不锈钢的晶粒细化工艺.docx

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1、不锈钢的晶粒细化工艺摘要：采纳本恩提出的方法进行相应的微合金化理论设计，在Cr30Mo高碳 铁素体不锈钢中加入适量的铝，由铸造凝固过程中沉淀析出的碳氮化铝有效阻挡 基体晶粒长大，可使基体晶粒尺寸由无锡时的100|im左右细化至20m以下, 使钢材脆性断裂倾向明显降低，从而使铸造生产成品率显著提高，生产本钱明显 下降，同时使其在磷化工生产条件下的使用寿命明显提高。关键词:高碳铁素体不锈钢；铝微合金化；晶粒尺寸掌握；脆性断裂；成产成品率1刖B许多化工生产流程中所涉及的流体介质除具有较高的腐蚀性外，还存在大量 的固体颗粒于其中而造成显著的腐蚀磨损，因而对相应的化工设施及零件的材料 的性能要求除需保持

2、适当的耐蚀性外，还要求具有很高的耐磨性。磷化工设施关 键零件如各种叶轮、泵阀所用材料对耐磨性的要求明显高于对耐蚀性的要求口。Cr30Mo高碳铁素体不锈钢是近年来研制开发的具有高耐磨性和适当耐蚀 性的钢种2,其碳含量一般为0.8-1.0%,其基体组织从凝固至室温均保持为铁 素体，冷却过程中所形成的各种合金碳化物如Cr7c3、Cr23c6、Mo2C等可使 钢材明显硬化而具备较高的耐磨性，同时由于可采纳高碳铝铁作为生产原料而使 其生产本钱明显降低。由于碳含量较高且基体无固态相变，因而Cr30Mo高碳铁素体不锈钢的脆 性特别严峻，目前国内引进法国技术的最高铸造生产成品率为35%0为了提高Cr30Mo高

3、碳铁素体不锈钢的韧性和生产成品率，我们在钢中添 加了适量的铝，采用碳氮化铝在高温下阻挡晶粒长大的作用，明显细化了晶粒, 降低了脆性断裂倾向，铸造生产成品率提高到80%以上。本文将介绍相关的设 计原理和应用状况。2其次相阻挡晶粒长大原理与高碳铁素体不锈钢铝含量的设计晶粒细化是钢铁材料中重要的韧化方式。铁素体不锈钢的基体组织从凝固至 室温均保持为铁素体，没有固态多形性相变发生，不行能通过固体多形性相变细 化晶粒；而高碳铁素体不锈钢由于脆性很大，只能在铸造态使用，故也不能通过 塑性变形后的再结晶相变来细化晶粒。因此，唯一的通过晶粒细化改善韧性的工 艺方法是掌握高温下晶粒的粗化。钢中其次相粒子阻挡晶粒

4、粗化的基本原理是由Zener首先定量分析考虑的, 而Gladman那么详尽分析了解钉时的能量变化从而得到了当其次相为匀称分布的 球形粒子时晶界解钉的判据为3：式中D0为晶粒的平均等效直径，d和/分别为其次相的平均直径和体积 分数，Z=DM/D0是晶粒尺寸不匀称性因子即最大晶粒的直径（DM）与平均晶 粒直径（。0）的比值。晶粒正常长大时，Z值在约为1.7,而Hillert的缺陷理 论指出4,晶界的钉扎将在两个水平上发生，相应的Z值为3和9,正常晶 粒长大在两个水平的较低水平处停止，而反常晶粒长大可持续到上一水平。由此, 为保证肯定晶粒尺寸的基体晶粒不发生粗化，就必需存在足够体积分数的平均尺 寸足

5、够小的其次相粒子。Cr30Mo高碳铁素体不锈钢的铸造凝固温度在1400-1300,最终完全凝固 温度大致在1250C,此时就必需严格掌握晶粒的粗化。该温度下合金元素铭基本 完全处于固溶态，铝的碳化物尺寸较大因而掌握晶粒粗化的力量较弱。由于微合金碳氮化物特殊是碳氮化钛和碳氮化铝可在相当高的温度下仍保 持足够细小的尺寸，可在较小的体积分数下取得明显的阻挡晶粒长大的效果，因 而在许多钢种中均采纳添加微合金元素来掌握高温下的晶粒尺寸。但钛由于易于 形成氧化物和液析氮化钛，相对难于精确掌握，故我们确定采纳碳氮化银来掌握Cr30Mo铁素体不锈钢的高温晶粒粗化。依据高温下其次相的Ostwald熟化理论的计算

6、和实际试验结果5, 1250C 温度四周持续数分钟时间后碳氮化铝的平均尺寸d仍可保持在20nm以下，假设 需掌握基体晶粒尺寸DO在20|im （8级晶粒度），那么由式（1）取Z值为3, 可计算出需要的碳氮化铝的体积分数/为0.0436%,换算成重量百分数W为 0.0432 （铁基体和碳氮化铝的密度分别为7.87、7.80g/cm3） o由于Cr30Mo钢的碳含量很高，碳氮化铝的化学组成式特别接近于纯的碳 化锯，而由于碳原子缺位的原因，其化学组成式应为NbCO.875,为计算简便起 见，可按NbC0.875在铁素体中的固溶度积公式及碳化铝中铝与碳的重量比 值必需满意抱负化学配比来计算1250C时

7、的固溶银量和碳化铝的重量分数3试验结果与分析1.1 试验用钢化学成分试验用钢化学成分见表1,同时选取了不含铝的两炉钢进行比照。表1试验用钢化学成分钢号CCrNiMoCuRENb8Cr30Mo0.8028.51.521.811.420.158Cr30MoNb0.7928.61.601.821.430.150.1210Cr30Mo1.0128.61.551.831.460.1510Cr30MoNb0.9928.51.531.801.410.150.121.2 冶炼铸造及热处理工艺试验采纳150kg工业感应炉及相应的铸造工艺设施、热处理设施进行了冶炼、 铸造及热处理工艺试验，最终确定的主要工艺参量与

8、目前大多数铸造厂所采纳的 工艺参量基本相同。冶炼工艺参量主要包括加料挨次及加料预热工艺、熔化温度及熔炼时间、掌 握脱氧效果从而掌握杂质及气体残留量的工艺。铸造工艺参量主要包括铸型设计、浇铸温度、冷却方式、开箱温度等。热处理工艺参量主要包括固溶温度、固溶时间、冷却方式、低温沉淀保温温 度及保温时间等。1.3 晶粒尺寸测定结果与分析对铸造态及热处理态的基体晶粒尺寸进行了测试，结果见表20由测试结果 可看出，后续热处理基本不转变基体晶粒尺寸，这是与钢材基体无固态多形性相 变相适应的；而添加锅可使基体晶粒尺寸明显细化，由无铝钢的100pm （3-4级 级晶粒度）左右细化至20|im （8级晶粒度）以下

9、；此外，钢中碳含量的上升也 可使晶粒尺寸略微细化，这是由于碳含量上升后导致沉淀析出或未溶碳化物量适 当增加所致。表2试验用钢晶粒尺寸测定结果铸造态热处理态晶粒尺寸，pirn晶粒度，ASTM.No晶粒尺寸，pim晶粒度，ASTM.No8Cr30Mo108311238Cr30MoNb19819810Cr30Mo844983.510Cr30MoNb178.5188试验结果说明，本文所采纳的理论计算方法和微合金化成分设计方法是有效 的，试验结果与理论设计计算结果完全吻合试验结果还说明，由于凝固相变初始晶粒尺寸的限制，而微合金碳氮化物的 存在仅能掌握晶粒的长大并不能使原有的晶粒变小，因而采纳微合金化只能

10、使铁 素体不锈钢的晶粒尺寸被掌握在17-1印m而使之不粗化，要进一步细化晶粒尺 寸是不行能的。当然，现在所能掌握的晶粒尺寸对于铁素体不锈钢的工业生产应 用已足够满意使用需求了。最终，为验证本文所述的理论设计计算方法的有效性，我们还冶炼了一炉 0.2%碳含量的Cr30MoNb钢并进行相应的晶粒尺寸测试试验，结果说明其晶粒 尺寸并不能细化，仍为lOORm左右。而由式（2）进行相应的计算说明，此时在1250c温度下的平衡固溶锯量N切约为0.07668o考虑到凝固过程较为快速而不 能到达平衡，因而实际固溶锯量将可能在0.09%以上，形成碳化铝的锯量将小于 0.03%,碳化铝的体积分数不能满意阻挡17-

11、19pim的基体晶粒长大的需要，因 而基体晶粒粗化行为将与无银钢类似。由此，由于凝固过程很难快速到达平衡, 因而在微合金化设计时适当的过度设计对于保证获得需要的掌握晶粒尺寸效果 是必需的。1.4 铸造生产成品率试验结果与分析在一小型铸造厂进行了工业化试生产工作，无银钢冶炼了各2炉(200 kg/ 炉)并浇铸典型零件铸件各10件(单件铸件重约40 kg)；含铝钢冶炼了各8 炉并浇铸典型零件铸件各40件。拆箱后清理，热处理，机加工，过程中觉察开 裂的工件即报废，以最终加工出的零件数除于浇铸零件数作为生产成品率。测定 结果见表3,可以看出，含铝钢铸件由于晶粒细化导致韧性提高，在铸造过程及 其后的热处

12、理和机加工过程中发生脆性断裂的倾向大大减轻，从而显著地提高了 生产成品率。铸造生产成品率的显著提高由于显著地削减了回炉熔炼的能源消耗、合金烧 损、模型制作费用和大量的人工费用而使生产本钱明显降低。表3生产成品率测定结果钢号铸件数成品数成品率，%备注8Cr30Mo10440加工中断裂1件8Cr30MoNb40389510Cr30Mo10330加工中断裂1件10Cr30MoNb403587.51.5 实际使用试验结果与分析将铸造生产的料浆泵叶轮毛坯进行机加工后，在云南磷肥厂磷酸萃取槽中进 行实际装机试验，试验条件为：料浆液固比为2.577： 1,液相比重为1.346,溶 液主要组成为25-30%P

13、2O5,工作性能参数为：流量Q=30m3/h,扬程H=30m,转速n=970rpm,功率 N=18.5kW。工作介质腐蚀性较强，且有大量固相硬质颗粒存在，叶轮的主要失 效方式为腐蚀介质作用下的磨损。装机使用考核试验结果见表4。表4生产使用考核试验结果钢号平均使用寿命，hr主要失效形式备注316L300-800磨损厂方供应的测试数据8-10Cr30Mo750-1500脆性断裂国产件，厂方供应的测试数据CAA725 （日本）1650磨损厂方供应的测试数据8Cr30MoNb2120磨损本次试验结果由生产使用试验结果可知，在磷化工生产条件下，目前所使用的钢铁材料的 主要失效方式是腐蚀磨损，提高材料的耐

14、磨性对于提高其使用寿命更为重要，因 此，磷化工行业已在近期确定了主要过流部件必需采纳Cr30Mo高碳铁素体不 锈钢制作。然而，由于Cr30Mo高碳铁素体不锈钢的脆性很大，实际使用中大量发生 脆性断裂，故未能充分发挥其耐磨性。而通过铝微合金化后有效掌握凝固过程中 基体晶粒的粗化可明显减轻脆性断裂倾向从而明显提高其使用寿命。4结论1、在Cr30Mo高碳铁素体不锈钢中适量添加银，可通过铸造凝固过程中沉淀析 出的碳氮化铝有效阻挡基体晶粒长大，使基体晶粒尺寸由无铜时的100|im 左右细化至20pm以下。2、由于晶粒明显细化可使Cr30Mo高碳铁素体不锈钢的脆性断裂倾向明显降 低，从而使其铸造生产成品率

15、显著提高，生产本钱明显下降，同时使其在磷 化工生产条件下的使用寿命明显提高。3、Cr30Mo高碳铁素体不锈钢中加银掌握晶粒长大，可采纳本文提出的理论计 算方法进行相应的理论设计。参考文献1樊爱民，陶子云，龙晋民，廖伦诗，孙勇.不锈钢冲刷磨损影响因素及机理研讨，兵器材料科学与工程，1994 (1) ： 33-38.2程莲萍，雍岐龙，张国亮.磷酸料浆泵叶轮用新型铁素体不锈钢的研制，昆明理工高校学报，2002 (2) ： 36-39.3 Gladman T On the Theory of the Effect of Precipitate Particles on Grain Growth in Metals, Proc. Roy. Soc. 1966, 294A: 298 309.4 Hillert M Acta Metal., 1965,13: 227-235.5雍岐龙，马鸣图，吴宝榕.微合金钢一物理和力学冶金.北京：机械工业出版社，1989： 252.6郑鲁，雍岐龙，孙珍宝.碳化银在微合金钢中的溶解.金属学报，1987, 23 (6) ： B277282.