铁素体不锈钢中合金元素对韧性及晶界腐蚀的影响

苏学虎

江苏万恒铸业有限公司 江苏滨海 224500

1 C、N及显微组织对17Cr不锈钢韧性影响

不锈钢用真空感应电炉熔炼成10kg钢锭，再热轧为7mm厚钢板，然后在800℃退火1h空冷。加工成4mm厚试样做冲击试验。以wC+N=0.03%为分界，前后对应的断裂转变温度截然相反，而且正好对应相组织上单相铁素体与铁素体加回火马氏体双相组织的分界线。在单相铁素体中，随着碳＋氮含量的降低，韧性提高，分析发现17Cr钢稳定的铬碳氮化物沉淀的出现是与在800℃退火时的再结晶过程是一致的，即对于单相铁素体组织随着碳＋氮含量的降低，韧性得到改善，主要因为减少了沉淀相数量。对铁素体和回火马氏体双相组织中随着碳＋氮的含量增加，韧性有改善的倾向，这是因为如果碳＋氮含量增加，回火马氏体的体积比也增加，在900℃高温下转变为奥氏体，在冷却时转变为细微组织，如果在高温下共存奥氏体相，由于奥氏体的形变应力比铁素体大得多，热轧时铁素体相形变比平均形变大，在退火时容易生成细微的再结晶晶粒[1]。但是，在双相组织中随着碳＋氮含量的继续增加，韧性逐渐恶化，这种现象可归因于相变量的增加发生了晶粒细化作用，而晶粒粗化在1100℃就已经发生了，因为钉扎在再结晶原始晶粒的碳氮化物在持续高温下溶解，晶界失去约束力而发生迁移，形成粗晶。如果回火马氏体占的比例大，钢在退火时就容易形成细晶粒组织，这种晶粒细化作用消除了沉淀相的增加对韧性的不利影响。

铁素体不锈钢要想得到推广，必须解决HAZ区的脆化问题，特别是焊缝附近粗晶粒的脆化。将之前的试样重新加热到1100℃保温10min，然后水冷，再做冲击试验。发现wC+N≤0.03%时为单相铁素体组织，转变温度几乎与碳＋氮含量成正比。当wC+N≤0.015%时转变温度降至室温以下，HAZ区韧性比退火钢板好[2]。当wC+N＞0.03%时，转变温度在150℃左右趋于水平且与碳＋氮含量无关，而且这个范围显微组织为铁素体+马氏体双相组织。研究在HAZ区试样随着碳＋氮含量增加韧性降低的原因，在1100℃下保温10min，然后水冷后进行碳氮化物的稳定化处理，设计800℃保温1h空冷，17Cr钢在800℃下碳氮化物沉淀最快，而在加热1h中不会出现σ相沉淀。在单相铁素体中碳氮化物主要沉淀于晶界，而在铁素体+马氏体双相组织中，马氏体的分解产生软化作用。

2 合金元素对高铬铁素体不锈钢韧性影响

随着碳+氮含量的逐渐降低，脆性转变温度下降，当wC+N＜0.015%时转变温度低于室温，wC+N每减少0.01%，转变温度约下降110℃。改善韧性的效果取决于冷却速度，随炉冷的改善效果几乎全部消失。降低碳＋氮含量及冷却速度的效果都与晶界沉淀相密切相关，随着晶界沉淀相数量的增加，韧性降低。

热处理主要起到两个作用：

1）溶解在热轧过程中形成的碳氮化物。

2）再结晶。热处理温度是控制韧性的重要因素。

在铁素体不锈钢中加入稳定化的铌（碳＋氮含量的8～10倍）后，就不会产生晶界沉淀[3]，即使冷却速度慢也能得到良好的韧性。加入钛也能制止晶界沉淀，但韧性却发生恶化，与加入铌相比，夹杂物数量有明显的增加现象，夹杂物主要为尖角状的TiN。在wCr=15%～30%、wMo=0～3%的范围内，超低碳、氮的高纯度情况下，韧性是相同的，即降低碳＋氮含量而获得的韧性与Cr、Mo含量无关。但由于Cr、Mo的固溶，强度明显增加。即使组织中晶粒度变化显著，转变温度却变化不大。而且在脆性范围内，所有断裂都是穿晶断裂而不是沿晶断裂，即使在高氧含量时也是如此。在高铬铁素体不锈钢中，碳＋氮含量即使比在碳素钢中低，还会形成碳氮化物，水冷也难以充分制止它们在晶界沉淀析出，这是因为在高铬铁素体不锈钢中碳、氮的溶解度特别低，在高纯材料中晶粒度有显著变化，转变温度仍保持不变。钢中的杂质包括氧、铝、磷、硅及锰都会降低韧性，但与碳、氮相比，它们影响是很小的，硫几乎没影响。在高铬铁素体不锈钢中，沉淀相位置上的裂纹源左右着韧性，由于在700～800℃高铬钢中碳的溶解度非常小，因铬含量变化而产生的碳氮化物沉淀数量的变化对转变温度实质上没什么影响。例如，对于合金19Cr-2Mo钢进行设计时，对薄板同时用铌钛混合稳定化，取wC+N＜0.02%，wTi+Nb≥16wC+N。反之对钢板，韧性更为重要，虽然对于高氮+碳含量下为防止晶界腐蚀，要求铌含量超过碳＋氮含量的16倍[4]，但是对于韧性是不利的。为了兼顾两者，将wC+N控制在0.012%或更低些，将铌含量控制在碳＋氮含量的8～10倍。

3 结束语

1）铁素体不锈钢中的杂质包括氧、铝、磷、硅及锰都降低韧性，但与碳、氮相比，它们的影响是小的，硫几乎没影响。

2）铌和钛是铁素体钢主要稳定化元素，而铌和钛对韧性和塑性两方面起着恰恰相反的作用，因此可以按照所需产品形状来调整合金设计。

3）在铁素体不锈钢中，C、N对韧性影响很大。用中频感应电炉+AOD双联熔炼可以降低其对韧性的影响。