被進(jìn)一步腐蝕,這種鈍化現(xiàn)象是不銹鋼之所以“不銹”的原因。元素含量也對不銹鋼的力學(xué)性能和耐腐蝕性能有較大影響。因此,設(shè)計(jì)合適的合金含量對于鋼種的開發(fā)具有重要的意義。一直以來,Schaeffler相圖在雙相不銹鋼設(shè)計(jì)相平衡工作中起到了重要的作用。
Schaeffler相圖初期用來表征化學(xué)成分和焊縫金屬組織之間關(guān)系,在后來才推廣到可變形的鋼中。Schaeffler公式主要用來計(jì)算錦當(dāng)量Creq和銘當(dāng)量Nieq,式(1-5,1-6)。
為了更精準(zhǔn)地表征其他元素對金屬組織的影響,Delong37,38]對錦當(dāng)量的計(jì)算方法進(jìn)行了修正,在公示中加入了氨元素對奧氏體的影響,如公式(1-7)所示。
Creq=Cr%+Mo%+1.5xSi%+0.5xNb%(1-5)
Nieq=Ni%+30xC%+0.5xMn%(1-6)
Nieq=Ni%+30xC%+30xN%+0.5xMn%(1-7)
需要指出的是,在實(shí)際生產(chǎn)及應(yīng)用中,對于組織的影響因素很多,除了元素含量外,還要綜合考慮冷速、熱加工過程等對組織造成的影響,并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來對合金配比進(jìn)行調(diào)整。在鐵銘合金中加入鎳氮錳等奧氏體形成元素,則不銹鋼中會(huì)形成穩(wěn)定的奧氏體結(jié)構(gòu)。
因此,不銹鋼中的顯微組織結(jié)構(gòu)由鐵素體形成元素(Cr、Mo、Si等)和奧氏體形成元素(Ni、Mn、N等)含量共同決定。在不銹鋼中,主要元素的具體作用如下:Cr:銘元素是強(qiáng)烈形成和穩(wěn)定鐵素體相并縮小奧氏體相區(qū)元素,雙相不銹鋼中的Cr含量一般不低于18%。銘元素可以大幅度提高不銹鋼的耐蝕性,此外,銘含量的增加會(huì)使雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度提高。
Mo:鋁元素是鐵素體強(qiáng)烈形成元素,其形成鐵素體的能力與Cr元素相當(dāng)。鋁可以明顯提高不銹鋼的耐腐蝕性,其提高耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕能力是銘的三倍。鋁對于析出相的生成有促進(jìn)作用,可以使析出相TTT曲線析出范圍加寬,鼻溫升高,增加雙相不銹鋼的脆化傾向[40,41]。鋁元素使得不銹鋼在酸性介質(zhì)中陽極區(qū)電流密度下降2~3個(gè)數(shù)量級,并在鋼的表面形成穩(wěn)定的保護(hù)膜,提高雙相不銹鋼在高氯化物濃度介質(zhì)中的耐腐蝕性能。此外,鋁和氫具有協(xié)同配合作用,兩者可以組織鈍化膜溶解,使不銹鋼具有更高的點(diǎn)蝕電位。同時(shí),銘元素越多,鋁提高耐腐蝕效果越明顯。
Si:硅元素是鐵素體形成元素,其形成鐵素體能力是銘元素的1.5倍。硅元素的加入可以在不銹鋼表面形成保護(hù)膜,增強(qiáng)不銹鋼的耐酸腐蝕能力。但是在雙相不銹鋼中硅元素并沒有廣泛應(yīng)用,原因是硅元素會(huì)使富銘鋁金屬間相的析出。此外,在焊接或暴露在400℃以上的高溫下時(shí),會(huì)促進(jìn)金屬間化合物的析出。
Ni:錦元素是強(qiáng)烈形成和擴(kuò)大奧氏體區(qū)元素,可以通過錦元素加入的量來調(diào)控兩相比例來提高雙相不銹鋼的耐腐蝕性能。鎳元素在奧氏體不銹鋼中含量較高,一般高于6%,在雙相不銹鋼中含量較低,一般在1.5-7%之間。文獻(xiàn)中提出,當(dāng)錦含量低于5%時(shí),雙相不銹鋼的強(qiáng)度和韌性會(huì)隨著錦的含量增加而增加。
C:碳元素也是強(qiáng)烈形成奧氏體相元素,其形成奧氏體的能力是錦元素的30倍,碳元素還可以提高不銹鋼的強(qiáng)度,但是在雙相不銹鋼中,過高的碳元素會(huì)在晶界處形成富銘的碳化物,使得鋼的耐晶間腐蝕性能嚴(yán)重下降,此外還會(huì)使鋼的塑性和韌性嚴(yán)重下降。因此在雙相不銹鋼中要嚴(yán)格控制碳含量。
N:氨元素是奧氏體形成元素,是錦元素形成奧氏體能力的三倍。氫元素在雙相不銹鋼中作用很重要,它可以替代錦元素達(dá)到節(jié)約成本的目的,同時(shí)還可以減少析出相的生成[48,49]。氨元素可以通過影響合金元素在兩相中的分配系數(shù)來提高耐蝕性能。研究發(fā)現(xiàn),氮元素可以有助于鐵的溶解,增加鈍化膜中的銘含量增加來提高耐點(diǎn)蝕能力;氫的富集使表面膜不易破裂,而鋁有利于再鈍化,兩者結(jié)合降低了鋼表面點(diǎn)蝕發(fā)生的可能性。
Mn:錳元素是較弱的奧氏體形成元素,其錦當(dāng)量為0.5。在不銹鋼中,當(dāng)Mn含量逐漸增加時(shí),可以使氨元素在鋼中的固溶度大幅度提高。在生產(chǎn)中,常利用該特性采用鋼種加錳和氫元素來代替較貴的錦元素,以節(jié)約成本。猛可以促進(jìn)。相的析出,使鋼的韌性和韌性下降,并且會(huì)對鋼的低溫韌性和焊接性產(chǎn)生負(fù)面影響。
Cu:銅元素是奧氏體穩(wěn)定和形成元素,錦當(dāng)量為0.33。雙相不銹鋼中加入適量的銅元素可以提高鋼的強(qiáng)度和耐腐蝕能力,但是在熱加工過程容易產(chǎn)生“銅脆”現(xiàn)象。相比于雙相不銹鋼的其他元素,銅元素熔點(diǎn)較低,在凝固過程最后凝固,因此會(huì)在液相中富集形成銅析出相。銅的析出會(huì)使界面結(jié)合能降低而弱化晶界強(qiáng)度,在變形的過程中容易產(chǎn)生裂紋。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),雙相不銹鋼中添加小于1%的銅元素可以提高抗點(diǎn)蝕能力,但當(dāng)銅元素含量高于1%后,隨著銅含量的增加,耐點(diǎn)蝕能力提高并不明顯。
本文標(biāo)簽:雙相不銹鋼
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