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冷却速度对奥氏体不锈钢管件Cr15Mn9Cu2Ni1N组织与凝固模式的影响

作者:管件 来源: 日期:2018-8-30 23:38:48 人气:7

利用控制冷却速度的凝固实验,研究连铸坯奥氏体不锈钢管件Cr15Mn9Cu2Ni1N不同冷却速度下的组织和凝固模式。结果表明,缓慢冷却时,显微组织为奥氏体基体上分布着蠕虫状残留铁素体;其凝固模式为全部液相先析出δ铁素体,随后通过固相转变形成奥氏体基体。较高冷却速度时,奥氏体组织有两种形态,一是分布着侧板条残留铁素体的奥氏体,二是圈状的分布在第一种奥氏体晶界的单相奥氏体。分析发现,冷却速度的增加使凝固模式发生如下变化:大部分液相先析出δ铁素体,随后固相转变为奥氏体;剩余液相直接转变为奥氏体。同时发现,氮含量的增加可以减小奥氏体晶粒尺寸。

与常规的Ni2Cr系奥氏体不锈钢管件相比,Cr2Mn2N系奥氏体不锈钢管件表现出较高的强度,良好的耐磨损性能及耐点蚀性能,因而得到广泛应用。但是由于化学成分体系的差异,这类钢的热加工性能与Ni2Cr不锈钢管件有所不同,在热变形时表现出较差热塑性,尤其是在板坯粗轧时很容易发生边部裂纹。奥氏体不锈钢管件凝固过程中的凝固模式对其热塑性有直接的影响[24]。奥氏体不锈钢管件的凝固模式主要取决于其化学成分,同时受到凝固条件的影响。在连铸坯凝固过程中,不同部位冷却速度存在较大的差异,会对连铸坯的组织甚至凝固模式产生影响。本研究通过可控冷却速度的凝固试验,模拟连铸坯边部和中心区域凝固过程中冷却速度的变化。分析不同冷却速度下的组织变化,进而从凝固模式影响方面理解和讨论这种钢的热塑性。

1实验材料及方法

选择两种氮含量不同的奥氏体不锈钢管件Cr15Mn9Cu2Ni1N为实验材料,编号为HN的试样N含量为:0.157%,LN试样N含量为0.124%,其余化学成分均相同,具体含量为:0.01%C,15.00%16.00%Cr,8.50%10.00%Mn,1.54%Cu,0.99%Ni,0.001%S,0.027%P,Fe为余量。

可控冷却速度的凝固试验,THERMORESTOR2W型热模拟实验机上进行,试样从加热熔化到冷却凝固的温度变化,按预先设定的程序进行。如图1所示,将圆柱试样放入陶瓷管内,通过高频感应线圈对试样加热,喷入氮气对试样冷却。预埋在试样中的R型热电偶测量试样的温度。将控制冷却速度凝固试验得到的试样,沿长度方向纵向切开,制备金相观察试样。试样经机械抛光后化学腐蚀,用于观察试样的组织形态,选用腐蚀液配比为FeCl31g+HCl10mL+H2O30mL

2不同冷却速度下的组织

2和图3分别为LN试样和HN试样不同冷却速度下的金相组织。可以看出,无论是高含N的钢,还是低含N的钢,在冷却速度为0.2/s,组织均为灰色基体上分布着黑色蠕虫状组织;而冷却速度为1040/s,两种钢的显微组织特征基本相同,都存在两种类型的晶粒,一是灰色基体上分布着黑色侧板条相的组织,二是灰度相对亮的存在于第一种晶粒晶界的圈状组织。

在奥氏体不锈钢管件中存在奥氏体和残留铁素体两种类型的相,在一般的凝固条件下,通常可以分析相所处的位置和形态,对相的性质加以判别[5]。另外,通过电子探针分析相之间化学成分的变化,也是一种辨别奥氏体不锈钢管件组织中相的性质的有效方法[6]。对以上组织中出现的各种相分别进行电子探针分析。图4a是灰色基体上黑色相的电子探针分析结果。发现黑色的组织Cr含量较高,NiMnNCu含量较低,根据现有的研究结论[6]可以确定,具有这种成分特征的黑色组织为残留δ铁素体,而灰色基体为奥氏体。图4b是灰度相对亮的圈状组织及附近区域的电子探针分析结果。可以看出,在灰度相对亮圈状组织中,MnNi的含量较周围组织高,Fe含量较低,Cr含量没有降低。同样可以确定,具有这种成分特征组织为奥氏体。值得注意的是,尽管灰度相对亮的圈状组织和它旁边的灰色基体都是奥氏体,但是它们的化学成分偏析的程度有明显的差异。可以推测这两种奥氏体的形成过程有所不同。基于以上的分析可以得出,随着冷却速度的增加,Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢管件的组织有较大差异。0.2/s冷却时,组织为奥氏体基体上分布着蠕虫状铁素体,当冷却速度大于10/s,奥氏体组织有两种形态,一是分布着侧板条残留铁素体的奥氏体,二是圈状的分布在第一种奥氏体晶界的单相奥氏体。

对比图2和图3可以看出,N含量对奥氏体不锈钢管件Cr15Mn9Cu2Ni1N有一定影响。冷却速度较高时,含氮量较高的HN试样的晶粒小于LN试样的晶粒;而冷却速度较低时,这两种试样的晶粒尺寸基本相同,但是LN试样的蠕虫铁素体片的尺寸大于HN试样。

3凝固模式

奥氏体不锈钢管件的凝固组织是由其凝固模式决定的,已经认识到有以下四种凝固模式:L→δ+L→δ→γ+δ(F模式),L→δ+LL+δ+γ→δ+γ→γ(FA模式),L→γ+LL+γ+δ→γ+δ→γ(AF模式),L→γ+L→γ(A模式)。其中,L、δ和γ分别表示液相、δ铁素体和奥氏体。奥氏体不锈钢管件的凝固模式主要取决于其化学成分,同时受到凝固条件的影响。奥氏体不锈钢管件的化学成分很复杂,通常使用CrNi当量对各种成分的作用进行简化。不锈钢管件CrNi当量的计算公式有多种,对于本文所研究的Cr15Mn9Cu2Ni1N成分体系,较为合理的是HammarSvensson提出的CrNi当量计算公式,Creq=Cr+1.37Mo+1.5Si+2Nb+3Ti(1)Nieq=Ni+22C+14.2N+0.31Mn+Cu(2)其中,CreqNieq分别表示Cr当量和Ni当量,各化学元素符号表示其百分比含量。

许多研究工作已验证,根据Hammar2SvenssonπsCrNi当量计算公式,可以较为准确预测合金含量较低的奥氏体不锈钢管件的凝固模式。当Creq/Nieq<1.5,凝固模式为液相中先析出奥氏体,AF模式;1.52<Creq/Nieq<1.95,凝固模式为液相中先析出δ铁素体,FA模式。利用方程(1)(2)可以计算出,对于LN试样,Creq=15.72,Nieq=9.13,Creq/Nieq=1.72;对于HN试样,Creq=15.83,Nieq=9.52,Creq/Nieq=1.67。根据以上凝固模式的判断准则,这两种成分的钢的凝固模式属于FA模式。

通常情况下,显微组织中δ铁素体所在位置和形态,与凝固模式有一定的联系。如果δ铁素体位于枝晶的中心,且它的形态是骨架形、蠕虫状或是侧板条状,可以判断其凝固模式为FA模式。首先δ铁素体从液相中析出,在随后的固态相变过程中转变为奥氏体,只留蠕虫状或是侧板条形的残留δ铁素体分布在奥氏体基体上。至于残留δ铁素体形态的变化,取决于化学成分和形成条件的共同作用。对于蠕虫状的残留铁素体,其形成需要较慢的冷却速度来保证元素成分的扩散,所以,它是慢冷却速度下FA凝固模式的产物。至于侧板条状δ铁素体,它是一种在奥氏体基体分布有尺寸较小的条状或小板状铁素体,是一种较快冷却速度下FA凝固模式的产物。

从图2a和图3a可以看出,在较低冷却速度下,试样的显微组织为奥氏体基体上分布着蠕虫状δ铁素体,这种组织形态对应的凝固模式是慢冷却速度下的FA模式。这与利用Hammar2SvenssonCreq/Nieq所预测的凝固模式是一致的。当冷却速度较快时,奥氏体组织有两种形态,一是分布着侧板条残留铁素体奥氏体,二是灰度相对亮的圈状单相奥氏体,分布在第一种奥氏体晶粒之间,具有较高的化学成分偏析。如图2bc和图3bc所示。第一种形态的组织具有较快的冷却速度下FA凝固模式的特征;而第二种形态的单相奥氏体具有A凝固模式的特征。

基于以上的显微组织分析,可以将较快冷却速度下的凝固模式作如下描述。首先,δ铁素体作为先析出相在液相中形核长大,在长大的过程中,消耗较多的铁素体形成元素,Cr;同时将较多的奥氏体形成元素NiMn排斥到剩余的液相中,使Creq/Nieq降低,增加了从液相中析出奥氏体的化学成分的条件。当δ铁素体长大到一定程度时,剩余的液相转变为奥氏体。当然,也不排除通过包晶反应,即液相和δ铁素体反应形成奥氏体的可能。这种固液两相中成分分配不均只能在快冷却速度下,元素的均匀化扩散受到抑制时才能发生。在随后的固态相变过程中δ铁素体转变为奥氏体,只残留细小的板条状δ铁素体分布在奥氏体基体上。而从液相中直接析出的奥氏体没有变化,形成灰度相对亮的圈状单相奥氏体,由于这种奥氏体是最后剩余液相中直接析出,合金元素的偏析程度较大。

从液相中直接析出的奥氏体对杂质元素的溶解度比δ铁素体要低;同时在温度下降过程中再没有发生固态相变,无法对杂质元素的偏析重新分配。另外,它后于δ铁素体析出,在δ铁素体凝固的过程中会排出杂质元素,致使剩余液相的杂质元素的含量升高。由于以上的原因使这种奥氏体组织产生杂质偏析的可能性大大增加。

4结论

(1) 在较低冷却速度下,奥氏体不锈钢管件Cr15Mn9Cu2Ni1N的凝固组织特征为奥氏体基体上分布着蠕虫状δ铁素体。在较高冷却速度时,奥氏体组织有两种形态,一是分布着侧板条残留铁素体奥氏体,二是圈状分布在第一种奥氏体晶界的单相奥氏体。

(2) 在较慢冷却速度下,其凝固模式为全部液相先析出δ铁素体,随后通过固相转变形成奥氏体基体,Hammar2SvenssonCreq/Nieq所预测的凝固模式一致。在快冷却速度下,其凝固模式有所变化,大部分液相先析出δ铁素体,随后固相转变为奥氏体,剩余液相直接转变为奥氏体。

(3) 含氮量增加可以减小奥氏体晶粒尺寸,同时可以使慢冷却速度下的蠕虫状残留δ铁素体量减少。