鈮、鈦元素含量對15Cr鐵素體不銹鋼性能的影響

  采用掃描電鏡、XRD、高溫拉伸、常溫拉伸、FLD分析等方法,研究了穩(wěn)定化元素鈮、鈦在15Cr鐵素體不銹鋼中的析出行為以及鈮、鈦對高溫性能和室溫冷成形性能的影響。研究結(jié)果表明, 在950℃以下鈮單穩(wěn)定化可以使材料獲得較高的高溫強度,而鈮+鈦雙穩(wěn)定化不僅能夠在950℃以上的使用環(huán)境下顯著提高材料高溫強度,而且能夠在室溫使用條件下降低材料各向異性,提高材料的成形性能.近些年,世界各國對環(huán)境污染問題的日益重視,從而對汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)也越來越苛刻,所以主機廠需要采用提高燃油的燃燒效率,改良三元催化劑等方法以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。而這些措施均會導(dǎo)致汽車排氣系統(tǒng)的使用溫度升高,從而對制作排氣系統(tǒng)的材料提出了更高的要求。現(xiàn)階段,幾乎所有的汽車排氣系統(tǒng)均使用鐵素體不銹鋼,因為其具備良好的耐腐蝕性能和耐氧化性能,較低的熱膨脹系數(shù)和優(yōu)良的室溫成形性能。穩(wěn)定化元素鈮、鈦的添加是改善不銹鋼材料的綜合性能較為有效的措施之一,因為鈮、鈦對碳、氮元素的親和性相對于鉻元素更強,所以通過添加適量的鈮、鈦元素固定材料中的碳、氮原子,避免其與鉻生成Cr23C6從而提高材料的耐腐蝕性能。該理論在許多鋼種中均得到成功應(yīng)用。對于高溫狀態(tài)下使用的鐵素體不銹鋼而言,添加鈮主要是為了提高其高溫強度,而Ti的添加一方面是為了提高其焊接性能,另一方面因為其具有抑止Fe3Nb3C析出,保證不銹鋼中的固溶鈮含量不被消耗,從而確保材料在長時間高溫時效后依舊具備優(yōu)良的高溫強度。而作為汽車排氣系統(tǒng)用鋼,材料不僅要滿足高溫使用要求,還需要具備優(yōu)良的室溫成形性能以滿足深沖、漲形等加工要求。浙江至德鋼業(yè)有限公司通過對15Cr鐵素體不銹鋼采用鈮單穩(wěn)定化和鈮+鈦雙穩(wěn)定化兩種合金化方式,研究了單獨添加鈮元素和同時添加鈮、鈦對15Cr鐵素體不銹鋼的高溫強度和室溫冷成形性能的影響。 

一、試驗條件 

    試驗用鋼采用150kg真空爐冶煉后澆鑄為50kg的鋼錠,其化學(xué)成分見表1,鋼錠經(jīng)過鍛造后熱軋至4mm, 熱軋板經(jīng)過1040℃保溫5分鐘后冷軋至1mm,然后將冷軋板加熱至1040℃保溫2分鐘。用高溫拉伸實驗機測試材料高溫強度,高溫拉伸試樣均被加熱至1200℃保溫10分鐘后以10℃/s的速度分別降溫至各試驗溫度點進行拉伸試驗。物相計算是使用計算軟件,將高溫拉伸試樣萃取后用XRD分析試樣析出物。室溫力學(xué)性能試樣標(biāo)距為50mm,平行段寬度為25mm。用INTERLAKEN多功能成形實驗機測試極限拉深比LDR、杯突值和成形極限圖FLD,杯突試驗凸模直徑為20mm,試驗速度為5mm/min,聚氯乙烯薄膜潤滑,成形極限圖測試采用網(wǎng)格為2.5mm正方形網(wǎng)格,用ASAME應(yīng)變測量系統(tǒng)進行分析繪圖。 

二、 試驗結(jié)果及討論 

1.  高溫強度 

   圖為試樣1和試樣2在800℃和1100℃的高溫強度,隨著試驗溫度的升高,兩組試樣的高溫強度均明顯降低,尤其是在800與950℃之間,在950℃的時候,試樣1和試樣2的高溫強度基本處于同一水平,當(dāng)試驗溫度繼續(xù)升高至950℃以上時,鈮+鈦雙穩(wěn)定化的試樣2強度明顯高于試樣1。 在進行高溫拉伸試驗時,拉伸之前的均熱時間內(nèi)不銹鋼晶粒組織是一個長大的過程,而鋼中的析出物的尺寸和數(shù)量就決定了晶粒長大的程度。圖為用軟件計算的兩種成分試樣的平衡相圖,由圖可以看出,試樣1在1200℃以下會有鈮、氮、碳析出,而試樣2主要析出物為TiN和NbC, 鈮、碳、氮尺寸相對較小,分布彌散,對鐵素體晶粒的長大有著顯著的抑止作用, TiN在液態(tài)下就開始析出,而NbC的析出溫度在1200℃以下,所以部分NbC就會附著在TiN的表面析出,形成了復(fù)合析出物,從而導(dǎo)致彌散分布的NbC數(shù)量較少,其對位錯的釘扎效應(yīng)也隨之減弱。所以在950℃以下的各個溫度點,試樣1的高溫強度均高于試樣2是由于鈮、碳、氮的析出強化作用所導(dǎo)致的。至于圖平衡相圖中計算得出的sigma相和laves相需要在800℃以下的溫度區(qū)間內(nèi)長時間保溫才會產(chǎn)生,為確認鋼中是否有sigma相和laves相析出,將高溫拉伸試樣進行萃取之后用XRD進行分析, 圖3為物相分析的結(jié)果?？梢钥闯鲈嚇?中析出物主要為鈮、碳、氮,試樣2中析出物主要為TiN和鈮、碳、氮，未發(fā)現(xiàn)sigma相和laves相。 

  由圖可以看出,在950℃以上的溫度區(qū)間內(nèi),隨著試驗溫度的升高,鈮、碳、氮的析出量開始下降,這意味著析出物對位錯移動的影響程度減小。TiN由于尺寸比較大,能夠達到15μm,對強度的影響相對較弱, 在較高的溫度區(qū)間內(nèi),固溶鈮的含量對高溫強度的影響就顯得至關(guān)重要,圖為用計算的試樣1和試樣2在900℃以上的鐵素體基體中固溶鈮含量的變化趨勢,可以看出,采用Nb+Ti雙穩(wěn)定化的試樣在700、1200℃的溫度區(qū)間內(nèi)固溶鈮含量高于鈮單穩(wěn)定化的試樣1,而試樣2的總鈮含量甚至比試樣1低,這說明Ti有顯著提高鐵素體基體中固溶鈮的作用,從而使Nb+Ti雙穩(wěn)定的不銹鋼在較高溫度下具備相對較高的高溫強度。有研究表明，若在900℃以上保溫500小時后,單獨添加鈮的不銹鋼會有Fe2Nb析出,從而消耗基體中的固溶鈮導(dǎo)致高溫強度下降,而Ti的添加能夠明顯抑止Fe2Nb的生成,確保集體中固溶鈮的含量從而保證在高溫狀態(tài)下具備較高的強度。所以采用鈮+鈦雙穩(wěn)定化是確保材料滿足高溫環(huán)境下使用需求的必要條件。 

2. 成形性能 

  表為試樣的室溫力學(xué)性能,試樣1和試樣2的屈服強度、抗拉強度和延伸率均處于同一水平,可以看出在相同的生產(chǎn)工藝條件下,采用鈮單穩(wěn)定和鈮+鈦雙穩(wěn)定對15Cr不銹鋼的室溫強度無明顯影響,試樣2的延伸率略高于試樣1。圖為試樣1和試樣2的成形極限圖對比,由圖可見,無論是在拉拉變形區(qū)還是在拉壓變形區(qū),采用鈮+鈦雙穩(wěn)定化的試樣2極限應(yīng)變值均明顯高于鈮單穩(wěn)定的試樣1。從表中力學(xué)性能數(shù)據(jù)中可以看出,試樣2的加工硬化指數(shù)n值和強度系數(shù)值k值均高于試樣1,材料的硬化規(guī)律服從指數(shù)曲線nkεσ=,其中σ是應(yīng)力,ε為應(yīng)變,k值為強度系數(shù),n值為加工硬化指數(shù),較高的n值和K值均能夠增大失穩(wěn)極限應(yīng)變,使變形過程中的應(yīng)變分布趨于均勻化,從而提高了板材成形時的總體成形極限。單獨添加Nb的試樣1杯突值為10.5mm, 而采用鈮+鈦雙穩(wěn)定化的試樣2杯突值可達到11.0, 由此可見,鈮+鈦雙穩(wěn)定化不僅能夠降低材料的各向異性,還能夠改善變形均勻性,提高15Cr鐵素體不銹鋼的室溫成形性能。

三、結(jié)論

1. 在950℃以下,Nb單穩(wěn)定化能夠使材料具備較高的高溫強度,而Ti的添加有利于增加材料中固溶鈮含量,從而使鈮+鈦雙穩(wěn)定化的15Cr鐵素體不銹鋼在950℃以上具備更高的強度。

2. 鈮+鈦雙穩(wěn)定化有利于改善15Cr鐵素體不銹鋼的各向異性,顯著提高15Cr鐵素體不銹鋼的極限應(yīng)變值,使其具備更優(yōu)的室溫成形性能。