不同Al质量分数的铸造304不锈钢组织和性能_喇培清

文章编号：１６７３－５１９６（２０１６）０２－０００１－０８不同Ａｌ质量分数的铸造３０４不锈钢组织和性能喇培清１，马付良１，孟　倩１，２，撒兴瑞１，魏玉鹏１，郭　鑫１（１．兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃兰州　７３００５０；２．兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州　７３００７０）摘要：通过中频无芯感应炉，在无保护气氛的大气中熔炼铸造制备Ａｌ质量分数为０％、１．５％、２％、３％的３０４不锈钢，并对其进行１　０５０℃，保温４５ｍｉｎ的固溶处理，利用Ｘ射线衍射仪、光学显微镜、电子探针（ＥＰＭＡ）、扫描电镜（ＳＥＭ）、拉伸试验和腐蚀试验，研究不同Ａｌ质量分数３０４不锈钢的组织和性能．结果表明：３０４不锈钢中加入Ａｌ元素后合金的组织由奥氏体＋少量的骨骼状的δ铁素体逐渐转变为奥氏体＋铁素体双相组织，当含Ａｌ质量分数为３．０％时，３０４不锈钢的基体组织转变为铁素体和在铁素体晶界上分布着的少量奥氏体．固溶态高铝３０４不锈钢的性能优于铸态性能，含Ａｌ质量分数１．５％的固溶态３０４不锈钢具有最优的力学性能和耐腐蚀性能，与未加铝的３０４相比，各种性能均得到较大提高．关键词：Ａｌ；３０４不锈钢；中频熔炼；组织；力学性能；腐蚀中图分类号：ＴＧ１４２．１ 文献标识码：ＡＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｃａｓｔ　３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｃｏｎｔｅｎｔＬＡ　Ｐｅｉ－ｑｉｎｇ１，ＭＡ　Ｆｕ－ｌｉａｎｇ１，ＭＥＮＧ　Ｑｉａｎ１，２，ＳＡ　Ｘｉｎｇ－ｒｕｉ　１，ＷＥＩ　Ｙｕ－ｐｅｎｇ１，ＧＵＯ　Ｘｉｎ１（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ　Ｍｅｔａｌｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖ．ｏｆ　Ｔｅｃｈ．，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００５０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００７０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｔｈ　Ａｌ　ａｄｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　０％，１．５％，２％ａｎｄ　３％ｗａｓ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆｍｅｌｔｉｎｇ　ｉｔ　ｉｎ　ｍｅｄｉｕｍ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｒｅｌｅｓｓ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｉｎ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　ｇａｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｃａｓｔｅｄ　ｉｎｓａｎｄ　ｍｏｌｄ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｓｏｌｉｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｔ１　０５０℃ｆｏｒ　４０ｍｉｎ．Ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｅｒ－ｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ－ａｄｄｅｄ　３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ＳＥＭ，ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＸＲＤ，ＥＰＭＡ，ｔｅｎｓｉｌｅ　ｔｅｓｔ，ａｎｄ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｌｌｏｙｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌｗｉｔｈ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｌ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｗｏｕｌｄ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｆｒｏｍ　ａｕｓｔｅｎｉｔｅ　ｐｌｕｓ　ａ　ｍｉｎｕｔｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｓｋｅｌｅｔｏｎ－ｓｈａｐｅｄδ－ｆｅｒｒｉｔｅ　ｉｎｔｏα＋γｂｉｐｈａｓｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｍａｓｓ－ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｌ　ｗａｓ　３．０％，ｉｔｓ　ｍａｔｒｉｘ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｏｕｌｄ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｉｎｔｏ　ｆｅｒｒｉｔｅ　ａｎｄ　ａ　ｍｉｎｕｔｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ａｕｓｔｅｎｉｔｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｇｒａｉｎ　ｂｏｕｎｄａｒｙ．Ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆｓｏｌｉｄ－ｓｏｌｕｔｉｏｎ－ｓｔａｔｅ　３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｓｕｐｅｒｉｏｒ　ｔｏ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ａｓ－ｃａｓｔ　ｓｔｅｅｌ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｃｏｎ－ｔｅｎｔ　ｗａｓ　１．５％，ｔｈｅ　ａｌｕｍｉｎｕｍ－ａｄｄｅｄ　３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｗｏｕｌｄ　ｈａｖｅ　ｍｏｓｔ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄ　ｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ａｌｕｍｉｎｕｍ，ｉｔｓ　ｖａｒｉ－ｏｕｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ａ　ｌａｒｇｅｒ　ｅｘｔｅｎｔ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍ；３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ；ｍｅｄｉｕｍ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｍｅｌｔｉｎｇ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ３０４不锈钢是目前应用最为广泛的一种铬－镍不锈钢，具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度、加工性能和可焊性，主要应用在医疗器具、汽车、建筑、石 收稿日期：２０１５－０３－１０ 基金项目：国家自然科学基金（５１１６４０２２） 作者简介：喇培清（１９７１－），男，甘肃临夏人，博士，研究员．油化工和家用器皿等行业．正是由于其广泛的应用，３０４不锈钢出现了各种失效问题，其中晶间腐蚀是常见的失效形式．目前提高不锈钢耐腐蚀性的工艺主要是涂层和添加合金元素，涂层处理的合金不宜进行焊接和热加工，并且一些零件不易进行表面处理，所以，在３０４不锈钢中添加合金元素改善其耐腐第４２卷第２期２０１６年４月兰　州　理　工　大　学　学　报Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．４２Ｎｏ．２Ａｐｒ．２０１６蚀性具重要的研究意义．合金具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性的关键是在表面形成一层致密、稳定性好且生长缓慢的钝化膜，限制基体金属被进一步腐蚀和氧化．其中ＮｉＯ、Ｃｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３和ＳｉＯ２氧化物是主要的备选膜层，但由于ＮｉＯ在氧中的热力学稳定性低，所以很少将其作为防护性的合金化元素；而ＳｉＯ２的热膨胀系数低，与热膨胀系数高的合金匹配时会产生很大的热错配应力，使得氧化膜容易破裂．传统不锈钢表面的钝化膜主要为Ｃｒ２Ｏ３．但Ｃｒ２Ｏ３氧化膜在高于６００℃的潮湿工作环境下会形成具有挥发性的铬的氢氧化物，恶化了稳定性，从而抑制了不锈钢在许多高温苛刻环境下的长效使用．相比较Ｃｒ２Ｏ３而言，Ａｌ２Ｏ３钝化膜的热力学稳定性更好，并且其生长速率比Ｃｒ２Ｏ３要低１～２个数量级，在水蒸气环境中具有远低于Ｃｒ２Ｏ３形成易挥发性氢氧化物的速率和易氧化速率［１］．Ａｌ２Ｏ３氧化层可提高合金高温抗氧化性能，为合金提供更长效的保护，使其可在更高温度和恶劣的环境气氛下应用［１－２］．近年来在合金中加入铝元素的研究工作已经逐步展开，Ｎｉｅ　Ｓ等［３］研究了Ｆｅ－２０Ｎｉ－１４Ｃｒ－３Ａｌ－０．６Ｎｂ－０．１Ｔｉ在超临界水中的腐蚀性能，表明含铝的合金在超临界水中的表面形成一种保护性的铝－铬－富Ｆｅ的氧化物层，使合金具有优良的耐腐蚀性．吕昭平等［４］以Ｆｅ－２５Ｎｉ－１８Ｃｒ为基体合金，通过添加铝，降低铬的质量分数，研究了此类高铝不锈钢的抗高温氧化性和力学性能，研究发现，当含铝质量分数３％时，该合金在８００℃的干燥空气和含水蒸汽１０％的空气中都能形成连续、稳定、独特的氧化铝保护薄膜，长期的高温氧化性能明显增强，并指出，由于Ｂ２－ＮｉＡｌ析出相能够促进和维持氧化铝保护膜在合金表面形成和保持，在７５０℃干燥环境中，合金的抗拉强度和屈服强度分别为４８０～５００ＭＰａ和３１０～３３５ＭＰａ．邢琳琳等［５］就Ａｌ质量分数对ＨＫ４０合金显微组织的影响做了研究，在含铝质量分数２％的ＨＫ４０合金中，Ａｌ元素全部固溶于基体中，未形成沉淀相，显微组织为奥氏体＋碳化物；当含Ａｌ质量分数为４％时，合金中出现了大量的树枝相ＡｌＮｉ、Ｆｅ２Ａｌ５，基体相仍然为γ－Ｆｅ固溶体；当Ａｌ质量分数增加到６％时基体相转变成以α－Ｆｅ为主，同时有大量ＮｉＡｌ金属间化合物析出．本文通过对常规熔炼和砂型铸造的不同铝质量分数的３０４不锈钢铸态和固溶态的室温组织、力学性能和腐蚀性能进行研究，确定Ａｌ元素对３０４不锈钢合金组织的作用机制，为开发铸件用含铝奥氏体不锈钢提供理论依据．１　实验过程以３０４奥氏体不锈钢为基础，分别添加不同质量分数的Ａｌ，设计的成分如表１所示，所用原料为太原钢铁集团有限公司生产的３０４不锈钢板材和工业铝锭，按实际３０４不锈钢铸件的工业生产进行备料、冶炼．采用碱性镁砂低碳高耐火度坩埚作炉衬的中频无芯感应炉，在无保护气氛的大气中熔炼，利用呋喃树脂砂型铸造，红外线温度仪测温．按设计成分备料，每炉熔炼１０ｋｇ．将原料按照铝在内部，不锈钢板在四周的方式装炉熔炼，当温度达到１　５６０℃后，保温２０ｍｉｎ，立即出炉浇注．浇注过程中及时将顶层结壳击碎以保证试样组织致密，保证冒口在液态下依靠大气压力进行充分补缩，防止疏松和缩孔．表１　试验合金的化学成分质量分数Ｔａｂ．１　Ｍａｓｓ－ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｓｔｅｄ　ａｌｌｏｙｓ％　合金Ａｌ　Ｃｒ　Ｎｉ　Ｍｎ　Ｓｉ　Ｃ　Ｆｅ１　０　１９　８　２　１．０　０．０８Ｂａｌ．２　１．５　１８．７　７．８８　１．９７　０．９８５　０．０７９Ｂａｌ．３　２　１８．６２　７．８４　１．９６　０．９８　０．０７８Ｂａｌ．４　３　１８．４３　７．７６　１．９４　０．９７　０．０７７Ｂａｌ． ３０４铸件一般是在固溶状态下使用，所以实验中对试样进行了固溶处理，固溶处理的温度为１　０５０℃，保温４５ｍｉｎ，水冷冷却．然后分别对铸态和固溶处理的试样用水砂纸打磨、机械抛光，用Ｒｉｇａｋｕ．Ｄ／ｍａｘ－２４００型Ｘ射线衍射仪分析合金的相组成，用ＦｅＣｌ３＋盐酸＋蒸馏水腐蚀液侵蚀后用Ｍｅｆ３光学显微镜和ＪＳＭ－６７００Ｆ扫描电镜观察试样的显微组织，用ＥＰＭＡ－１６００型电子探针进行元素分析．将铸态和固溶态的试样经电火花线切割成１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍ试样用来测硬度、 １２ｍｍ×８０ｍｍ的圆棒试样用以加工拉伸试样，在ＨＢＲＶＵ－１８７．５型布洛维氏光学硬度计上测定硬度，载荷２９８Ｎ，分别测定出各成分不锈钢在铸态和固溶态的维氏硬度．每种成分不锈钢测试不同部位的硬度，重复６次，算出的硬度值为平均值，测量误差小于５％．根据国家标准ＧＢ／Ｔ　２２８—２００２，将制备的铸锭通过加工制成 ５ｍｍ的圆形标准拉伸试样（如图１）．图１　拉伸试样Ｆｉｇ．１　Ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓａｍｐｌｅｓ·２· 兰州理工大学学报 第４２卷 拉伸实验在微机控制的电子万能实验机上进行，最大载荷１０ｔ，实验中拉伸速率０．５ｍｍ／ｍｉｎ．为保证实验结果的准确性，每一成分试样测试３次，取其平均值．根据载荷－位移数据计算并绘制出工程应力－应变（σ－ε）曲线．根据工程应力－应变曲线，确定出每种不锈钢成分在铸态和固溶态的抗拉强度σｂ、屈服强度σ０．２及延伸率．采用失重法测试合金的抗腐蚀性能，晶间腐蚀实验参照ＧＢ　４３３４．３—２００８《不锈钢在６５％硝酸腐蚀实验方法》进行．敏化处理温度为６５０℃，保温２ｈ，空冷．２　实验结果及分析２．１　合金的显微组织分析图２和图３分别为不同Ａｌ质量分数３０４不锈钢铸态和固溶态的ＳＥＭ及对应的能谱图，从ＳＥＭ图中可知，３０４不锈钢加Ａｌ后铸态及固溶态的组织图２　不同铝质量分数的铸造３０４不锈钢的ＳＥＭ图及１．５％Ａｌ的ＥＤＳＦｉｇ．２　ＳＥＭ　ｉｍａｇｅｓ　ｏｆ　ａｓ－ｃａｓｔ　３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ａｌ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ａｎｄ　ＥＤＳ　ｏｆ　ｗ（Ａｌ）＝１．５％图３　不同铝质量分数的铸造３０４不锈钢固溶态的ＳＥＭ图及Ａｌ质量分数１．５％固溶态的ＥＤＳ　Ｆｉｇ．３　ＳＥＭ　ｉｍａｇｅｓ　ｏｆ　ａｓ－ｃａｓｔｉｎｇ　３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ａｌ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｎ　ｓｏｌｉｄ－ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｓｔａｔｅ　ａｎｄ　ＥＤＳ　ｏｆ　ｗ（Ａｌ）＝１．５％ｉｎ　ｓｏｌｉｄ－ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｓｔａｔｅ·３·第２期 喇培清等：不同Ａｌ质量分数的铸造３０４不锈钢组织和性能 均由黑白２相组成，并形成了一些黑色点状物，从图２ｄ和图３ｄ对应区域的能谱分析可知，组织由奥氏体和铁素体２相组成，奥氏体呈黑色条状，铁素体分布在奥氏体晶粒之间，黑色点状物为ＡｌＮ，随着Ａｌ质量分数的增加奥氏体质量分数逐渐减少，当含Ａｌ质量分数为３．０％时，３０４不锈钢的基体组织几乎全部转变为铁素体，只在铁素体晶界上分布着少量奥氏体．图４和图５为不同铝质量分数铸造３０４不锈钢铸态及固溶态的金相组织，从图中可以看出，铸态和固溶态的组织均由黑白２相组成，铸态时不加Ａｌ的不锈钢主要由奥氏体组成，少量的铁素体成骨骼状分布在奥氏体基体上，固溶后铁素体呈小岛状和不连续的链状．铸态含铝质量分数１．５％时奥氏体主要为鳞片状，部分呈鱼骨状和条状，铁素体分布在奥氏体晶粒之间，体积分数约为２８．６７％，含铝质量分数２．０％时铁素体的量增加达到４２．２７％，奥氏体形态也有改变，主要呈板条状，含铝质量分数分别为１．５％和２．０％时奥氏体都呈魏氏组织特征，含铝质量分数为３．０％时，基体几乎全部转换为铁素体，只在铁素体晶界处分布着少量的奥氏体，并且铁素体的晶粒十分粗大．铸态合金经固溶处理后，原魏氏组织特征已逐渐不明显，含铝质量分数１．５％的３０４不锈钢中铁素体量略有增加，奥氏体的形态转变为以条状为主，含铝质量分数２．０％时，铁素体的量基本不变，一些长条状的奥氏体变成不连续的片状，含铝质量分数３．０％时，固溶处理后，铁素体晶界处的奥氏体消失，组织完全转变为铁素体，并且晶界较光滑．图４　不同铝质量分数的铸造３０４不锈钢的金相组织Ｆｉｇ．４　Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ａｓ－ｃａｓｔ　３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ａｌ　ｃｏｎｔｅｎｔ图５　不同铝质量分数的铸造３０４不锈钢固溶后的金相组织Ｆｉｇ．５　Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ａｓ－ｃａｓｔ　３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ａｌ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ａｆｔｅｒ　ｓｏｌｉｄ－ｓｏｌｕｔｉｏｎｔｒｅａｔｍｅｎｔ图６是不同Ａｌ质量分数３０４不锈钢铸态与固溶态ＸＲＤ谱图．由图６的ＸＲＤ分析可知，３０４不锈钢中加入Ａｌ元素后，合金的组织由奥氏体＋少量的骨骼状的δ铁素体逐渐的转变为奥氏体＋铁素体图６　不同Ａｌ质量分数３０４不锈钢铸态与固溶态ＸＲＤ谱图Ｆｉｇ．６　ＸＲＤ　ｐａｔｔｅｒｎｓ　ｏｆ　ａｓ－ｃａｓｔ　ａｎｄ　ｓｏｌｉｄ－ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ａｌ　ｃｏｎｔｅｎｔ·４· 兰州理工大学学报 第４２卷双相组织，随着Ａｌ加入量的增加，铁素体的质量分数逐渐增加，当Ａｌ加入质量分数达到３．０％时，钢中的组织几乎全部为铁素体．固溶处理后，含Ａｌ质量分数分别为１．５％和２％的合金的主峰由铸态的铁素体变为奥氏体，这说明，固溶处理后含Ａｌ质量分数分别为１．５％和２％的合金中奥氏体与铸态相比有所增加．图７是加入质量分数为１．５％的Ａｌ的铸态和固溶态的ＥＰＭＡ图，由图可见，材料由灰白色基体组成，结合元素分布可知，基体主要由Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ元素构成，铸态时Ｎｉ元素在奥氏体中有所偏聚，Ｃｒ元素在铁素体中有所偏聚，固溶态也有相同特征，这与图７　ｗ（Ａｌ）＝１．５％时３０４不锈钢的ＥＰＭＡ图及对应的元素分布Ｆｉｇ．７　ＥＰＭＡ　ｉｍａｇｅｓ　ａｎｄ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ｏｆ　３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｗｉｔｈ　ｗ（Ａｌ）＝１．５％·５·第２期 喇培清等：不同Ａｌ质量分数的铸造３０４不锈钢组织和性能 ＥＤＳ的结果是一致的，基体中存在少量的Ａｌ和Ｎ的富集，形成ＡｌＮ相，大部分Ａｌ均匀分布于基体中，这与ＳＥＭ和金相的结果一致．从图７ａ可知，铸态组织中有部分Ｃ偏聚到铁素体中，说明基体中铸态时有高温δ铁素体存在，但固溶以后，Ｃ分布均匀，固溶处理后消除了Ｃ元素的偏聚，使组织中元素的分布更均匀．２．２　合金的性能２．２．１　拉伸性能图８为不同Ａｌ质量分数的３０４不锈钢铸态和固溶态的室温拉伸工程应力－应变曲线．由于含铝质量分数３．０％的３０４不锈钢固溶后晶粒非常粗大，导致其在拉伸过程中在加载很小时就已经断裂，因此图中并未给出３０４含铝质量分数３．０％固溶态的拉伸曲线．从图中可以看出，铸态时含Ａｌ质量分数小于２．０％的３０４不锈钢拉伸经历了弹性变形阶段和塑性变形阶段，明显具有塑性材料特征，含铝质量分数３．０％的３０４不锈钢没有塑性变形，呈明显的脆性断裂．固溶处理后，拉伸曲线与铸态时有相同的特征．图８　不同Ａｌ质量分数的３０４不锈钢铸态和固溶态的拉伸工程应力－应变曲线Ｆｉｇ．８　Ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ａｓ－ｃａｓｔ　ａｎｄ　ｓｏｌｉｄ－ｓｏ－ｌｕｔｉｏｎ－ｓｔａｔｅ　３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ａｌｍａｓｓ－ｆｒａｃｔｉｏｎ根据应力－应变曲线确定出各合金的力学性能参数，如表２所示．由表可知，铸态时随Ａｌ质量分数的增加，３０４不锈钢的屈服强度逐渐提高，铝质量分数为２．０％时，屈服强度达到最大值，约３４４ＭＰａ，是未加铝的３０４不锈钢屈服强度（２１８ＭＰａ）的１．５倍，质量分数１．５％时屈服强度为２６６ＭＰａ，与未加铝时相比提高了２２％，当Ａｌ质量分数增加到３．０％时，合金是脆性断裂，没有明显屈服，取略低于抗拉强度的值作为屈服强度，约为３３５ＭＰａ，比质量分数２．０％的３０４略有降低．合金的抗拉强度随着铝质量分数的增加先略有降低后升高，然后又迅速降低，在Ａｌ质量分数为２．０％时抗拉强度达到最大值５２５ＭＰａ，与没有加铝的３０４不锈钢相比抗拉强度增加不明显，加Ａｌ质量分数为１．５％时抗拉强度为４８７ＭＰａ，与未加Ａｌ时相比降低了约５％，由此可以看出，当Ａｌ质量分数低于２．０％时，对３０４不锈钢抗拉强度基本没有影响．但是当Ａｌ质量分数为３．０％时，合金发生脆性断裂，强度明显降低，为３４６ＭＰａ．与铸态时铝质量分数对抗拉强度的影响相比，固溶后Ａｌ质量分数对高铝３０４不锈钢抗拉强度的影响更小，但固溶处理后各成分合金的抗拉强度与铸态时相比都有明显的提升，以上结果表明，当铝质量分数低于２．０％时，固溶处理后铸造３０４不锈钢的抗拉强度、屈服强度都有显著提高．铸态与固溶态材料的延伸率都随着Ａｌ质量分数的增加而降低．固溶处理后加铝质量分数１．５％的３０４不锈钢延伸率比铸态时明显增加．但是含Ａｌ质量分数２．０％的铸造３０４不锈钢固溶处理后延伸率下降到４．２％．说明铝质量分数低于１．５％时固溶处理可提高合金的塑性，而大于１．５％时降低塑性．表２　不同Ａｌ质量分数的３０４不锈钢铸态和固溶态的室温力学性能Ｔａｂ．２　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ａｓ－ｃａｓｔ　ａｎｄ　ｓｏｌｉｄ－ｓｏｌｕｔｉｏｎ－ｓｔａｔｅ　３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ａｌ　ｍａｓｓ－ｆｒａｃ－ｔｉｏｎ　ａｔ　ｉｎｄｏｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＡｌｌｏｙｓσｂ／ＭＰａσ０．２／ＭＰａδ／％铸态３０４　５１６　２１８　３５．５铸态＋１．５％Ａｌ　４８７　２６６　１５．１铸态＋２％Ａｌ　５２５　３４４　７．２铸态＋３％Ａｌ　３４６　３３５　１固溶态３０４　５９５　２１０　５６．３固溶态＋１．５％Ａｌ　５９２　３７６　２８．６固溶态＋２％Ａｌ　６０２　４６２　４．２２．２．２　硬度不同铝质量分数的３０４不锈钢铸态和固溶态硬度的变化如图９所示，可以看出，铸态和固溶态硬度的变化有相同的规律，硬度都随着铝质量分数的增图９　不同Ａｌ质量分数３０４不锈钢铸态和固溶态的硬度Ｆｉｇ．９　Ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｏｆ　ａｓ－ｃａｓｔ　ａｎｄ　ｓｏｌｉｄ－ｓｏｌｕｔｉｏｎ－ｓｔａｔｅ　３０４ｓｔａｉｎ－ｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ａｌ　ｃｏｎｔｅｎｔ·６· 兰州理工大学学报 第４２卷加而增加，当铝质量分数高于１．５％时硬度增加更明显．相同铝质量分数下，固溶态的不锈钢的硬度比铸态高．２．２．３　腐蚀性能图１０为不同Ａｌ质量分数３０４不锈钢铸态和固溶态的晶间腐蚀性能，从图中可以看出，合金在铸态时晶间腐蚀速率随着铝质量分数的增加逐渐增大，当铝质量分数小于１．５％时合金晶间腐蚀速率与未加Ａｌ时相比增加不明显，加铝质量分数２．０％时腐蚀速率比未添加铝时增加了约８０％，当加铝质量分数３．０％时，腐蚀速率迅速增加，是未加铝的３０４不锈钢腐蚀速率的８．８倍．这说明当铝质量分数大于１．５％时铸造３０４不锈钢耐晶间腐蚀性能迅速恶化，但固溶处理以后，各成分合金的晶间腐蚀速率与铸态相比都明显降低，３０４不锈钢的腐蚀速率随着铝质量分数的增加先降低后增加，当铝质量分数为１．５％时腐蚀速率最低，与未加Ａｌ时相比降低了约４０％，铝质量分数为２．０％时，腐蚀速率比最低值有所升高，但与未加Ａｌ的３０４不锈钢相比腐蚀速率仍然降低了３０％，含铝质量分数３．０％时达到最高值，腐蚀速率是未加Ａｌ的３０４不锈钢的２．８倍．以上结果说明，当铝质量分数低于２．０％时，Ａｌ元素的加入可大幅提高３０４固溶态铸造不锈钢耐晶间腐蚀性能．图１０　不同Ａｌ质量分数３０４不锈钢铸态和固溶态的晶间腐蚀性能Ｆｉｇ．１０　Ｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ａｓ－ｃａｓｔａｎｄ　ｓｏｌｉｄ－ｓｏｌｕｔｉｏｎ－ｓｔａｔｅ　３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ａｌ　ｍａｓｓ－ｆｒａｃｔｉｏｎ３　讨论Ａｌ是铁素体形成元素，其在铬当量中的作用是铬的５．５倍，强烈缩小γ相区．铝加入到３０４不锈钢中后，大部分以固溶的形式存在于基体中，起固溶强化作用，少部分以ＡｌＮ相形式析出，起第二相作用［６］，即图４、图５中黑色的颗粒相．铝加入后固溶在基体中，起强化作用［７］，同时随着铝质量分数的增加基体显微组织中铁素体相增加，２种作用下使合金的硬度逐渐提高．经固溶处理后，粗大枝晶数量减少，铸态组织中的碳化物全部溶入基体中，魏氏组织基本消失［８］，固溶后元素分布更均匀，进一步提高了合金的硬度．Ａｌ在高铝３０４不锈钢中固溶时是以置换固溶体的形式存在，由于原子直径与溶剂原子直径不同，在Ａｌ原子周围形成晶格畸变应力场，拉伸过程中该应力场与位错应力场交互作用，阻碍位错运动，使屈服强度提高．同时以第二相富集的Ａｌ的化合物对屈服强度也有影响，这些化合物在拉伸过程中不易变形，颗粒状的第二相阻碍位错运动使基体产生不均匀变形，由于局部塑性约束从而起到强化作用．含铝３０４不锈钢在拉伸过程中奥氏体相和铁素体相的变形能力不同，铁素体变形能力较奥氏体差，正应力作用下，容易在２相的界面处萌生裂纹，降低材料的强度和塑性．同时，粗大的晶粒也会影响材料的强度和塑性．所以，在以上２种作用机制下，铸态高铝３０４的屈服强度随着铝质量分数的增加逐渐提高，但是抗拉强度基本保持不变，塑性明显降低，这是由于魏氏体组织的存在使钢的力学性能，特别是塑性和冲击韧性显著降低［９］．固溶处理后，由于元素分布更均匀，固溶强化作用越明显，并且组织中的魏氏体形态组织逐渐消失，这就使合金的强度和硬度比铸态时明显提高．含铝质量分数３．０％时合金组织完全转变为铁素体，并且晶粒十分粗大，根据ｈａｌｌ－ｐｅｔｃｈ公式可知，合金的强度同晶粒尺寸的平方根成反比，使合金的强度很低，没有经过塑性变形就发生沿晶解理断裂，并且固溶处理后，铁素体晶界光滑，使晶粒间结合力减弱，容易发生沿晶解理断裂，降低了合金的强度，合金转变成了脆性材料，并且强度很低．不锈钢能耐腐蚀是因为表面上可形成一层致密的钝化膜，使金属和腐蚀介质分开，阻止不锈钢基体的进一步腐蚀．３０４不锈钢中钝化膜的主要成分是富铬的氧化物，当钝化膜受到破坏时，暴露在外面的金属与氧化性介质反应重新生成铬的氧化物，从而形成新的钝化膜．铝相比于铬具有更低的电极电位，其更容易钝化［１０］，３０４不锈钢中加入铝元素后，大部分Ａｌ固溶在基体中，在腐蚀过程中，钝化膜中有Ａｌ２Ｏ３相，这种钝化膜比铬的钝化膜具有更高的电化学稳定性，降低合金的腐蚀速率［１１］．３０４奥氏体不锈钢中含有少量的碳，可与铬以及铁生成复杂的碳化物（Ｃｒ，Ｆｅ）２３Ｃ６．高温时，碳化物溶解于奥氏体相中，温度越高碳化物的溶解越大，·７·第２期 喇培清等：不同Ａｌ质量分数的铸造３０４不锈钢组织和性能 通过急冷，形成过饱和的奥氏体固溶体．但是，缓慢冷却时，碳化物为保持平衡，会从固溶体中析出，这种析出通常是沿晶界优先发生的，（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６较晶粒内的平均含铬质量分数高很多，因此（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６的析出必然使其周围的晶界区消耗大量的铬，由于铬的扩散速度太慢而得不到及时的补充，结果在晶界周围形成严重的贫铬区［１２］．晶界碳化铬引起的贫铬理论是奥氏体不锈钢晶间腐蚀的主要原因．当贫铬区的含铬量低于９．２８％时，亦即低于钝化所需要的含铬量时，并由于贫铬区和晶粒本身的电化学性能的差异，贫铬区的小阳极和基体的大阴极构成腐蚀电池，使贫铬区受到晶间腐蚀．铝元素加入后，３０４不锈钢中出现铁素体，这些铁素体主要是δ铁素体．当不锈钢中含有１０％～１５％的δ铁素体时，可以降低晶间腐蚀速率，这是由与δ与γ间的相界面能（σδ／γ）低于奥氏体晶界能（σγ／γ），使碳化物优先选择在相界面沉淀析出，减少了晶界析出；同时铬在δ中的扩散快，敏化处理或从高温缓慢冷却时，所形成的贫铬区易于从δ中得到铬的补充而减弱［１３］．但是当铁素体质量分数较多，２相比例较大时，由于２相间的电极电位不同，在２相间容易产生原电池，加快腐蚀速率，使耐腐蚀性降低．加铝３０４不锈钢铁素体质量分数都大于１５％，且随着铝质量分数增加，２相的比例增大，相界面的腐蚀严重，加快了腐蚀速率，抵消了Ａｌ２Ｏ３钝化膜对腐蚀速率的降低，使加铝的３０４不锈钢铸态时耐腐蚀性随铝质量分数增加逐渐降低．含铝质量分数３．０％时基体转变为铁素体，并且晶粒严重粗大，晶界处有明显析出物，使耐腐蚀性严重恶化．高铝３０４不锈钢的固溶处理使碳化物固溶于基体中，减小了贫铬区，敏化处理后虽然有铬的碳化物析出，但形成的贫铬区低于铸态，同时固溶处理使铝的固溶更均匀，增强了钝化作用．结合以上分析，３０４不锈钢在含铝质量分数低于２．０％时，耐晶间腐蚀性得到提高．４　结论１）３０４不锈钢中加入铝元素后合金的组织由奥氏体＋少量的骨骼状的δ铁素体逐渐转变为奥氏体＋铁素体双相组织，当含铝质量分数３．０％时，３０４不锈钢的基体组织几乎完全转变为铁素体相．２）铝质量分数低于２．０％时，随着Ａｌ的增加铸态３０４不锈钢的硬度和屈服强度逐渐提高，抗拉强度先降低后增加；含铝质量分数为２．０％时，屈服强度和抗拉强度都达到最高值，分别为３４４、５２５ＭＰａ；塑性逐渐降低，３０４不锈钢由塑性材料逐渐转变为脆性材料．固溶处理后不同铝质量分数的３０４不锈钢的强度和硬度较铸态均明显提高，含铝质量分数分别为１．５％、２．０％时，屈服强度分别为３７６、４６２ＭＰａ，抗拉强度均在５９５ＭＰａ左右．３）Ａｌ质量分数低于２．０％的３０４不锈钢固溶处理后耐晶间腐蚀性优于未加Ａｌ的３０４不锈钢，含铝质量分数１．５％的３０４不锈钢固溶处理后耐腐蚀性最好，比未加Ａｌ时提高了约４０％．４）含Ａｌ为质量分数１．５％的固溶态３０４不锈钢具有最优的力学性能和耐腐蚀性能．参考文献：［１］　ＢＲＡＤＹ　Ｍ　Ｐ，ＹＡＭＡＭＯＴＯ　Ｙ，ＳＡＮＴＥＬＬＡ　Ｍ　Ｌ．Ｃｏｍｐｏｓｉ－ｔｉｏｎ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｖａｐｏｒ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｅｘｔｅｒ－ｎａｌ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎａ－ｆｏｒｍｉｎｇ　ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅｔａｌｓ，２００９，７２（５／６）：３１１－３３３．［２］　王守仁，张景春，王砚军．高温合金中Ｃｒ２Ｏ３氧化膜与Ａｌ２Ｏ３氧化膜的比较［Ｊ］．山东建材，２００２，２２（１）：３５－３５．［３］　ＮＩＥ　Ｓ，ＣＨＥＮ　Ｙ，ＲＥＮ　Ｘ，ｅｔ　ａｌ．Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎａ－ｆｏｒｍｉｎｇａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ　ｓｔｅｅｌ　Ｆｅ－２０Ｎｉ－１４Ｃｒ－３Ａｌ－０．６Ｎｂ－０．１Ｔｉ　ｉｎ　ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉ－ｃａｌ　ｗａｔｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１０，３９９（２）：２３１－２３５．［４］　ＸＵ　Ｘ，ＺＨＡＮＧ　Ｘ，ＣＨＥＮ　Ｇ，ｅｔ　ａｌ．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｉｇｈ－ｔｅｍ－ｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｉｎ　ａｌｕｍｉｎａ－ｆｏｒｍｉｎｇａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１１，６５（２１）：３２８５－３２８８．［５］　邢琳琳，郑雁军，杨雯雯，等．Ａｌ含量对ＨＫ４０合金显微组织的影响［Ｊ］．热加工工艺，２０１１，４０（６）：４３－４６．［６］　ＹＡＭＡＭＯＴＯ　Ｙ，ＳＡＮＴＥＬＬＡ　Ｍ　Ｌ，ＬＩ　Ｃ　Ｔ，ｅｔ　ａｌ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆ　Ｍｎ　ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｎｉ　ｉｎ　ａｌｕｍｉｎａ－ｆｏｒｍｉｎｇ　ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ　ｓｔａｉｎ－ｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａ，２００９，５２４（１）：１７６－１８５．［７］　喇培清，刘　辉，刘致远，等．Ａｌ对ＨＰ４０合金高温力学性能的影响［Ｊ］．兰州理工大学学报，２０１２，３８（４）：１０－１４．［８］　纪仁峰，刘楚明，詹传明，等．固溶温度对铸造双相不锈钢组织和力学性能的影响［Ｊ］．热加工工艺，２００５，３４（８）：１３－１４．［９］　戴起勋．金属组织控制原理［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００９．［１０］　王凤平，康万利，敬和民．腐蚀电化学原理［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００８．［１１］　ＷＯＬＦＦ　Ｉ　Ｍ，ＩＯＲＩＯ　Ｌ　Ｅ，ＲＵＭＰＦ　Ｔ，ｅｔ　ａｌ．Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｂｅｈａｖｉｏｕｒ　ｏｆ　Ｆｅ－Ｃｒ　ａｎｄ　Ｆｅ－Ｃｒ－Ａｌ　ａｌｌｏｙｓ　ｗｉｔｈ　ｍｉｎｏｒａｌｌｏｙｉｎｇ　ａｄｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａ，１９９８，２４１（１）：２６４－２７６．［１２］　喇培清，刘　辉，孟　倩，等．不同Ａｌ含量的３１０Ｓ耐热钢热轧加工后的组织和力学性能［Ｊ］．兰州理工大学学报，２０１２，３８（５）：１５－２０．［１３］　金维松，郎宇平，荣　凡，等．ＥＰＲ法评价奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性的研究［Ｊ］．中国腐蚀与防护学报，２００７，２７（１）：５４－５９．·８· 兰州理工大学学报 第４２卷。