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糊状区保温时间对201不锈钢氮含量和气孔率的影响

来源:AG亚游登陆地址 钢业 日期:2018-07-21 14:10:43 人气:411

对低镍奥氏体不锈钢201在糊状区分别在氮气环境中保温051015min探究保温时间对氮含量和气孔率的影响结果表明:随着保温时间的增长氮含量显著提高糊状区保温可在避开凝固过程中的铁素体区促进液相中的氮向奥氏体扩散经过热力学分析化学势差提供了氮从液相向奥氏体扩散驱动力因此糊状区保温是一种有效的不锈钢增氮方法为生产高氮不锈钢提供了新思路

氮合金化对不锈钢有诸多益处首先氮合金化能够显著提高不锈钢的强度但不降低塑性其次氮是强烈的奥氏体稳定化元素可以减少甚至取代不锈钢中的镍经济效益显著此外氮合金化还能提高不锈钢的耐蚀性能

基于上述理论低镍型奥氏体不锈钢以锰和氮代替部分镍不但可以大幅降低生产成本还能够保证一定的强度及耐腐蚀性能因此受到了广泛的关注但目前低镍型奥氏体不锈钢增氮存在两个问题一是增氮效果不佳氮含量偏低二是增氮过程中易于产生气孔降低了性能

目前提高不锈钢氮含量主要基于固溶氮化和液相渗氮固溶氮化该工艺无常压熔炼的气孔问题是生产高氮钢简单而有效的方法但是固溶氮化的渗氮时间长且渗氮层厚度有限不适合规模化生产液相渗氮基于高压熔炼工艺如院热等静压熔炼增压电渣重熔加压感应熔炼高压底吹氮气等和常压熔炼工艺如院氩氧脱碳AOD工艺添加氮化合金电渣重熔吹氨气炼等)。高压熔炼能有效提高不锈钢中的氮含量但是高压熔炼的技术难度大存在高压危险很难推广而常压熔炼增氮效果一般易出现氮偏析气孔等铸造缺陷影响后续的轧制锻造等塑形产品的质量综合考虑固溶渗氮工艺可大幅增加氮含量的特点以及常压熔炼工艺更适合大规模生产的优势本文设想院将目前的熔炼温度降至糊状区的温度范围在氮气氛下进行半固态保温促使氮在奥氏体中的溶解度趋向饱和从而实现增氮的目的在糊状区温度范围内制备高氮奥氏体不锈钢优势还在于院通过选取适宜的保温温度可以避开铁素体区或在铁素体较少的区域理论上可以消除产生偏析和气孔的根源同时由于熔炼温度的降低对节能降耗延长模具寿命也大有益处因此以典型的低镍奥氏体不锈钢201不锈钢为研究对象研究了糊状区保温时间对不锈钢氮含量气孔率的影响讨论了熔体中氮向奥氏体的扩散行为为解决目前低镍奥氏体不锈钢增氮工艺中存在的增氮效果不佳气孔较多的问题提供一个新的思路和工艺方法

1试验材料及方法

合金的熔炼采用真空/高压感应熔炼炉采用钨铼热电偶直接测量熔体温度试验材料为典型低镍奥氏体不锈钢201不锈钢成分如表1所示采用JMatPro热力学分析软件对该合金的凝固过程进行了预测结果表明该合金的糊状区宽度在1384℃~1445℃范围凝固模式为FA模式[24]即先从液相中析出啄铁素体,包晶反应生成奥氏体随后通过固态相变再次形成奥氏体组织没有转变成奥氏体的残留啄铁素体存在于晶胞中首先将3Kg左右的试验材料置于氧化镁坩埚内抽真空至100Pa后加热试样至熔化关闭真空系统充入0.1MPa的氮气99.9%),并升温至1600℃使金属熔化保温15min使氮充分融入液相然后降低电源功率使金属液降温进入糊状区调整电源功率使熔体维持在1400℃进行保温保温时间设定为051015min作为对比另一组试样熔化后降温至14501500153015801600再分别保温15min保温结束后关闭感应电源利用冷却循环水将熔体冷却至室温得到准70mm120mm的铸锭试样从距铸锭底部20mm处切出采用LECO公司TCH600氢氧氮联测分析仪检测试样的氮含量采用阿基米德排水法测定气孔率

2试验结果

2.1氮含量

液相渗氮保温温度对不锈钢氮含量影响如图1a所示氮含量随着温度的降低呈增加趋势糊状区保温时间对不锈钢氮含量的影响如图1b所示试样氮含量的检测结果表明氮含量会随糊状区保温时间的增加而显著增长糊状区保温渗氮相对液相渗氮氮含量显著提高当保温时间为15min试样的氮含量能够达到0.230wt%

2.2气孔率

液相渗氮保温温度对不锈钢气孔率影响如图2a所示气孔率随着温度的变化规律不明显糊状区保温时间对不锈钢气孔率的影响如图2b所示试样气孔率随糊状区的保温时间的变化规律也不明显但对比发现糊状区保温试样的气孔率要低于液相渗氮保温试样的气孔率

3分析讨论

3.1氮含量分析

通过实验结果我们可以得出糊状区保温增氮是一种有效的增氮方法这是由于糊状区是一个固液相共存的区域我们选择奥氏体体积分数较多的区域保温液相中的氮不断地向奥氏体扩散直至奥氏体饱和而氮在奥氏体中的溶解度远远大于氮在液相中的溶解度[25]因此氮含量有一个显著提升我们都知道扩散的根本驱动力是化学势差值氮在液相中的化学势大于氮在奥氏体中的化学势这个化学势差值趋使液相中的氮不断地向奥氏体扩散以此增加体系氮含量糊状区保温时N从液相向固相扩散为研究对象我们选择wN=0wt%为金属的标准态选择N含量为5.9wt%N的标准态[26]运用JMatPro热力学软件计算结果绘制出201不锈钢在糊状区中T=1400℃时的吉布斯自由能-成分曲线图如图3所示其中GLG酌分别为液相和奥氏体相的吉布斯自由能两线相交于M根据公切线法则GLG酌的公切线abGL相交于AG酌相交于Bab线为两相的平衡线A点和B点分别为平衡时氮在液相和固相中的质量分数但实际室温组织中氮含量达不到该值这是由于凝固过程中偏析气孔氮气压力等因素的影响但同时也说明只要我们采用合适的工艺条件利用糊状区保温可以使奥氏体中的氮含量达到wB其中a点处院滋LFe-Cr-Mn=滋酌Fe-Cr-Mn(eq)b点处院滋LN=滋酌N(eq)在扩散开始时液相中的氮含量wc处在wAwM之间[27]C点作GL的切线cd其中c点处院滋LFe-Cr-Mnd点处为滋LN由图可得d点处的化学势高于b点处的化学势即滋LN跃滋酌N(eq)则驻滋NL寅酌=LN-滋酌N(eq)即为糊状区中N从液相向固相扩散的驱动力这就解释了为什么通过糊状区保温的方法能够使不锈钢氮含量显著提升

3.2气孔率分析

通过实验结果我们还发现糊状区保温试样的气孔率要低于液相渗氮保温试样的气孔率说明糊状区保温增氮的方法可以有效减少气孔不锈钢凝固过程中的气孔主要是析出性气孔凝固过程中液相处于氮的过饱和状态随着温度的降低进入糊状区首先析出铁素体FA凝固模式决定),由于液相与铁素体巨大的溶解度差造成氮的富集形成气泡气泡来不及浮出液面便残留在金属中形成气孔而在糊状区中随着保温的进行氮不断从液相扩散到固相造成液相的氮不饱和此时形成的气泡又会重新溶解到液相中液相中的氮又不断向固相扩散直至饱和以此来减少气孔如图4所示这一析出重溶的过程底吹氮气增氮方法类似相当于进行了二次增氮”,一方面有效减少了气孔另一方面促进了氮的扩散

4结论

(1)0.1MPa的氮气氛下对典型低镍奥氏体不锈钢201不锈钢进行液相渗氮和糊状区保温结果表明随着保温温度的减小氮含量增加而进入糊状区保温随着保温时间的增加氮含量得到显著提高当保温时间为15min试样的氮含量能够达到0.230wt%

(2)糊状区固液相共存保温尽量选在奥氏体区液相中氮的化学势大于奥氏体中氮的化学势这个化学势差值趋使液相中的氮不断地向奥氏体扩散从而提高氮含量

3糊状区保温能够使低镍奥氏体不锈钢氮含量显著提高气孔率明显减少是一种有效的增氮方法为低镍奥氏体不锈钢增氮提供了一种新思路

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