下载文档原格式
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Cr30Mo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100μm 左右细化至20μm 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。
《高Nb微合金钢中NbC的析出对组织与硬度的影响》篇一一、引言高Nb微合金钢作为一种重要的工程材料，因其优异的力学性能和良好的加工性能在许多领域得到广泛应用。
其中，铌（Nb）元素的添加对于钢的组织和性能有着显著的影响。
尤其是NbC的析出行为，对于改善钢的微观结构和提高硬度起着关键作用。
本文将详细探讨高Nb微合金钢中NbC的析出对组织与硬度的影响。
二、NbC在微合金钢中的析出行为在微合金钢中，铌元素主要以碳化物（NbC）的形式析出。
NbC的析出行为受到多种因素的影响，包括钢的成分、热处理工艺以及冷却速率等。
一般来说，在钢的凝固过程中，NbC首先在晶界处形成，随后在晶内析出。
析出的NbC能够有效地细化晶粒，提高钢的力学性能。
三、NbC析出对组织的影响1. 细化晶粒：NbC的析出能够有效地细化微合金钢的晶粒，这是由于析出的碳化物能够作为非均质形核的核心，促进晶粒的形核和生长。
细化的晶粒能够提高钢的强度和韧性。
2. 改善组织均匀性：NbC的析出可以使得钢的组织更加均匀，减少组织缺陷和偏析现象。
这有助于提高钢的力学性能和加工性能。
3. 增强相界面稳定性：NbC与基体之间具有较好的相容性，能够提高相界面的稳定性，防止裂纹的扩展，从而提高钢的耐久性。
四、NbC析出对硬度的影响1. 硬质相增强：NbC作为一种硬质相，能够有效地提高微合金钢的硬度。
析出的NbC颗粒可以阻碍位错运动，提高钢的抗变形能力。
2. 强化基体：NbC的析出可以强化基体，使基体中的位错运动更加困难，从而提高钢的整体硬度。
3. 影响硬化机制：随着NbC的析出，微合金钢的硬化机制也会发生变化。
在一定的温度范围内，析出的NbC可以与基体发生交互作用，影响位错运动的机制，进一步增强钢的硬度。
五、结论高Nb微合金钢中NbC的析出对组织和硬度具有显著影响。
首先，NbC的析出能够细化晶粒，改善组织的均匀性，增强相界面稳定性，从而提高钢的力学性能和耐久性。
其次，作为硬质相，NbC能够有效地提高微合金钢的硬度，通过强化基体和影响硬化机制来增强钢的整体硬度。
钢中微合金元素的作用机理钢是一种合金，其主要成分是铁和碳。
微合金元素是添加在钢中的少量杂质元素，包括钛、铌、钒、铝、锰、铬等。
这些微合金元素的添加对钢的性能具有重要的影响。
以下是钢中微合金元素的作用机理。
首先，微合金元素可以提高钢的强度和硬度。
微合金元素的加入可以阻碍晶界流动和位错的运动，从而限制了晶界滑移和位错滑动，降低了钢的塑性变形能力，提高了钢的强度和硬度。
此外，微合金元素还可以形成致密的析出物，如碳化物、氮化物、硫化物等，这些析出物可以增加钢的硬度，从而提高钢的抗拉强度和硬度。
其次，微合金元素可以改善钢的韧性和冷加工性能。
微合金元素的加入可以阻碍晶界弥散，提高了钢的晶界精细度，从而改善了钢的韧性和抗冲击性能。
同时，微合金元素也可以细化钢的晶粒尺寸，提高钢的塑性变形能力，使钢具有较好的冷加工性能。
第三，微合金元素可以提高钢的耐腐蚀性能。
微合金元素的加入可以改善钢的晶界耐蚀性能，减少晶界的腐蚀敏感性。
此外，微合金元素也可以与一些有害杂质元素结合，形成稳定的化合物，减少了钢中有害元素的溶解和析出，从而提高钢的耐腐蚀性能。
另外，微合金元素还可以改变钢的相变行为。
微合金元素的加入可以改变钢的析出序列和析出相，影响钢的相变行为。
例如，铌和钒可以用于控制钢中的碳化物析出，阻止奥氏体向珠光体的相变，从而提高钢的强韧性。
此外，微合金元素还可以优化钢的热处理工艺。
微合金元素的介入可以降低钢的回火敏感性和退火脆性，提高钢的热处理硬化能力，使钢在热处理过程中获得较好的组织和性能。
总的来说，钢中微合金元素的作用机理包括限制晶界滑移和位错滑动、形成致密的析出物、改善晶界精细度和抗腐蚀性能、提高韧性和冷加工性能、改变相变行为和优化热处理工艺等。
这些作用机理使得钢中微合金元素的加入可以显著改善钢的性能，提高钢的使用性能和工艺性能。
甘肃冶金 2000年12月第4期谈微合金元素N b 、V 、T i 在钢中的作用Ξ杨作宏 陈伯春(酒泉钢铁公司 甘肃 嘉峪关 735100)摘 要 论述了N b 、V 、T i 在钢中的存在形态,分析了提高钢的强韧性,改善可焊性的微观机理及在钢中的重要作用。
关键词 可能性 形态 溶度积 作用1 引言在钢中质量分数低于011%左右,而对钢的性能和微观组织有显著或特殊影响的合金添加元素,称为微合金元素;N b 、V 、T i 是其中最为重要的微合金元素。
在钢中添加微量的N b 、V 、T i ,可保证钢在碳当量较低的情况下,通过其碳、氮化物质点(尺寸小于5nm )的弥散析出及N b 、V 、T i 的固溶,细化晶粒,极大地提高钢的强度、韧性,特别是低温韧性,使钢具有良好的可焊性、使用性。
因此,研究N b 、V 、T i 在钢中的作用机理和微观行为,对钢的品种开发,生产高质量、高附加值的产品如船板、管线钢等有重要的作用。
2 Nb 、V 、T i 在钢中作用的微观基础211 形成碳化物和氮化物的可能性 图1 一些金属元素形成氧化物、硫化物、碳化物和氮化物的能力和它们的沉淀强化能力N b 、V 、T i 是碳化物和氮化物的形成元素,这些元素在比较低的浓度下就能满足这种要求。
在周期表中,它们的位置彼此靠得很近。
图1指出,对于一定的金属元素,从 组到 组,形成氧化物、硫化物、碳化物和氮化物的可能性是逐渐增强的(从右上角至左下角)。
形成沉淀强化所需要的碳化物或氮化物,N b 、V 、T i 有同等的倾向。
212 在钢中的存在形态N b 、V 、T i 为强碳化物形成元素,常温时,在钢中大部分以碳化物、氮化物、碳氮化物形式存在,少部分固溶在铁素体中,在脱氧不完全的钢中,也会2Ξ收稿日期:2000204205出现氧化物T i O 2、V 2O 3等。
这对N b 、V 、T i 是一种浪费,且氧化物对性能有害,应避免。
钢中碳化物的相间析出通常，对于工业用钢，碳化物的弥散硬化和二次硬化的利用，都是在调质状态下实现的。
但是，在控制轧制条件下使用的非调质高强度钢中，人们却利用添加少量Nb、V等强碳化物形成元素，有效地提高了钢的强度。
之所以如此，是由于钢在冷却过程中从奥氏体中析出了细小的特殊碳（氮）化物。
透射电子显微镜观察表明，这种化合物的直径约为50Å，而且比较规则的一个面接一个面的排列分布。
后来研究又发现，这种碳（氮）化物是在奥氏体-铁素体相界面上形成的，因此将这种转变称为“相间析出”（interphas precipitation）。
相间析出的结果也是由过冷奥氏体转变为铁素体与碳化物的机械混合物。
由于这种转变发生在珠光体与贝氏体形成温度之间，因而研究这种转变，不仅对非调质钢的强化有实际价值，而且对搞清珠光体和贝氏体转变机理也有一定意义。
（一）相间析出产物的形态和性能含有强碳（氮）化物形成元素的低碳合金钢的奥氏体，在冷却过程中有可能首先发生碳（氮）化物的析出，因为析出是在奥氏体与铁素体相界面上发生的，所以把这一过程称为相间析出。
1、组织形态钢中的相间析出的转变产物，其显微组织在低倍的光学显微镜下，相间析形成的铁素体与先共析铁素体相似呈块状。
而在高倍的电子显微镜下，可以观察到铁素体中有呈带状分布的微粒碳（氮）化物存在，这是相间析的组织形态特征。
这种组织与珠光体相似，也是由铁素体与碳化物组成的机械混合物，而碳化物不是片状，而是细小粒状的，分布在有一定间距的平行的平面上，因此也称为“变态珠光体”（degenerate pearlite）。
分布有微粒碳化物的平面彼此之间的距离称为“面间距离”。
随着等温转变温度的降低或冷却速度的增大，析出的碳化物颗粒变细，面间距离减小。
另外，钢中的化学成分不同对碳化物的颗粒直径的面间距离也有一定的影响，通常含特殊碳化物元素越多，形成碳化物颗粒越细，面间距离越小。
在相同转变温度下，随着钢碳含量增高，析出碳化物的数量增多，面间距离也有所减小。
钢中碳化物的电子衍射分析电子衍射的应用日益增多，与X射线物相分析相辅相成。
首先电子衍射物相分析灵敏度非常高，就连一个小到几百甚至几个埃的微晶也能给出清晰的电子衍射图，因此它的检测极限非常低，适用于：i 试样总量很少。
如大气中的微量粉尘，金属表面的氧化或污染层，半导体的外延生长等。
ii 待定物相在试样中含量很低。
如晶界的微量沉淀，第二相在晶内早期预沉淀过程等。
iii 待定物相的颗粒非常小。
如晶界开始生成的微晶、粘土矿物等。
选区或微区电子衍射一般都给出单晶电子衍射斑点图，当出现未知的新结构时，可能比X射线多晶衍射谱易于分析，另一方面还可以得到有关晶体取向关系的资料。
如晶体生长的择优取向、析出相与基体的取向关系、惯析面等；第三，电子衍射物相分析可以与电子显微观察同时进行，还能得到有关物相的大小、形态、分布等重要资料，特别是新近发展起来的晶体结构象，可以直接分辨晶体结构及原子尺度的晶体缺陷，这是X射线物相分析所不能比拟的。
此外，还可在电子显微镜中加上电子能量损失谱仪或X射线能量色散谱仪附件，直接得出微晶的化学成分。
因此，电子衍射物相分析已成为研究晶体材料的微观结构所不可缺少的方法。
在强调电子衍射物相分析的优点时，也应充分注意其弱点。
灵敏度越高，越应注意可能引起的假象；试样制备过程中有可能带入各种极微量杂质；在电镜观察过程中晶体表面氧化等，都会给出这些杂质的电子衍射图。
除非一种物相的电子衍射图经常出现，我们不能轻易断定这种物相的存在。
就是我们观察上千个颗粒，若它们线长为1微米，加起来不过10－10克。
因此，我们对电子衍射物相分析结果要持分析态度，尽可能与其它分析手段相结合。
二电子衍射未知相分析基本程序：①根据所研究的合金的主要元素的含量、熔炼、热处理、气相沉淀等工艺，查阅一切相关文献资料，确定合金可能形成的合金相、亚稳相、间隙相。
②收集研制合金中相关资料，特别是其中合金相的晶体结构、晶体学的数据、制作（hkl）与d hkl表，即晶体指数与晶面间距数据表。
