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    氮含量對超細晶奧氏體不銹鋼管組織和性能的影響

    發布時間:2021-05-27 08:24:13      發布人:  瀏覽量:

    通過機械合金化和放電等離子燒結技術制備超細晶奧氏體不銹鋼管,分析其組織與性能,研究了氮含量對該不銹鋼管組織和性能的影響。結果表明,隨氮含量的增加,燒結試樣中馬氏體越來越少。氮具有穩定奧氏體的作用,當氮含量為1.2%時,試樣基體轉化為單一奧氏體相。制得試樣晶粒均細小且均勻,尺寸都達到納米級,氮含量為1.2%的試樣,晶粒尺寸最小,只有100nm。表明采用機械合金化方法結合等離子燒結技術成功制備了納米級奧氏體不銹鋼管。氮的加入還能顯著提高奧氏體不銹鋼管的硬度、耐磨性和抗拉強度。

    不銹鋼管的發明是世界冶金史上的重大成就,不銹鋼管的生產為近代工業的發展和科技進步奠定了重要的物質技術基礎[1-2]。中國不銹鋼管的科研和大量生產應用已有40年以上的歷史,不僅用于化工、石油、濕法冶金、航天、航空、核工業、交通運輸、輕工業、紡織和電子等工業部門中,同時還大量用于日常生活[3-4]。奧氏體不銹鋼管由于具有無磁性、良好的焊接性能而受到大量的關注,但因對其強度、韌性和低磁性均提出了越來越高要求,因此對提高不銹鋼管性能的新途徑做更加深入的研究也就十分迫切,于是有人開發研制出了一系列特殊用途高性能鋼,高氮鋼就是其中一種[5-7]。本文以制備超細晶奧氏體不銹鋼管為目的,利用機械合金化制備超細晶不銹鋼管粉末,利用放電等離子燒結將球磨后的粉末燒結成型。通過對燒結試樣進行X射線衍射和SEM分析,看是否制備出超細晶的奧氏體組織;通過對不銹鋼管燒結塊體進行力學性能檢測,分析氮含量對材料力學性能的影響。1實驗材料及方法試驗的原材料為304不銹鋼管粉末(主要含有17.16%Cr,8.71%Ni,0.46%Mn)、高氮鉻鐵粉末(主要含有27.2%Fe,62.6%Cr,8.48%N)和少量Fe、Ni粉。將原料按不同的配比分為4組,見表1。

    將上述4組材料利用QM-1SP4-CL行星式球磨機、SPS-3.20MK放電等離子燒結(SPS)機進行磨粉和燒結;采用PhilipsXPert衍射儀對燒結試樣進行物相分析,觀察最后燒結試樣的相組成;使用Tc500氮氧分析儀對燒結后的四個試樣分別做氮、氧測定,分析最后試樣中氮和氧含量的情況;使用WTM-IE磨損試驗儀,HV-5維氏硬度儀,WAW-500C壓縮試驗機對不同氮含量燒結試樣的摩擦系數、維氏硬度和抗壓強度,進行測定。

    2試驗結果及分析

    2.1X-Ray衍射分析

    4組不同氮含量的試樣通過PhilipsXPert衍射儀進行X射線分析,結果如圖1所示??煽闯?,氮含量較低時,試樣基體為馬氏體組織,這主要是由于在球磨過程中,大量形變誘導馬氏體轉變而生成的。隨氮含量的增加,燒結試樣中馬氏體越來越少,奧氏體的峰值變得越來越強,當氮含量為1.2%時,試樣基體轉化為單一奧氏體相。原因在于氮減緩了面心結構向體心和密排六方結構馬氏體的轉變。由此可得出:氮元素具有穩定奧氏體的作用,在不銹鋼管中甚至可以代替部分鎳。有關這方面的報道很多,人們提出了許多鎳當量的計算公式。綜上,在穩定奧氏體方面1KgN相當于6-22KgNi,通過機械合金化和放電等離子燒結已制備了奧氏體不銹鋼管。

    2.2 SEM顯微分析

    采用掃描電鏡對不同N含量的試樣進行形貌觀察,得到的顯微組織形貌如圖2所示。從圖2可看出,圖2(a)中試樣晶粒尺寸在300nm左右,圖2(b)試樣晶粒尺寸在200nm左右,圖2(c)中試樣晶粒尺寸在150nm左右,圖2(d)中試樣晶粒尺寸在100nm左右,4個試樣的晶粒均細小且均勻,尺寸都達到了納米級。隨氮含量的增加,試樣的晶粒尺寸越來越細小,N含量為1.2%時,晶粒尺寸只有100nm左右,說明通過機械球磨和放電等離子燒結制備出了超細晶材料。晶粒大小之所以會隨著氮含量的增加而降低,可能是氮元素與鐵基之間的界面能比較小,更易形成彌散的細小強化相,使得晶粒尺寸強化作用變大。

    2.3氮氧分析

    為能更好反映最終塊體中的氮、氧含量和氮、氧含量在燒結前后的變化,對原始粉末和燒結后的試樣進行了氮氧分析,得出數據分別列于表2。表2為燒結前后粉末的氮氧含量它們都比預計的要高,而且3#、4#樣的氮含量出奇高。對于這種現象作分析,有以下可能的原因:一是球磨前原始粉末中氮含量本身就高;二是在做氮氧分析時出現了誤差。除3#以外的其他幾個樣的氮含量都比原來的有所增加,說明還是有氮轉化到了奧氏體基體中。

    2.4耐磨性分析

    使用WTM-IE摩擦磨損試驗儀對燒結試樣的摩擦系數進行測量。通過測量試樣的摩擦系數,可以得出試樣的耐磨性,摩擦系數越小就說明越耐磨。圖3為不同氮含量試樣的摩擦系數測試曲線??煽闯?,隨氮含量增加,摩擦系數逐漸變小,并且隨時間延長,摩擦系數曲線變的比較平緩。說明氮的加入對耐磨性有著較大影響,氮的加入可提高不銹鋼管的耐磨性,并隨含氮含量的增加而變強。耐磨性的提高是因為有部分氮轉化為氮化物形式析出,氮化物使材料表面得到了有效強化,從而提高了耐磨性。

    2.5顯微硬度分析

    3為使用HV-5維氏硬度儀測得各燒結試樣的維氏硬度結果??煽闯?,燒結試樣硬度要遠高于普通304不銹鋼管300HV左右的硬度,且氮含量越高,試樣硬度越大。硬度的增加主要來自于N元素的固溶強化和氮化物的彌散強化以及細晶強化。其中氮化物的彌散強化對硬度影響最大,氮化物的析出會隨N含量增加而增加[8],因此硬度會隨氮含量增加而增大。

    2.6抗壓強度分析

    由于燒結的試樣尺寸比較小,無法達到做拉伸試驗的尺寸要求,所以將4組試樣用線切割機切出準5mm,高10mm的圓柱,進行抗壓試驗,得到的結果如圖4所示??煽闯?,試樣的抗壓強度都較高,最低的有1100MPa,最高的達1810MPa。并且隨著含氮量的增加,試樣的抗壓強度越大。這一方面是由于隨著氮含量增大,晶粒越來越小,由此產生的細晶強化效應;另一方面,可能來源于氮的固溶強化結果。我們還可以看到,加入氮量為0.3%的燒結樣在達到最大抗壓壓力后,繼續保持了一段時間材料才斷裂,說明材料有一定的韌性。這相比張鑫等人[9]研究的完全脆性斷裂有了很大進步。到0.6%N時,停留時間更長,這說明加入氮量從0.3%0.6%材料的韌性是增強的。但隨氮含量進一步增加,在最大壓力處停留的時間縮短,說明其韌性在下降。這也是固溶強化與晶粒細化共同作用的結果:固溶強化使材料韌性降低,晶粒細化使材料韌性提高。當氮含量較低時,后者的作用占主要優勢;隨氮含量增加,前者作用越來越明顯。因此,隨氮含量增加,材料韌性先升高后降低。

    3結論

    (1)機械合金化法結合等離子燒結技術比較成功地制備出了納米級奧氏體不銹鋼管,其晶粒尺寸較小,僅約為100nm。(2)隨著氮含量的增加,基體中馬氏體量逐漸減少,奧氏體含量增加;加入氮含量為1.2%的試樣,基體已經全是奧氏體相。這驗證了氮元素具有穩定奧氏體組織的作用。(3)隨著氮含量增加,奧氏體不銹鋼管的硬度、耐磨性、抗壓強度都顯著提高。其韌性隨氮含量的增加先升高后降低。

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