氮含量對06Cr19Ni10不銹鋼組織和性能的影響

  浙江至德鋼業有限公司采用10kg中頻真空感應爐冶煉不同氮、鎳含量的06Cr19Ni10不銹鋼，研究增氮降鎳對06Cr19Ni10不銹鋼組織和力學性能的影響。結果表明，當氮含量在0～0.28％、鎳含量在5.98％～9.63％之間時，其顯微組織仍為單一奧氏體，且其晶粒尺寸隨著氮含量的增大而降低，但惡化了其沖擊韌度，室溫沖擊吸收功從氮含量為０時的267J降低到氮含量為0.28％時的228J；洛氏硬度、抗拉強度和屈服強度均隨氮含量的增大而提高；氮含量為0.28％時，06Cr19Ni10不銹鋼具有最優的力學性能，洛氏硬度（HRB）為95.4、抗拉強度為814MPa、屈服強度為437MPa、伸長率為52.5％。

 鎳是奧氏體不銹鋼主要的奧氏體化元素，主要作用是形成并穩定奧氏體組織，使不銹鋼具有較好的強度及塑性。臨床數據表明，鎳是一種潛在的致敏因子，對生物體有致畸、致癌的潛在危害；同時，鎳成本較高，因此，研發其他元素代替鎳或者減少鎳含量的奧氏體不銹鋼不僅可以降低成本，而且可提高產品的使用安全，尤其是在生物醫用領域。近年來，低鎳或無鎳奧氏體不銹鋼得到了迅速的發展。至德鋼業研發的Cr18Mn6Ni4N奧氏體不銹鋼可替代304不銹鋼；吳浩等研發的新型高氮低鎳奧氏體不銹鋼，氮含量為0.75％，鎳含量僅為1.67％，性能達到800H鋼的指標。分別對高氮無鎳奧氏體不銹鋼的力學性能、時效工藝、熱變形工藝進行了研究，為無鎳不銹鋼的研發提供了參考數據。氮、錳配合替代一部分鎳，是冶煉低鎳不銹鋼行有效的方法，氮是強烈的奧氏體形成元素，其形成并穩定奧氏體的能力約是鎳的30倍。因此，以氮代鎳來研發節約型不銹鋼成為了研究熱點。

 18-8型不銹鋼因其具有優異的綜合性能，用途十分廣泛，且在此基礎之上，添加碳、鉬、鈦、鈮、銅等元素可獲得不同性能要求的新鋼種，其產量約占奧氏體不銹鋼粗鋼總量的80％左右。本課題以06Cr19Ni10不銹鋼為研究對象，研究了增氮降鎳對其顯微組織和力學性能的影響，為研發節約型不銹鋼提供參考。

一、試驗材料及方法

 試驗原料為工業純鐵、氮化鉻、氮化錳、金屬錳、低碳錳鐵、低碳鉻鐵、金屬鎳等，采用10kg中頻真空感應爐冶煉，以添加氮化鉻和氮化錳的方式實現鋼中增氮，為防止合金化過程中氮元素逸出，全程通入高純氮氣氣常壓冶煉。將所得鑄錠（70ｍｍ×150ｍｍ）以10℃/s加熱至1200℃、保溫1小時后，用400kg氣錘鍛造成尺寸為25ｍｍ×25ｍｍ的方坯，終鍛溫度不低于900℃，鍛后空冷。采用直讀光譜儀檢測試驗鋼成分；用氧氮儀檢測氮含量。

采用正交試驗法制定不同的固溶處理工藝，并用蔡司顯微鏡觀察組織，并用軟件測量晶粒尺寸，探討氮對試驗鋼顯微組織的影響；用型洛氏硬度計測試試驗鋼硬度值（HRB，壓頭直徑為1.588ｍｍ，鋼球）；按照GB/T229-2007 進行夏比擺錘沖擊試驗，試樣尺寸為10ｍｍ×10ｍｍ×55ｍｍ，V型缺口深度為2ｍｍ，在沖擊試驗機進行室溫（20℃）沖擊試驗，擺錘角度沿垂直方向150°自由下擺，斷后用掃描電鏡觀察斷口形貌；采用ＷＤＷ電子萬能拉伸試驗機，拉伸速度為3mm/min，棒狀啞鈴試樣。

二、試驗結果與討論

 1. 溫度、時間及氮含量對試驗鋼顯微組織的影響

 圖為1、2、3號試樣在1000、1050、1100℃分別保溫1、2小時固溶處理后的顯微組織?？梢钥闯?，增氮降鎳后的06Cr19Ni10不銹鋼在不同固溶處理參數下均呈現出單一的奧氏體組織，但晶粒尺寸有所不同。從圖３可以看出，在同一保溫時間下（如1小時），試樣中奧氏體晶粒大小隨固溶溫度的升高而變大、變均勻，在同一固溶溫度下，奧氏體晶粒尺寸隨保溫時間的延長而增大。由于奧氏體晶粒長大與原子擴散有密切關系，所以隨著溫度升高，或在一定溫度下，保溫時間越長，奧氏體晶粒也越粗大。在1000℃×１小時，對比圖可清晰地看出，奧氏體晶粒尺寸隨著氮含量的增大而降低（晶粒尺寸分別為39.82、35.03、30.45μｍ），這是由于增氮后，析出的氮化物彌散分布在晶界上，阻礙了晶粒的長大，而鎳對奧氏體晶粒的長大影響很小。

 2. 晶粒尺寸影響因素的正交分析

 用軟件測量圖中所有晶粒尺寸，并取平均值，以晶粒尺寸大小作為考核指標進行正交分析，各因素與水平見表。在正交表中填入晶粒尺寸，進行極差分析，結果見表。從表可以看出，各影響因素對晶粒尺寸的影響秩序依次為：固溶處理溫度、保溫時間、氮含量。結合正交表可得，固溶處理時晶粒尺寸最小，即1000℃×1小時，氮含量為0.28％時，晶粒最小。

 極差分析較為簡單、直觀，只需進行少量計算，便可明確影響因素的主次順序，但無法判斷各個因素水平所對應的試驗結果間的差異究竟是由因素水平不同所引起的，還是由試驗誤差所造成的；各影響因素對試驗結果影響的大小亦無法給出精確的估計。故需要進行方差分析，進一步確認各影響因素對晶粒尺寸的影響情況，結果見表?？梢钥闯?，固溶溫度的Ｆ值最大，說明固溶溫度對晶粒尺寸的影響最為顯著，保溫時間次之，氮含量最小，方差分析結果與極差分析的結果一致。

 3. 增氮降鎳對洛氏硬度的影響

 圖為不同氮含量下不銹鋼的洛氏硬度?？梢钥闯?，洛氏硬度隨著氮含量的增大而提高；在氮含量為0.24％時，硬度值已超過國標。氮加入鋼中后，晶粒尺寸變小，致使晶界增多，位錯運動過程中受到的阻力增大，進而提高硬度；硬度與金屬鍵的強弱有關，氮是非金屬元素，滲入鐵中與鐵原子形成共價鍵，由于氮原子半徑很小，形成的共價鍵很強，因此可以提高其硬度。

 4. 增氮降鎳對室溫沖擊性能的影響

 圖為不同氮含量下不銹鋼室溫（20℃）的沖擊性能?？梢钥闯?，氮含量０時沖擊功為267Ｊ，氮含量為0.24％時為228Ｊ。圖為試樣沖擊斷口顯微形貌，可清晰地看到，組織中存在密度較低的大韌窩和密度較高的二次小韌窩，韌窩為圓形或橢圓形，表明試樣的斷裂方式為塑性斷裂。同時可看到，圖中韌窩的尺寸及數量均存在差異，1號試樣韌窩尺寸較大、韌窩較深，而韌窩越大越深，表明材料的沖擊韌度越好。2號試樣粗大韌窩所占比例大約為1/3，其余為密度較高的二次小韌窩；從圖看出，斷口形貌，韌窩尺寸較小且深度也較淺。對比圖可得，隨著氮含量增大，斷口韌窩尺寸變小且韌窩深度變淺，不銹鋼的沖擊韌度降低。

 5. 增氮降鎳對力學性能的影響

 表為不同氮含量下不銹鋼的室溫力學性能。由表可見，除斷面收縮率小于國標值外，其抗拉強度、屈服強度以及伸長率均符合國標要求；氮含量最高的４號試樣，抗拉強度較1號試樣和國標分別提高了18％和57％，屈服強度分別提高了30％和114％，由此可見，隨著氮含量的增大，抗拉強度、屈服強度顯著提高。然而，伸長率由65.3％降低到52.5％；斷面收縮率由54.5％降低到52.6％。

 圖為不同氮含量的試樣拉伸斷口顯微形貌?？梢钥吹?，組織中存在大量韌窩，表現出良好的韌性，斷裂方式為韌性斷裂。圖韌窩較深，分布不均；氮加入后，可見圖中韌窩數量明顯比圖少，且韌窩深度淺；因此氮降低了塑性。

三、結論

 1. 增氮降鎳后的06Cr19Ni10不銹鋼，氮含量在0～0.28％、鎳含量在5.98～9.63％時，其顯微組織仍為單一奧氏體，且晶粒尺寸隨著氮含量的增大而降低；各影響因素對晶粒尺寸的影響秩序為：固溶處理溫度、保溫時間、氮含量；在1000℃、保溫1小時固溶處理條件下，晶粒尺寸由氮含量為０時的39.82μｍ降至氮含量為0.28％時的30.45μｍ，且晶粒變得更加均勻。

 2. 06Cr19Ni10不銹鋼增氮降鎳后，氮惡化了不銹鋼的沖擊韌度，室溫沖擊吸收功從氮含量為０時的267Ｊ降低到氮含量為0.28％時的228Ｊ；氮含量為0.28％時，06Cr19Ni10不銹鋼獲得最優的綜合力學性能，洛氏硬度（HRB）為95.4、抗拉強度為814MPa、屈服強度為437MPa、伸長率為52.5％。