304不锈钢具有良好的耐高温、耐腐蚀、低温强度、机械性能、冷加工性能及良好的焊接性而被广泛应用于制作要求具有良好综合性能的核工业、化工、军工、能源等行业的铸件。但在含有水蒸气、硫化等高温、高压环境下工作,不锈钢表面Cr2O3钝化膜会大量挥发形成铬的氢氧化物,导致抗氧化性能、耐蚀性明显下降,这在很大程度上阻碍了304不锈钢在上述环境的应用。

Al元素的添加可使304不锈钢使用时表面氧化膜的组成←从Cr2O3为主向Al2O3为主转变,众所周知Al2O3保护膜比Cr2O3保护膜具有更优异的热力学稳定性,可使此类钢耐腐蚀性、耐高温氧化性最高可提高一个数量级左右,尤其在600-850℃,水汽和硫化环境中服役,Al2O3保护膜比Cr2O3保护膜更为№稳定。此外由于Al元素的固溶强化效应此类钢的强度也同时得到一定的提高。

本课题组前期对小规模制备的几十克左右↓的含Al304不锈钢铸态组织与性能也做了研究,不锈钢中▲最高Al含量已达5wt%。研究发现,加Al后不锈钢耐腐蚀、抗氧化等性能得到大幅提高,同时通过对成分、组织的综合』调控其室温塑性等指标能够保持甚至超越原有值。

304不锈钢常被加工成铸件,产量大约占到其总产量20%左右。而目前,关于含铝304不锈钢在大规模类似工业生产条件下进行铸造、固溶及其组织演变的研究还未展开。因此,在类工业生产环境下铸造几十公斤到几百公斤的高铝304不锈钢,研究不锈钢成分与相组成、及其与铸造、固溶工艺间的相互关系规律和Al元素的作用机制,将为此类钢铸件及其进一步热轧成形加工提供坚实的≡实验和理论基础。

实验过程

基于304不锈钢设计了Al含量分别〓为1.523wt%的不锈钢,其设计成分如表2.1所示,不锈钢具体制备过程如下:

采用功率为70KW,最大容量为50Kg的中频感应电炉熔炼(如图2.1)。按设计成分备料,Al熔点较低,易挥发,备料时应按其大约30%的烧⊙损率进行计算。每炉熔炼10kg。为了产生较大的感应涡流,将不锈钢原材料切成长条状沿炉膛内壁摆放,铝锭放在不锈钢板内部。铝锭为兰州铝厂生产,纯度为99.9%。所用304不锈钢原料为市售板材,其成分如表2.2所示,加热功率先大后小,加热到1550-1640℃,保温20分钟,待合金元素扩散均匀,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。试块为标准楔形,如图2.2所示。砂型浇铸熔炼不锈钢,浇铸型腔采用呋喃树脂砂型铸造,型砂配方为石英砂重:呋喃树脂重:固化剂(对甲苯磺酸)重=100:1:0.4,一箱2件。型腔内用碱性︼醇基镁砂粉涂料快刷燃烧自干。在砂型底部预埋20mm厚的冷铁,增强组织的致密性。

利用电火花线切割,从不同Al含量304不锈钢铸锭试样区域切取两块140×10×50mm的试样,切取部Ψ 位为图2.2所示。其中一块试样一分为二进行固溶处理,固溶处理具体处理参数为:加热温度1050℃,保温时间45min,水冷;加热温度1080℃,保温时间1h,水冷。对不同Al含量铸造、固溶304不锈钢进行OMSEMXRD分析。采用RigakuD/max2550X-ray衍射仪对不同Al含量304不锈钢进行物相分析,所↓用样品表面在400#砂纸上打磨光滑,不用腐蚀。用Cu靶作为Kα射线,波长为λ=1.5406?,扫描角度范围为20120?。

利用Mef3光学显微镜对铸造、固溶态试样组织进行分析,样品经240#600#800#1000#1200#1500#2000#砂纸依次打磨,试样从下到上沿一个方向打磨,每更换一次不同型号砂纸都要将试样顺时针方向旋转90°后再磨,然后将打磨好的试样进行机械抛光,抛光剂为Cr2O3,抛好后的试样经超声波清洗后电解腐蚀,电解液为10%HNO3+H2O,电压为1.5V,时间30-60S,利用IPWIN32软件对不锈钢的组成相体积分数进行统计,每个样品在100200倍的条件下测多个视场,然后对各视场下获得的组成相体积分数求平均值。

利用JSM-6700F扫描电镜观察不同Al含量304不锈钢显微组织,用附带的能谱分析仪(EDS)对组成相的成分进行定性分析。利用EPMA-1600电子探针对不同Al含量铸造、固溶态304不锈钢组织及钢中合金元素分布进行面扫描分析。

利用JEM2010透射电镜观察不同Al含量铸造304不锈钢组织。首先,利用线切割在铸锭上切取1mm左右的薄片,将薄片粘在厚玻璃上,先用240#粗砂纸打磨,再用15002000#细砂纸◣磨到80μm左右,磨好后将粘着试样的玻璃块放入丙酮溶液中浸泡一段时间后将薄☆片试样取下。薄片试样经过超声波清洗后,冲压成Φ3mm的圆片,再用2000#细砂纸将试样表面轻轻打磨,然后将圆片置于双喷仪中装有铂丝的试样ζ夹中,进行电解双喷减薄。电解腐蚀液为2%高氯酸+98%乙醇,温度控制在-25-30℃之间,用液氮冷却,双喷电压45V

实验结果

Al元素对铸造304不锈钢组织的影响

不同Al含量铸造304不锈钢XRD图谱如图2.3所示。1.52wt%Al铸造304不锈钢主要的衍射峰分别对应于奥氏体和铁素体相。随Al含量增加,铁素体※相对应衍射峰峰强逐渐增强,Al含量为3wt%时,只看到单一的铁素体衍射峰,奥氏体衍射峰消失,说明304不锈钢中加入3wt%Al时,其基体组织已经转变为完全的铁素体相。

不同Al含量铸造304不锈钢光学组织如图2.4所示,从图2.4a-c)中可以看【出,未含Al和含1.52.wt%Al304不锈钢由灰白色相和黑色相及少量黑色颗粒组成。结合图2.3,我们可以推断黑色相为铁素体,灰白色相为奥氏体,而3wt.%Al304不锈钢的基体为完全的铁素体相。奥氏体、铁素体两相形貌随Al含量的不同而变化。未含Al304不锈钢中铁素体主要以骨骼状分布在奥氏体基体上;1.5wt%Al304不锈钢与2wt%Al304不锈钢中铁素体▆主要以长条状、块状、岛状分布在奥氏体基体上;而3wt%Al304不锈钢基体组织完全是铁素体相。统计了不同Al含量铸造304不锈钢中铁ω素体相体积分数,如图2.5所示。可以看出,随Al含量增加其体积分数依次增加。

小结

(1)不同Al含量铸造304不锈钢中,随Al含量的增加,基体组成相由奥氏体+铁①素体相转变为单相铁素体;铁素体形貌由最初的骨骼状转变为长条、块状、岛状,最终□ 转变为基体相。Al含量为3wt%时,仅有极少量奥氏体沿铁素体晶界析出,基体为完全铁素体相;铁素体相体积分数随Al含量的增加依次增加由◆最初未加Al7%转变为完全的铁素体相,不同Al含量304不锈钢凝固模式均为F模式。

(2)大部分Al元素以固溶的形式存在于铸造304不锈钢中,少量以AlNAl(C,N)的形式析∴出,Al元素在铁素体相内存在偏析,且随Al含量增加,偏析现象加剧。CrC等元素在铁素体相内富集,Ni元素在奥氏体内富集。3wt%Al304不锈钢中出现晶粒尺寸为100-250nm的富Al铁素体相。

(3)不同Al含量304不锈钢,经1050+45min℃、1080+1h固溶卐处理后,组织中铁素体体积分数随Al含量增加而增加,Al元素在奥氏体、铁素体两相间的分布趋于平衡。与铸态组织相比,相同Al含量304不锈钢中铁素体相体积分数增加;相同Al含量的304不锈钢,固溶处理温度越高,组织中γ→δ转变进行的越充分,形成的铁素体相越多。

(4)固溶处理组织可使▼1.52wt%304不锈钢的强度和1.5wt%Al304不锈钢的塑性相比于铸态得到显著提高。同时,固溶处理组织可使1.52wt%304不锈钢的耐晶间腐蚀〖性能相比于304提高大约30-40%