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      錳(Mn)在不銹鋼中的作用研究

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      人氣:-發表時間:2016-10-11 10:07【

      1 錳對奧氏體不銹鋼的影響

      在鉻鎳奧氏體不銹鋼中,錳含量一般規定不超過2%,正常生產中多控制在1.5%左右。而在近期發展的高氮奧氏體不銹鋼中,為了提高氮的溶解度,目前出現高錳含量(5%—10%)的鉻鎳奧氏體不銹鋼。在節鎳奧氏體不銹鋼中,錳是非常重要的合金元素,其主要作用是與氮、鎳等強烈形成奧氏體的元素復合加入到鋼中,以節約奧氏體不銹鋼中的鎳。

      (1)錳對組織的影響
      錳是比較弱的奧氏體形成元素,但具有強烈的穩定奧氏體的作用。當鋼中鉻含量大于14%—15%時,為了節約鎳,僅靠加入錳是無法獲得單一奧氏體組織的。由于不銹鋼中鉻含量必須大于17%才能有比較滿意的耐蝕性,因此目前工業上已應用并納入標準的錳代鎳奧氏體不銹鋼主要是Cr-Mn-Ni-N型鋼,如1Cr17Mn6Ni5N和1Cr18Mn8Ni5N等。
      研究表明:鋼種錳含量小于2%時,錳含量的變化對常用鉻鎳奧氏體不銹鋼的組織(包括奧氏體的穩定性)沒有明顯影響。

      (2)錳對性能的影響
      鉻鎳奧氏體不銹鋼中,隨著錳含量增加強度提高,在無鎳的Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼中低溫下會出現韌性—脆性轉變。這些與鉻鎳奧氏體不銹鋼有極大的不同。當Cr-Mn-N鋼中有鎳存在時,其低溫韌性可獲得明顯改善。這說明,僅有錳和氮無鎳的奧氏體不銹鋼(鉻錳氮鋼)無法獲得鉻鎳奧氏體不銹鋼那樣優良的低溫韌性。
      錳在鉻鎳奧氏體不銹鋼中的作用除脫氧外,一是希望它能穩定奧氏體;二是能改善鋼的熱塑性,三是借助錳和硫的較強親和力形成硫化錳,既有利于鋼中硫的去處,又有利于消除鋼中殘余硫的有害作用。但是進一步的研究表明,錳在鋼中的存在,正是由于硫化錳的形成,常導致鉻鎳奧氏體不銹鋼耐氯化物點腐蝕和縫隙腐蝕的能力下降。國內在一系列研究工作的基礎上,一些特殊鋼廠已把18Cr-8Ni型奧氏體不銹鋼中的錳含量降到了1.0%以下,實際控制在0.5%左右。這樣不僅節約了鋼中的錳,而且降低了鋼中硫化錳含量,提高了鋼的耐點蝕能力。
      研究表明,向鉻鎳奧氏體不銹鋼中加入2%以上的錳,除對于一些焊接材料(焊絲、焊帶等)是為了提高焊縫的抗熱烈傾向外(一般加入3%—7%錳),對其耐蝕性并沒有什么有益影響,在某些條件下甚至是有害的。
      至于以錳代鎳的節鎳和無鎳奧氏體不銹鋼,其耐蝕性主要取決于鋼中的鉻、鎳、鉬和氮等元素的含量,而錳作用甚微,這是由錳本身的耐蝕特性所決定的。目前出現了向高Cr-Ni-Mo奧氏體不銹鋼中加入3%—10%錳以提高氮在鋼中的溶解度(常壓下氮量可達0.5%),從而使此類鋼在高Cr(20%—25%),高Mo(5%—8%)條件下仍具有單一的奧氏體組織并抑制有害鉻氮化物的析出,且耐蝕性可達到甚至超過一些高鎳耐蝕合金的水平。此類鋼的出現填補了長期以來不銹鋼與高鎳耐蝕合金之間缺少高耐蝕性、高牌號的高鉻鉬不銹鋼的空白。代表性牌號有00Cr24Ni22Mo7Mn3CuN0.5(654SMo)

      2 錳對奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼的影響
      在Cr-Ni奧氏體不銹鋼中,鋼中錳量降低(<2%以后),鋼的耐蝕性能提高。研究錳>2%時,對0Cr25Ni5Mo3雙相不銹鋼的組織和性能的影響,但當鋼中錳量達約8%時,也沒有觀察到鋼中γ相量有任何變化。Mn對鋼的強度,塑性也沒有明顯的影響,僅當Mn≥5%后,鋼的硬度有所提高,這與鋼中σ相及其它析出相的存在有關;在750-950℃時效,Mn有強烈促進σ相形成的作用并顯著降低鋼的韌性;隨鋼中錳量增加,其耐點蝕性能下降,這些性能的下降與MnS的形成或σ相析出,鉻的貧化有關。
      為了使Cr-Mn-N(-Ni)系不銹鋼獲得純奧氏體組織,一般需要更高的Mn,Ni,N等元素的含量。而獲得α+γ雙相組織結構,則所需的Mn,Ni,N元素的含量相對較少,鋼的成本也相對較低,同時,還可具有α+γ雙相不銹鋼的一些特性。這也是Mn在雙相不銹鋼中的重要作用。

      3 鉻錳不銹鋼的發展前景
      鉻錳不銹鋼是一種比較適合現階段中國國情的廉價經濟型不銹鋼,它節鎳、經濟、性價比高、質量也不錯。如牌號1Cr17Mn6Ni5N   含Mn5.50 % ~ 7.50 %、Ni3.50 %~ 5.50 % , 1Cr18Mn8Ni5N 含Mn7.50 %~10.00 %、Ni4.00   %~6.00 %。鉻錳不銹鋼主要用于消費品領域,比目前大量使用的鉻鎳不銹鋼節鎳3 %~5 % ,在當前鎳價情況下,節約成本30   %左右,故其價格較低,更受歡迎,質量和功能也能滿足一般的使用要求,幾乎所有的一般食品器皿、櫥衛設備及用具、建筑裝潢裝飾等制品、消費品領域都可使用。在弱介質腐蝕條件下可以部分替代鉻鎳不銹鋼,如201   、202 分別替代301 、302 , 204Cu 和211 替代304   ;在無腐蝕或弱腐蝕條件下,在裝飾、城建等重點使用其美觀功能的應用領域也非常廣泛。而且隨著我國經濟的發展、人們生活水平的提高和巨大農村市場的開拓,其應用領域和消費量還會進一步增加。
      Cr-Ni-Mn-N奧氏體不銹鋼是20世紀三四十年代開始廣泛研究的不銹鋼種類。其初的目的主要是將奧氏體形成元素N、Mn加入鋼中,以替代貴重金屬Ni,從而節約資源,解決Ni資源匱乏的問題。隨著冶金技術的發展,到20世紀六七十年代,加壓冶金技術的出現,使得常壓下在鋼中溶解度很小的N能更多地加入鋼中,目前已可以加到2.3%。N加入的主要作用一是顯著提升鋼的力學性能,二是明顯增加鋼耐局部腐蝕的能力。
      和Cr-Ni奧氏體不銹鋼相比,Cr-Ni-Mn-N奧氏體不銹鋼大的區別是大量地加入了臺金元素Mn、N,從而帶來了一系列的性能變化。N在不銹鋼中的加入,之所以引起人們極大的關注,主要跟其在不銹鋼中的作用緊密相關。研究表明,N是非常強烈地形成并穩定輿氏體且擴大奧氏體相區的元素。據估算,1kgN相當于6~22kgNi。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。在鎳當量的計算公式中,Simmons等人提出的較為精確:
      Nieq   =Ni+0.12Mn-0.0086Mn2+30C+18N+0.44Cu
      從中可以看出,N對不銹鋼基體組織的影響是相當強烈的。N的這種作用使其在不銹鋼中可以代替部分Ni,降低鋼中的鐵素體含量.可以使奧氏體更穩定,防止有害金屬間相的析出,甚至在冷加工條件下可避免出現馬氏體轉變。
      N對不銹鋼力學性能的影響,突出表現為:N在顯著提高不銹鋼強度的同時,并不降低材料的塑韌性,這為研究高強高韌鋼提供了途徑。工業用鋼表明,N的加入,使不銹鋼的強度比不含N的鋼提高2~3倍。此外,N也提高不銹鋼的抗蠕變、疲勞、磨損能力。N提高屈服強度主要有四個途徑:固溶強化;晶粒尺寸效應;形變硬化;沉淀硬化。N對不銹鋼耐蝕性能的有益作用表現在耐晶間腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕。N對晶間腐蝕的影響比較復雜,一般認為,N含量在0.16%以下,對耐晶間腐蝕有益。N對晶間腐蝕的作用機理主要有:N延緩富Cr碳化物的形核和長大過程;降低Cr在鋼中的活性;形成氯化鉻沉淀,減少Cr的析出。相比之下,N對點腐蝕、縫隙腐蝕的有益作用更為明顯。Wirksumme點蝕當量公式很好地表述了氮在這方面的良好作用:
      PRE=%Cr+3.3%Mo+16%N
      Grabke報道了氮對臨界點蝕溫度(CPT)和臨界縫隙腐蝕溫度(CCT)的影響:
      CPT(℃)=2.5%Cr+76%Mo+31.9%N-41
      CCT(℃)=3.2%Cr+76%Mo十10.5%N-81
      為了提高N的溶解度,Mn元素被大量加入。在節鎳奧氏體不銹鋼中,Mn是非常重要的合金元素,其主要作用是與強烈形成奧氏體的元素N復合加入到鋼中,以節約奧氏體不銹鋼中的Ni。Mn是比較弱的奧氏體形成元素,但具有強烈穩定奧氏體的作用。Cr-Ni奧氏體不銹鋼中,隨著Mn含量增加強度提高。在無Ni的Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼中低溫下會出現韌脆轉變現象。
      以Mn、N代Ni的節Ni和無Ni奧氏體不銹鋼,其耐蝕性主要取決于鋼的Cr、Ni、Mo、N等元素的含量,而Mn的作用甚微。目前研制成熟的鋼種主要有200系列以及Armco公司的Nitronic系列。還有一些鋼種也在廣泛研究中。



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