張亞運(yùn)，張玉妥，王 培

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110016)

鈮(Nb)對(duì)309S奧氏體不銹鋼組織與性能的影響規(guī)律

張亞運(yùn)1，張玉妥1，王 培2

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110016)

利用Thermo-Calc軟件計(jì)算Nb對(duì)309S(Fe-22Cr-14Ni-2Mn-0.5Si-0.3V-0.07C-0.07N)奧氏體不銹鋼相組成的影響。高溫下(1100℃左右)Nb與C形成NbC，隨著Nb含量的增加，NbC的量增加，析出溫度升高；當(dāng)Nb含量達(dá)到0.28wt.%時(shí)，NbC相開(kāi)始從液相中析出。研究了四種不同Nb含量的合金，經(jīng)1100℃固溶處理后，顯微組織觀察表明，合金中NbC的析出量隨Nb含量的增加而增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Thermo-Calc計(jì)算結(jié)果一致。高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明:添加0.54Nb的合金比不添加Nb的合金在600℃、700℃、800℃的抗拉強(qiáng)度分別提高了30MPa、32MPa和22MPa，屈服強(qiáng)度分別提高了27MPa、39MPa、16MPa。

NbC；309S奧氏體不銹鋼；相圖計(jì)算；析出物

309S不銹鋼含有較高的Ni、Cr含量，具有較好的高溫抗氧化性和高溫力學(xué)性能，并且具有良好的冷/熱加工性能，因此被廣泛應(yīng)用于轎車波紋管、鍋爐、壓力容器等方面[1-2]。在一些應(yīng)用條件下，材料需經(jīng)受高溫瞬時(shí)熱沖擊，因此要適當(dāng)提高309S不銹鋼高溫瞬時(shí)強(qiáng)度。一些科研人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制奧氏體不銹鋼中的MX型碳氮化物及納米級(jí)沉淀相的析出能夠顯著提高其高溫強(qiáng)度[3-4]。然而目前對(duì)309S不銹鋼的研究集中在高溫抗氧化方面[2,5]，對(duì)提高309S不銹鋼高溫力學(xué)性能的研究較少，因此，研制新型含Nb的309S奧氏體不銹鋼具有重要意義。本文研究通過(guò)加入適量Nb元素使材料在高溫下析出富含Nb的NbC來(lái)提高材料的高溫強(qiáng)度，首先用Thermo-Calc軟件對(duì)新型奧氏體不銹鋼隨Nb含量變化的相圖垂直截面進(jìn)行計(jì)算[6-7]，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果熔煉不同Nb含量的奧氏體不銹鋼，對(duì)其顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 Fe-xNb-22Cr-14Ni-2Mn-0.5Si-0.3V-0.07C-0.07N垂直截面相圖計(jì)算與分析

利用Thermo-Calc軟件中的TCFE7數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算二元相圖，橫坐標(biāo)為Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，縱坐標(biāo)為溫度(攝氏度)。以表1為309S奧氏體不銹鋼原始成分，計(jì)算Fe-xNb-22Cr-14Ni-2Mn-0.5Si-0.3V-0.07C-0.07N垂直截面相圖，如圖1所示。

表1 309S奧氏體不銹鋼原始成分 wt.%

從圖1中可以看出，在600～1200℃范圍內(nèi)，平衡狀態(tài)下不銹鋼的基體為奧氏體，析出相的種類有NbC、σ、Z、M23C6、Cr2N，而σ和Z只有在長(zhǎng)時(shí)間高溫條件下才會(huì)析出[8]，本研究不予考慮。加入Nb元素主要是希望合金固溶狀態(tài)下能析出高溫強(qiáng)化相NbC來(lái)提高材料的高溫性能，參考一些論文和相圖分析[2,6]，將固溶溫度設(shè)定在1100℃。從圖1中可以看出，當(dāng)Nb含量較少時(shí)，合金在1100℃固溶時(shí)不析出NbC相；Nb含量升到0.03wt.%以上時(shí)，合金在1100℃固溶時(shí)開(kāi)始析出NbC相；當(dāng)Nb含量達(dá)到0.28wt.%時(shí)，合金在1100℃固溶時(shí)NbC相開(kāi)始從液相中析出。相圖顯示Cr2N析出溫度較高，且在高N奧氏體不銹鋼析出較快[9]，應(yīng)考慮Nb對(duì)Cr2N析出影響。綜合考慮合金在高溫下NbC和Cr2N析出的條件，可將相圖分成4個(gè)不同的區(qū)域進(jìn)行研究；為研究方便，選擇Nb含量分別為0wt.%、0.055wt.%、0.12wt.%、0.54wt.%進(jìn)行研究。

圖1Fe-xNb-22Cr-14Ni-2Mn-0.5Si-0.3V-0.07C-0.07N系垂直截面圖

新型309S奧氏體不銹鋼采用KGPS100-2.5型真空感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，Nb元素通過(guò)鈮鐵方法加入。采用上述方法制備了4種不同Nb含量的309S奧氏體不銹鋼鑄錠，其化學(xué)成分如表2所示。

表2 4種不同Nb含量的奧氏體不銹鋼成分 wt.%

2 XRD分析及顯微組織觀察

309S不銹鋼的鑄態(tài)組織不均勻且含有少量高溫δ-鐵素體，將4種不同Nb含量的鑄錠切除冒口后三墩三拔成截面為50mm×50mm的鋼棒，然后將鋼棒進(jìn)行1h的1100℃固溶處理，出爐后水冷。

圖2為4種合金經(jīng)1100℃固溶后電解實(shí)驗(yàn)萃取碳化物的XRD圖譜。

注：(a)1#合金；(b)2#合金；(c)3#合金；(d)4#合金

圖24種合金的XRD圖譜

由圖2可以看出，1#合金中沒(méi)有明顯的衍射峰，說(shuō)明1#中沒(méi)有析出第二相；2#、3#和4#合金的衍射峰都為NbC；2#合金的衍射峰強(qiáng)度較低，這是因?yàn)楹辖鹬形龀龅腘bC相對(duì)較少；3#和4#合金中NbC衍射峰強(qiáng)度較高，說(shuō)明析出相數(shù)量較多。

圖3為4種合金固溶后的SEM照片。

注：(a)1#合金；(b)2#合金；(c)3#合金；(d)4#合金

圖3奧氏體不銹鋼固溶1100℃后SEM圖

由圖3可以看出，4種合金固溶后的基體全為奧氏體，不存在δ-鐵素體。圖中顯示，1#合金沒(méi)有析出NbC，2#、3#和4#合金中均存在NbC相。2#合金的NbC相析出較少，主要在晶界析出；3#合金析出相比2#合金多；4#合金NbC相析出最多。當(dāng)Nb含量為0.12wt.%時(shí)，析出的NbC彌散分布于奧氏體基體中，隨著Nb含量的增加，析出的NbC量增加。

四種合金的萃取物XRD和顯微組織掃描照片結(jié)果與Thermo-Calc軟件計(jì)算結(jié)果一致。

3 力學(xué)性能測(cè)試

為研究Nb元素對(duì)309S奧氏體不銹鋼力學(xué)性能的影響，分別對(duì)1100℃固溶1h后含有Nb元素的309S不銹鋼和不含有Nb元素的309S不銹鋼進(jìn)行高溫拉伸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 1#和4#合金力學(xué)性能

從表3中可以看出，含有Nb元素的4#合金在600℃、700℃、800℃的抗拉強(qiáng)度比不含有Nb元素1#合金抗拉強(qiáng)度分別提高30MPa、32MPa和22MPa，屈服強(qiáng)度分別提高了27 MPa、39 MPa、16 MPa，說(shuō)明添加Nb元素后形成的NbC型析出相能提高材料的高溫強(qiáng)度，但降低了材料的高溫延伸率。

4 結(jié)論

(1)計(jì)算了Fe-xNb-22Cr-14Ni-2Mn-0.5Si-0.3V-0.07C-0.07N垂直截面相圖，當(dāng)Nb含量為0.03wt.%時(shí)，NbC開(kāi)始從奧氏體中析出，析出的NbC隨著Nb含量的增加而增加；當(dāng)Nb含量為0.28wt.%時(shí)，NbC從液相中開(kāi)始析出。

(2)XRD與SEM結(jié)果分析表明：含Nb為0.055wt.%的奧氏體不銹鋼中析出的NbC較少且主要在晶界分布；當(dāng)含Nb為0.12wt.%時(shí)，析出的NbC彌散分布于奧氏體基體中。

(3)1100℃×1h固溶處理含有Nb的309S不銹鋼在600℃、700℃、800℃的抗拉強(qiáng)度比不含有Nb的309S不銹鋼抗拉強(qiáng)度分別提高30MPa、32MPa和22MPa，屈服強(qiáng)度分別提高了27 MPa、39 MPa、16 MPa，說(shuō)明NbC彌散分布產(chǎn)生強(qiáng)化效果。

[1] 肖紀(jì)美.不銹鋼的金屬學(xué)問(wèn)題[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006.

[2] 唐慶新,劉靖,韓靜濤.奧氏體耐熱不銹鋼309S高溫抗氧化性能研究[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2009,21(10):43-47.

[3] 孟繁茂,付俊巖.現(xiàn)代含鈮不銹鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006.

[4] Okayasu M,Wu S,Noda K,et al.Mechanical properties of austenitic stainless steel with high niobium contents[J].Materials Science & Technology,2016,32(13):1382-1394.

[5] 丁杰.鹽對(duì)SUS321和SUS309不銹鋼高溫耐腐蝕性的影響[J].理化檢驗(yàn):物理分冊(cè),2007,43(9):444-445.

[6] 胡錦程,宋紅梅,俞敏,等.鐵素體不銹鋼410S與430高溫相組織的Thermo-calc計(jì)算與試驗(yàn)研究[J].寶鋼技術(shù),2007(4):20-23.

[7] 郎宇平,陳海濤,翁宇慶,等.熱力學(xué)計(jì)算在高氮奧氏體不銹鋼研究中的應(yīng)用[J].材料工程,2013(5):16-22.

[8] Lo K H,Shek C H,Lai J K L.Recent developments in stainless steels[J].Materials Science & Engineering R Reports,2009,65(4-6):39-104.

[9] Li H B,Jiang Z H,Feng H,et al.Microstructure,mechanical and corrosion properties of friction stir welded high nitrogen nickel-free austenitic stainless steel[J].Materials & Design,2015(84):291-299.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

EffectofNbonMicrostructureandMechanicalPropertiesof309SSteel

ZHANG Yayun1，ZHANG Yutuo1，WANG Pei2

(1. Shenyang Ligong University,Shenyang 110159，China;2. Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences， Shenyang National laboratory for Materials Science，Shenyang 110016，China)

The phase fraction diagrams varying with the niobium content in 309S (Fe-22Cr-14Ni-2Mn-0.5Si-0.3V-0.07C-0.07N) austenitic stainless steels have been calculated by the Thermo-Calc software.It has been shown that with the increasing of Nb content,the content and precipitation temperature of NbC phase increases.When the Nb content is higher than 0.28wt.% (mass fraction),NbC phase precipitates from liquid directly.According to the thermodynamic calculation results,four alloys with different Nb contents have been designed and smelt.After 1100℃ solution treatment,microstructure observation indicates that the content of NbC precipitation increases with the growing of Nb content in Nb bearing austenitic stainless steel.Experimental results are all well consistent with the calculation results.The high temperature tensile test results illustrate that high temperature ultimate tensile strength of 0.54% Nb alloy improve 30MPa,32MPa and 22MPa and high temperature yield strength improve 27MPa,39MPa and 16MPa at 600℃,700℃,800℃ respectively comparing with no Nb-bearing alloy.

NbC;309S austenitic stainless steel；thermodynamic calculation；precipitate

TG113

A

2016-08-29

張亞運(yùn)(1990—),男，碩士研究生;通訊作者:張玉妥(1966—),女,教授,博士,研究方向:金屬材料制備工藝。

1003-1251(2017)05-0057-04