不锈钢的晶粒细化工艺

1、不锈钢的晶粒细化工艺摘要：采用本恩提出的方法进行相应的微合金化理论设计，在Cr30M o高碳 铁素体不锈钢中加入适量的铌，由铸造凝固过程中沉淀析出的碳氮化铌有效阻止 基体晶粒长大，可使基体晶粒尺寸由无铌时的100pm左右细化至20pm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，生产成本明显 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；铌微合金化；晶粒尺寸控制；脆性断裂；成产 成品率1前言很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备及零件的材料 的性能要求除需

2、保持适当的耐蚀性外，还要求具有很高的耐磨性。磷化工设备关 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1。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，同时由于可采用高碳铬铁作为生产原料而使 其生产成本明显降低。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十分严重，目前国内引进法国技术的最高铸造生产成品率为 35%。为了提

3、高 Cr30Mo 高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铌，利用碳氮化铌在高温下阻止晶粒长大的作用，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 计原理和应用情况。2第二相阻止晶粒长大原理与高碳铁素体不锈钢铌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，不可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 艺方法是控制高温下晶粒的粗化。钢

4、中第二相粒子阻止晶粒粗化的基本原理是由 Zener 首先定量分析考虑的， 而Gladman则详尽分析了解钉时的能量变化从而得到了当第二相为均匀分布的 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 f 分别为第二相的平均直径和体积 分数，Z=DM/D0是晶粒尺寸不均匀性因子即最大晶粒的直径（DM）与平均晶 粒直径（DO）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， 为保证一定晶粒尺寸的基体晶粒不发

5、生粗化，就必须存在足够体积分数的平均尺 寸足够小的第二相粒子。Cr30Mo高碳铁素体不锈钢的铸造凝固温度在1400-1300C,最终完全凝固 温度大致在1250C，此时就必须严格控制晶粒的粗化。该温度下合金元素铬基本 完全处于固溶态，钼的碳化物尺寸较大因而控制晶粒粗化的能力较弱。由于微合金碳氮化物特别是碳氮化钛和碳氮化铌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止晶粒长大的效果，因 而在很多钢种中均采用添加微合金元素来控制高温下的晶粒尺寸。但钛由于易于 形成氧化物和液析氮化钛，相对难于准确控制，故我们确定采用碳氮化铌来控制 Cr30Mo 铁素体不锈钢的高温晶粒粗

6、化。根据高温下第二相的 Ostwald 熟化理论的计算和实际实验结果5， 1250C 温度附近持续数分钟时间后碳氮化铌的平均尺寸 d 仍可保持在 20nm 以下，若 需控制基体晶粒尺寸D0在20Mm （8级晶粒度），则由式（1）取Z值为3, 可计算出需要的碳氮化铌的体积分数 f 为0.0436%，换算成重量百分数 W 为 0.0432（铁基体和碳氮化铌的密度分别为 7.87、7.80g/cm3）。由于 Cr30Mo 钢的碳含量很高，碳氮化铌的化学组成式非常接近于纯的碳 化铌，而由于碳原子缺位的缘故，其化学组成式应为NbC0.875，为计算简便起 见，可按 NbC0.875 在铁素体中的固溶度积

7、公式6及碳化铌中铌与碳的重量比 值必须满足理想化学配比来计算1250C时的固溶铌量和碳化铌的重量分数3试验结果与分析试验用钢化学成分试验用钢化学成分见表 1，同时选取了不含铌的两炉钢进行对比。表1试验用钢化学成分钢号CCrNiMoCuRENb8Cr30Mo0.8028.51.521.811.420.15-8Cr30MoNb0.7928.61.601.821.430.150.1210Cr30Mo1.0128.61.551.831.460.15-10Cr30MoNb0.9928.51.531.801.410.150.12冶炼铸造及热处理工艺试验采用 150kg 工业感应炉及相应的铸造工艺设备、热处

8、理设备进行了冶炼、 铸造及热处理工艺试验，最终确定的主要工艺参量与目前大多数铸造厂所采用的 工艺参量基本相同。冶炼工艺参量主要包括加料顺序及加料预热工艺、熔化温度及熔炼时间、控 制脱氧效果从而控制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。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 2。由测试结果 可看出，后续热处理基本不改变基体晶粒尺寸，这是与钢材基体无固态多形性相 变相适应的；而添加铌可使基体晶粒尺寸明显细化，由无铌钢的100卩m（

9、3-4级 级晶粒度）左右细化至20pm （8级晶粒度）以下；此外，钢中碳含量的升咼也 可使晶粒尺寸略微细化，这是由于碳含量升高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，卩m晶粒度，ASTM.No晶粒尺寸，卩m晶粒度，ASTM.No8Cr30Mo108311238Cr30MoNb19819810Cr30Mo844983.510Cr30MoNb178.5188试验结果表明，本文所采用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表明，由于凝固相变初始晶粒尺寸的限制，而微合金碳氮化物的 存在仅能控制晶

10、粒的长大并不能使原有的晶粒变小，因而采用微合金化只能使铁 素体不锈钢的晶粒尺寸被控制在 17-19pm 而使之不粗化，要进一步细化晶粒尺 寸是不可能的。当然，现在所能控制的晶粒尺寸对于铁素体不锈钢的工业生产应 用已足够满足使用需求了。最后，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，结果表明其晶粒 尺寸并不能细化，仍为100ym左右。而由式（2）进行相应的计算表明，此时在1250C温度下的平衡固溶铌量Nb约为0.07668。考虑到凝固过程较为迅速而不 能达到平衡，因而实际固溶铌量将可能在 0.09%以上，形成碳化

11、铌的铌量将小于 0.03%，碳化铌的体积分数不能满足阻止17-19的基体晶粒长大的需要，因而基体晶粒粗化行为将与无铌钢类似。由此，由于凝固过程很难迅速达到平衡， 因而在微合金化设计时适当的过量设计对于保证获得需要的控制晶粒尺寸效果 是必须的。铸造生产成品率实验结果与分析在一小型铸造厂进行了工业化试生产工作，无铌钢冶炼了各2炉（200婕/ 炉）并浇铸典型零件铸件各10件（单件铸件重约40婕）；含铌钢冶炼了各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，过程中发现开 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，含铌钢铸件由于晶粒

12、细化导致韧性提高，在铸造过程及 其后的热处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减少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成本明显降低。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10Cr30MoNb403587.5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 1.3

13、46，溶 液主要组成为 25-30%P2O5，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磨损厂方提供的测试数据8-10Cr30Mo750-1500脆性断裂国产件，厂方提供的测试数据CAA725 （日本）1650磨损厂方提供的测试数据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

14、主要失效方式是腐蚀磨损，提高材料的耐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须采用 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。而通过铌微合金化后有效控制凝固过程中 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铌，可通过铸造凝固过程中沉淀析 出的碳氮化铌有效阻止基体晶粒长大，使基体晶粒尺寸由无铌时的100 pm 左右细化至20卩m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显著提高，生产成本明显下降，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铌控制晶粒长大，可采用本文提出的理论计 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探讨，兵器材料科学与工程， 1994 （ 1 ）：33-38.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，昆明理工大学学报， 2002（2）：36-39.Gladman T On the Theory of t