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不銹鋼材料

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氮元素對(duì)奧氏體不銹鋼性能影響有哪些

來(lái)源:至德鋼業(yè) 日期:2020-11-09 14:03:50 人氣:1436

 20世紀(jì)以前,由于氮受到冶煉條件的影響很難加入到不銹鋼中,且認(rèn)為加入不銹鋼中的氮會(huì)降低鋼的塑性,直到20世紀(jì)以后氮在不銹鋼中的優(yōu)異性才逐步得到認(rèn)可。通過(guò)大量含氮不銹鋼的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)氮是奧氏體不銹鋼中既降低成本,又不損害性能的重要合金元素,對(duì)氮化合金奧氏體不銹鋼的研究開(kāi)發(fā)起到了較大的推動(dòng)作用。由于氮元素在不銹鋼組織中起到強(qiáng)烈的擴(kuò)大奧氏體相區(qū)和穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)的作用,所以早先為了節(jié)約奧氏體不銹鋼的成本,降低奧氏體不銹鋼中的鎳元素,同時(shí)加入一定量的氮元素,從而獲得具有單一穩(wěn)定的奧氏體組織的奧氏體不銹鋼。在此觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上研究者們研究發(fā)展出來(lái)了AISI200系列不銹鋼。隨著人們對(duì)氮元素的不斷滲入了解,氮元素在不銹鋼中的作用也顯得越來(lái)越明顯,加氮元素的目的已經(jīng)不是單單為了節(jié)約成本,而是為了提高不銹鋼的組織性能。


一、氮元素對(duì)不銹鋼的組織的作用


 氮在不銹鋼中不僅具有擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的作用,同時(shí)還具有能夠穩(wěn)定奧氏體組織的能力。另外,在鎳當(dāng)量計(jì)算中,氮當(dāng)量是鎳當(dāng)量的30倍,因此向鋼中加入氮可以達(dá)到節(jié)省成本和降低鐵素體含量的效果,同時(shí)往鋼中加入氮還可以抑制馬氏體和形變馬氏體的激活能,使得不銹鋼獲得單一的奧氏體組織且能夠保證組織的穩(wěn)定性。氮在鋼中與合金元素相互作用的重要性主要體現(xiàn)在形成彌散分布的氮化物這一現(xiàn)象,其中存在的彌散氮化物主要為Cr2N、CrN、MnN、M23(C,N)6。因?yàn)椴讳P鋼中的碳容易在晶間析出,導(dǎo)致材料腐蝕和晶間斷裂等問(wèn)題,通過(guò)往鋼中加入氮元素可以延緩碳化物及金屬間化合物在晶間的析出,同時(shí)在一定范圍內(nèi)擴(kuò)大熱處理區(qū)域,從而減緩該問(wèn)題的出現(xiàn)。


 由于氮元素在不銹鋼組織中起到強(qiáng)烈的擴(kuò)大奧氏體相區(qū)和穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)的作用。因此,在不銹鋼中,氮元素的含量越高,其鋼中的奧氏體組織就越單一穩(wěn)定,而且隨著不銹鋼中氮含量的提高,鐵素體的形成就越困難,所以不銹鋼中奧氏體組織結(jié)構(gòu)就更加穩(wěn)定。早先的學(xué)者們認(rèn)為氮元素穩(wěn)定擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的作用與碳元素相當(dāng),大概相當(dāng)于鎳元素的30倍。從這個(gè)公式可以看出,氮元素穩(wěn)定擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的作用相當(dāng)于鎳18倍,稍低于碳元素。由于碳元素在合金不銹鋼中形成大量的碳化物在晶界析出,這會(huì)導(dǎo)致晶界腐蝕、材料脆性等缺點(diǎn)的出現(xiàn)和增多,也因此碳元素不是較好的穩(wěn)定鋼中奧氏體相區(qū)的元素。但是氮元素在鋼種含量也不是越多越好,其一鋼中容氮能力有限,再者鋼中氮含量超過(guò)一定的值后,就會(huì)對(duì)鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度造成負(fù)面的影響,且隨著氮元素的增加該溫度會(huì)變大,從而降低材料韌性。


二、氮元素對(duì)不銹鋼的力學(xué)性能的作用


 圖為各合金元素對(duì)奧氏體不銹鋼屈服強(qiáng)度的影響,由圖可見(jiàn),氮元素表現(xiàn)出最好的強(qiáng)化作用。氮作為不銹鋼中最主要的合金元素之一,對(duì)鋼的強(qiáng)化作用取決于氮在鋼中的存在形式,其一是以溶解態(tài)存在的氮,其二則以氮化物的形式出現(xiàn)。以上兩種狀態(tài)分別決定了氮在鋼中起固溶或氮化物沉淀析出兩種強(qiáng)化作用。高氮奧氏體不銹鋼比普通的奧氏體不銹鋼具有更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,強(qiáng)度可以達(dá)到超過(guò)普通奧氏體不銹鋼的200-350%。易邦旺等人探討了氮含量對(duì)Mn18Cr18N鋼強(qiáng)度的影響,結(jié)果如圖1.2所示[12]。從圖中可以明顯的看出Mn18Cr18N鋼的強(qiáng)度與氮含量呈現(xiàn)出正比的關(guān)系,即強(qiáng)度隨著氮含量的增加而增加。


 氮元素在不銹鋼中的含量處于過(guò)飽和狀態(tài)時(shí),氮元素以兩種方式存在于鋼中,一是以氮化物的形式存在,二是以間隙固溶的方式固溶于基體中的氮。二者均對(duì)鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的作用和影響。另外還有研究表明氮元素作為合金元素在不銹鋼中能有效提高其強(qiáng)度,根據(jù)浙江至德鋼業(yè)有限公司的研究結(jié)果表明,如果奧氏體不銹鋼中能平均滲入1.2%的氮,那么其的屈服強(qiáng)度就會(huì)由原來(lái)的240MPa升高到900MPa。研究結(jié)果表明,往奧氏體不銹鋼中平均滲入2.1%的氮元素時(shí),其屈服強(qiáng)度相對(duì)于不含氮元素的奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度增大了400%,且含氮奧氏體不銹鋼的塑韌性相對(duì)普通奧氏體不銹鋼并沒(méi)有下降。


 由沉淀硬化理論得,不銹鋼中氮含量與其屈服強(qiáng)度有著平方根關(guān)系,通過(guò)總結(jié)大量的不銹鋼中的氮含量與其強(qiáng)度的關(guān)系,并進(jìn)行繪圖得如圖所示的關(guān)系。由圖可以明顯看出來(lái)平方理論的測(cè)試值和預(yù)測(cè)值是大致相同的趨勢(shì),但是實(shí)際測(cè)量值的分散度比較大。至德鋼業(yè)研究表明實(shí)際測(cè)量值的分散度比較大的原因是實(shí)驗(yàn)樣品組織的晶粒度大小不同造成的。也就是說(shuō)含氮不銹鋼中組織晶粒的大小對(duì)其屈服強(qiáng)度也有很大的影響。另外氮元素除了能提高其強(qiáng)度外,還對(duì)不銹鋼其它性能比如加工硬化能力、抗疲勞性、抗腐蝕性、耐磨性及蠕變性能都有很大的改進(jìn)。但是,不銹鋼中的氮元素并不是越高越好,已經(jīng)有研究表明,當(dāng)不銹鋼中的氮元素超過(guò)一定的值時(shí),鋼的低溫韌性將會(huì)受到不利影響,即鋼在較低的溫度下將會(huì)產(chǎn)生脆性,出現(xiàn)脆斷。


三、氮對(duì)鋼的耐腐蝕性能的影響研究


 不銹鋼中常見(jiàn)的腐蝕主要有點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、均勻腐蝕幾種。不銹鋼中加入氮可以提高其耐蝕性能,關(guān)于氮對(duì)提高不銹鋼耐腐蝕性能的作用機(jī)理主要有兩種看法:一種認(rèn)為是氮降低了鉻在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)即貧鉻理論;另一種認(rèn)為是氮阻礙碳化物在晶間的形核和長(zhǎng)大即雜質(zhì)元素偏聚理論。點(diǎn)腐蝕是不銹鋼局部腐蝕中最主要的一種,氮的存在可以中和錳在不銹鋼中對(duì)點(diǎn)腐蝕產(chǎn)生的不利影響,提高不銹鋼的耐腐蝕性能。高氮不銹鋼中的氮通過(guò)吸附主要集中在合金之間的界面,與H+結(jié)合生成NH 4+加速金屬氫氧化物的形成和促進(jìn)鈍化膜的形成來(lái)提高耐縫隙腐蝕的性能。晶間腐蝕是材料在特定的腐蝕介質(zhì)中沿著材料的晶界而產(chǎn)生的腐蝕,腐蝕特征是在金屬表面未見(jiàn)腐蝕現(xiàn)象時(shí),晶粒內(nèi)部之間已經(jīng)喪失了結(jié)合力,在不銹鋼中是一種危害性極大的腐蝕,氮的加入可以減少析出物在晶界處的析出量,提高不銹鋼的耐晶界腐蝕性能。均勻腐蝕在不銹鋼中是一種最為普通的腐蝕形態(tài),主要特征是腐蝕均勻覆蓋在金屬的整個(gè)表面,逐漸使金屬變薄,加入的氮在界面形成氮化物能夠改善鈍化膜的穩(wěn)定性,提高不銹鋼耐均勻腐蝕性能。


 氮元素對(duì)提高鋼的耐腐蝕性能有很大的影響,尤其是在提高鋼的耐局部腐蝕方面有很大的作用??赏ㄟ^(guò)點(diǎn)蝕當(dāng)量值來(lái)計(jì)算鋼的耐點(diǎn)蝕性能的大小。目前國(guó)際上通用的點(diǎn)蝕當(dāng)量值的計(jì)算公式為。因?yàn)槭呛讳P鋼,所以要加上氮元素的因素。研究結(jié)果為計(jì)算值很接近實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值,如圖所示,還有一些學(xué)者們將X設(shè)為13、20、25等這些數(shù)值。這可能是因?yàn)樯厦婀讲](méi)有把所以的化學(xué)成分和其它的一些合金元素或是微量元素都考慮在內(nèi)的緣故。氮元素對(duì)提高鋼的耐腐蝕性這方面的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于像鉻和鉬等一些傳統(tǒng)的提高耐腐蝕性能的元素。另外不銹鋼中的氮元素不但能提高不銹鋼的抗點(diǎn)蝕性能,還對(duì)材料的應(yīng)力腐蝕性、氣體腐蝕性、縫隙腐蝕性能等方面都有很大的提高。


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