CN109648064B - 一种超级奥氏体不锈钢凝固组织σ相变性的方法 - Google Patents

一种超级奥氏体不锈钢凝固组织σ相变性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种超级奥氏体不锈钢凝固组织σ相变性的方法。该方法通过在钢中加入微量的稀土元素，控制钢水的降温速度或定向凝固的抽拉速度，在奥氏体不锈钢凝固末期，促进钢液中铁素体提前析出，减少残余液相中Mo和Cr的含量以避免σ相的析出，得到第二相由σ相转变为铁素体相的超级奥氏体不锈钢。本发明的有益效果是：本发明的方法是通过在超级奥氏体不锈钢中加入定量稀土元素后，钢凝固组织细化，钢中第二相由σ相转变为铁素体相，晶界硬度由301HV降低为255HV，改善了超级奥氏体不锈钢的热加工性。

Description

一种超级奥氏体不锈钢凝固组织σ相变性的方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种利用稀土变性超级奥氏体不锈钢的超级奥氏体不锈钢凝固组织σ相变性的方法。
背景技术
超级奥氏体不锈钢(简称SASS: Super Austenitic Stainless Steel，下同)是一种超低碳、合金元素高达50%的奥氏体不锈钢，耐点蚀指数(PREN: Pitting ResistanceEquivalent Number)≥40。由于钼含量显著高于常规不锈钢，也称之为高钼不锈钢，如含6wt%Mo的254SMO和7wt%Mo的654SMO。钼可以增加钝化膜的稳定性，使超级奥氏体不锈钢具有更好的耐蚀性，特别是耐点蚀、耐缝隙腐蚀和耐应力腐蚀，可以应用于含卤离子、高温苛刻腐蚀环境中，如海水淡化、垃圾焚烧、烟气脱硫、石油化工和造纸等。
超级奥氏体不锈钢由于较高的合金元素含量凝固过程极易析出第二相，主要为金属间化合物（σ相，χ相，Laves相等）、氮化物，它们对超级奥氏体不锈钢的性能具有重要的影响。σ是其中危害最大的析出相，名义化学成分是(FeNi) x (CrMo)y），因此钢中Cr、Mo元素含量越高σ越易形成。奥氏体不锈钢中σ相具有硬度高和析出量大的特点，平衡析出时析出量体系分数可以达到20%水平，因此危害性最大，极大地恶化了热加工性和抗腐蚀性能，也是导致热加工中心开裂的主要原因。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种工艺简单，能够大幅度减少奥氏体不锈钢凝固组织中σ相比例，并且明显细化凝固组织晶粒的奥氏体不锈钢稀土微合金化的超级奥氏体不锈钢凝固组织σ相变性的方法。
本发明的技术方案是：一种超级奥氏体不锈钢凝固组织σ相变性的方法，其特征在于，该方法通过在钢中加入微量的稀土元素，通过控制钢水的降温速度或定向凝固的抽拉速度，在奥氏体不锈钢凝固末期，促进钢液中铁素体提前析出，减少残余液相中Mo和Cr的含量以避免σ相的析出，得到第二相由σ相转变为铁素体相的超级奥氏体不锈钢。
进一步，该方法的具体步骤为：
首先，将超级奥氏体不锈钢熔化后，加入微量的稀土元素搅拌均匀；
其次，控制降温速度为不大于5℃/min将钢水炉内缓慢冷却，以获得等轴晶组织，得到等轴晶晶界第二相由σ相转变为铁素体相的超级奥氏体不锈钢。
进一步，该方法的具体步骤还可为：
首先，将超级奥氏体不锈钢熔化后，加入微量的稀土元素搅拌均匀；
其次，钢水铸成钢锭，并制备定向凝固样品，在区域熔炼定向凝固炉中在温度为1500℃熔化钢样，并以不大于65μm/s的抽拉速度，得到稳定生长的柱状枝晶组织，得到柱状晶晶界第二相由σ相转变为铁素体相的超级奥氏体不锈钢。
进一步，所述稀土元素的加入量为0.02wt%-0.077wt%。
进一步，所述中稀土元素为Ce。
进一步，所述超级奥氏体不锈钢为铬含量为20wt％，镍含量为18wt％，钼含量为6wt%、且含有NCuMnSi。
进一步，所述稀土元素加入方式为采用还原铁粉包裹稀土元素压块，稀土元素纯度为99.99%。
进一步，所述方法得到的超级奥氏体不锈钢的中晶界的平均硬度值为255HV。
本发明有益效果：由于采用上述技术方案，本发明在超级奥氏体不锈钢中加入定量稀土元素后，钢凝固组织细化，钢中第二相由σ相转变为铁素体相，晶界硬度由301HV降低为255HV，改善了超级奥氏体不锈钢的热加工性。
附图说明
图1为超级奥氏体不锈钢非平衡凝固相组织预测曲线示意图。
图2为稀土Ce加入对超级奥氏体不锈钢凝固平衡相组织影响示意图。
图3为实施例1超级奥氏体不锈钢柱状晶截面EBSD相分布图。
图4为实施例2的超级奥氏体不锈钢等轴晶截面EBSD相分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
此处所描述的具体实例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，本领域技术人员应当理解，本发明的方法并不仅限于超级奥氏体不锈钢中σ相变性为铁素体相。
本发明一种超级奥氏体不锈钢凝固组织σ相变性的方法，该方法通过在钢中加入微量的稀土元素，控制钢水的降温速度或定向凝固的抽拉速度，在奥氏体不锈钢凝固末期，促进钢液中铁素体提前析出，减少残余液相中Mo和Cr的含量以避免σ相的析出，得到第二相由σ相转变为铁素体相的超级奥氏体不锈钢。
本发明的热力学预测：
本发明使用Gulliver–Scheil模型对超级奥氏体不锈钢非平衡凝固进行热力学预测，结果如图1所示。超级奥氏体不锈钢凝固过程分为三个阶段：L+γ，L+γ+δ，L+γ+δ+σ；如图1中的a图所示。如图1中的b图和图1的c图所示，第二相有两种分别为铁素体相和σ相，二者在凝固末期分别析出，析出类型与残余钢液Mo和Cr的偏析相关。
本发明使用平衡热力学模型对稀土Ce加入对超级奥氏体不锈钢凝固组织影响进行热力学预测，结果如图2所示。随着超级奥氏体不锈钢中稀土Ce元素的含量升高，平衡凝固组织由单一γ相向γ+δ转变，即稀土Ce在热力学上具有提高铁素体稳定性的能力。
一种超级奥氏体不锈钢凝固组织σ相变性的方法，该方法的具体步骤为：
步骤1：将超级奥氏体不锈钢熔化后，加入微量的稀土元素搅拌均匀；
步骤2：控制降温速度以不大于5℃/min将钢水炉内缓慢冷却，以获得等轴晶组织，得到等轴晶晶界第二相由σ相转变为铁素体相的超级奥氏体不锈钢。
一种超级奥氏体不锈钢凝固组织σ相变性的方法，该方法的还包括具体步骤为：
步骤1：将超级奥氏体不锈钢熔化后，加入微量的稀土元素搅拌均匀；
步骤2：钢水铸成钢锭，并制备定向凝固样品，在区域熔炼定向凝固炉中在温度为1500℃熔化钢样，并以不大于65μm/s的抽拉速度，得到稳定生长的柱状枝晶组织，得到柱状晶晶界第二相由σ相转变为铁素体相的超级奥氏体不锈钢。
所述稀土元素的加入量为0.02wt%-0.077wt%。
所述稀土元素为Ce。
所述超级奥氏体不锈钢为铬含量为20wt％，镍含量18wt％，钼含量为6wt%、且含有NCuMnSi。
所述稀土元素的加入方式为采用还原铁粉包裹稀土元素压块，稀土元素纯度为99.99%。
所述方法得到的超级奥氏体不锈钢的中晶界的平均硬度值为255HV。
实施例1
一种Fe-20Cr-18Ni-6Mo-0.2N-0.7Cu-0.5Mn-0.35Si-0.01C超级奥氏体不锈钢，其余为少量的 P和S等杂质，利用电炉冶炼钢水后，并加入质量比0.02%的Ce，钢水铸成钢锭，并制备定向凝固样品。在区域熔炼定向凝固炉中1500℃熔化钢样，并以15μm/s和65μm/s的抽拉速度，得到稳定生长的柱状枝晶组织。以上工艺可以有效的将超级奥氏体不锈钢柱状晶晶界第二相由σ相转变为铁素体相。图1为枝晶截面EBSD相分布图。
实施例2
Fe-20Cr-18Ni-6Mo-0.2N-0.7Cu-0.5Mn-0.35Si-0.01C超级奥氏体不锈钢，其余为少量的P和S等杂质，利用电炉冶炼钢水后，并加入质量比0.077%的Ce，控制降温速度为5℃/min钢水炉内缓慢冷却，以获得等轴晶组织。以上工艺可以有效的将超级奥氏体不锈钢等轴晶晶界第二相由σ相转变为铁素体相。图2为等轴晶截面EBSD相分布图。
实施例3
一种Fe-20Cr-18Ni-6Mo-0.2N-0.7Cu-0.5Mn-0.35Si-0.01C超级奥氏体不锈钢，其余为少量的 P和S等杂质，利用电炉冶炼钢水后，并加入质量比0.04%的Ce，钢水铸成钢锭，并制备定向凝固样品。在区域熔炼定向凝固炉中1500℃熔化钢样，并以35μm/s的抽拉速度，得到稳定生长的柱状枝晶组织。以上工艺可以有效的将超级奥氏体不锈钢柱状晶晶界第二相由σ相转变为铁素体相。
实施例4
一种Fe-20Cr-18Ni-6Mo-0.2N-0.7Cu-0.5Mn-0.35Si-0.01C超级奥氏体不锈钢，其余为少量的P和S等杂质，利用电炉冶炼钢水后，并加入质量比0.047%的Ce，控制降温速度为3℃/min钢水炉内缓慢冷却，以获得等轴晶组织。以上工艺可以有效的将超级奥氏体不锈钢等轴晶晶界第二相由σ相转变为铁素体相。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种超级奥氏体不锈钢凝固组织σ相变性的方法，其特征在于，该方法通过在钢中加入微量的稀土元素，通过控制钢水的降温速度或定向凝固的抽拉速度，在奥氏体不锈钢凝固末期，促进钢液中铁素体提前析出，减少残余液相中Mo和Cr的含量以避免σ相的析出，得到第二相由σ相转变为铁素体相的超级奥氏体不锈钢，该方法的具体步骤为：
首先，将超级奥氏体不锈钢熔化后，加入微量的稀土元素搅拌均匀；
其次，控制降温速度为3℃/min 或5℃/min将钢水炉内缓慢冷却，以获得等轴晶组织，得到等轴晶晶界第二相由σ相转变为铁素体相的超级奥氏体不锈钢；
所述超级奥氏体不锈钢为铬含量为20wt％，镍含量为18wt％，钼含量为6wt%、且含有NCuMnSi。
2.一种超级奥氏体不锈钢凝固组织σ相变性的方法，其特征在于，该方法通过在钢中加入微量的稀土元素，通过控制钢水的降温速度或定向凝固的抽拉速度，在奥氏体不锈钢凝固末期，促进钢液中铁素体提前析出，减少残余液相中Mo和Cr的含量以避免σ相的析出，得到第二相由σ相转变为铁素体相的超级奥氏体不锈钢，该方法的具体步骤为：
首先，将超级奥氏体不锈钢熔化后，加入微量的稀土元素搅拌均匀；
其次，钢水铸成钢锭，并制备定向凝固样品，在区域熔炼定向凝固炉中再熔化样品，并以15μm/s 、35μm/s 或65μm/s的抽拉速度，得到稳定生长的柱状枝晶组织，得到柱状晶晶界第二相由σ相转变为铁素体相的超级奥氏体不锈钢；
所述超级奥氏体不锈钢为铬含量为20wt％，镍含量为18wt％，钼含量为6wt%、且含有NCuMnSi。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述稀土元素的加入量为0.02wt%-0.077wt%。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述稀土元素为Ce。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述稀土元素加入方式为采用还原铁粉包裹稀土元素压块，稀土元素纯度为99.99%。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法得到的超级奥氏体不锈钢中的晶界的平均硬度值为 255HV。
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