不锈钢的晶粒细化工艺.docx

不锈钢的晶粒细化工艺摘要：采用本恩提出的方法进行相应的微合金化理论设计，在Cr30Mo高碳铁素体不锈钢中加入适量的铌，由铸造凝固过程中沉淀析出的碳氮化铌有效阻止基体晶粒长大，可使基体晶粒尺寸由无铌时的 100μm 左右细化至 20μm 以下，使钢材脆性断裂倾向明显降低，从而使铸造生产成品率显著提高，生产成本明显下降，同时使其在磷化工生产条件下的使用寿命明显提高。关键词：高碳铁素体不锈钢；铌微合金化；晶粒尺寸控制；脆性断裂；成产成品率1前言很多化工生产流程中所涉及的流体介质除具有较高的腐蚀性外，还存在大量的固体颗粒于其中而造成显著的腐蚀磨损，因而对相应的化工设备及零件的材料的性能要求除需保持适当的耐蚀性外，还要求具有很高的耐磨性。磷化工设备关键零件如各种叶轮、泵阀所用材料对耐磨性的要求明显高于对耐蚀性的要求[1]。Cr30Mo高碳铁素体不锈钢是近年来研制开发的具有高耐磨性和适当耐蚀性的钢种[2]，其碳含量一般为 0.8-1.0%，其基体组织从凝固至室温均保持为铁素体，冷却过程中所形成的各种合金碳化物如 Cr7C3、Cr23C6、Mo2C等可使钢材明显硬化而具备较高的耐磨性，同时由于可采用高碳铬铁作为生产原料而使其生产成本明显降低。由于碳含量较高且基体无固态相变，因而 Cr30Mo高碳铁素体不锈钢的脆性十分严重，目前国内引进法国技术的最高铸造生产成品率为 35%。为了提高 Cr30Mo高碳铁素体不锈钢的韧性和生产成品率，我们在钢中添加了适量的铌，利用碳氮化铌在高温下阻止晶粒长大的作用，明显细化了晶粒，降低了脆性断裂倾向，铸造生产成品率提高到 80%以上。本文将介绍相关的设计原理和应用情况。2第二相阻止晶粒长大原理与高碳铁素体不锈钢铌含量的设计晶粒细化是钢铁材料中重要的韧化方式。铁素体不锈钢的基体组织从凝固至室温均保持为铁素体，没有固态多形性相变发生，不可能通过固体多形性相变细化晶粒；而高碳铁素体不锈钢由于脆性很大，只能在铸造态使用，故也不能通过塑性变形后的再结晶相变来细化晶粒。因此，唯一的通过晶粒细化改善韧性的工艺方法是控制高温下晶粒的粗化。钢中第二相粒子阻止晶粒粗化的基本原理是由 Zener首先定量分析考虑的，而 Gladman则详尽分析了解钉时的能量变化从而得到了当第二相为均匀分布的球形粒子时晶界解钉的判据为[3]：式中 D0为晶粒的平均等效直径，d和 f分别为第二相的平均直径和体积分数，Z=DM/D0是晶粒尺寸不均匀性因子即最大晶粒的直径（DM）与平均晶粒直径（D0）的比值。晶粒正常长大时，Z值在约为 1.7，而 Hillert的缺陷理论指出[4]，晶界的钉扎将在两个水平上发生，相应的 Z值为 3和 9，正常晶粒长大在两个水平的较低水平处停止，而反常晶粒长大可持续到上一水平。由此，为保证一定晶粒尺寸的基体晶粒不发生粗化，就必须存在足够体积分数的平均尺寸足够小的第二相粒子。Cr30Mo高碳铁素体不锈钢的铸造凝固温度在 1400-1300℃，最终完全凝固温度大致在1250℃，此时就必须严格控制晶粒的粗化。该温度下合金元素铬基本完全处于固溶态，钼的碳化物尺寸较大因而控制晶粒粗化的能力较弱。由于微合金碳氮化物特别是碳氮化钛和碳氮化铌可在相当高的温度下仍保持足够细小的尺寸，可在较小的体积分数下取得明显的阻止晶粒长大的效果，因而在很多钢种中均采用添加微合金元素来控制高温下的晶粒尺寸。但钛由于易于形成氧化物和液析氮化钛，相对难于准确控制，故我们确定采用碳氮化铌来控制 Cr30Mo铁素体不锈钢的高温晶粒粗化。根据高温下第二相的 Ostwald熟化理论的计算和实际实验结果[5]，1250℃温度附近持续数分钟时间后碳氮化铌的平均尺寸 d仍可保持在 20nm以下，若需控制基体晶粒尺寸 D0在20μm（8级晶粒度），则由式（1）取 Z值为 3，可计算出需要的碳氮化铌的体积分数 f为0.0436%，换算成重量百分数 W为 0.0432（铁基体和碳氮化铌的密度分别为 7.87、7.80g/cm3）。由于 Cr30Mo钢的碳含量很高，碳氮化铌的化学组成式非常接近于纯的碳化铌，而由于碳原子缺位的缘故，其化学组成式应为 NbC0.875，为计算简便起见，可按 NbC0.875在铁素体中的固溶度积公式[6]及碳化铌中铌与碳的重量比值必须满足理想化学配比来计算 1250℃时的固溶铌量和碳化铌的重量分数3试验结果与分析3.1试验用钢化学成分试验用钢化学成分见表 1，同时选取了不含铌的两炉钢进行对比。表1试验用钢化学成分钢号CCrNiMoCuRENb8Cr30Mo0.8028.51.521.811.420.15--8Cr30MoNb0.7928.61.601.821.430.150.1210Cr30Mo1.0128.61.551.831.460.15--10Cr30