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氮含量对超细晶粒奥氏体不锈钢管组织和性能的影响
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氮含量对超细晶粒奥氏体不锈钢管组织和性能的影响

作者:小编    发布时间:2021-07-22 08:46:25     浏览次数 :



采用机械合金化和放电等离子烧结技术制造了一种超细奥氏体不锈钢管,对其结构和性能进行了分析,研究了氮含量对不锈钢管组织和性能的影响。结果表明,随着氮含量的增加,烧结试样中的马氏体变得越来越小。氮对奥氏体有稳定作用,当氮含量为1.2%时,试样基体变为单一的奥氏体相。所得样品晶粒均细小均匀,尺寸达到纳米级,含氮量为1.2%的样品最小晶粒尺寸仅为100nm。这表明采用机械合金化方法结合等离子烧结技术成功制备了纳米奥氏体不锈钢管。添加氮可以显着提高奥氏体不锈钢管的硬度、耐磨性和抗拉强度。

不锈钢管的发明是世界冶金史上的一项重大成就,不锈钢管的生产为现代工业和技术的发展奠定了重要的物质技术基础[1-2]。不锈钢管在我国的科研和批量生产应用已有40多年的历史,广泛应用于化工、石油、湿法冶金、航天、航空、核工业、交通运输、轻工、纺织电子等行业。以及在日常生活中使用[3-4]。奥氏体不锈钢管因其无磁性和良好的焊接性能而备受关注,但随着对强度、韧性和低磁性能的要求越来越高,不锈钢管性能的提高有了新的途径。深入研究也十分紧迫,因此有人开发了一系列特殊用途的高性能钢,其中高氮钢就是其中之一[5-7]。本文的目的是使用机械合金制造超细晶粒不锈钢管粉末和使用放电等离子烧结烧结球磨机粉末制造超细奥氏体不锈钢管。对烧结试样进行X射线衍射和SEM分析可以证实形成了超细奥氏体组织,并对不锈钢管烧结块的力学性能进行了测试,分析了氮含量对烧结体的影响。材料的机械性能。 1 实验材料与方法被测原料为304不锈钢管粉(主要含17.16% Cr、8.71% Ni、0.46% Mn)、高氮铬铁粉(主要含27.2% Fe、62.6% Cr、8.48% N) ) 和少量的Fe 和Ni 粉末。原料按比例分为4组,如表1所示。

采用QM-1SP4-CL行星式球磨机和SPS-3.20MK SPS(Spark Plasma Sintering)机对上述四组材料进行抛光烧结,烧结后用Tc500氮气和氧气测定四组样品的相组成分析仪分析最终样品的氮和氧含量WTM-IE 磨损试验机、HV-5 维氏硬度计、WAW -500C 压缩试验机使用氮含量测量这些不同烧结样品的摩擦系数、维氏硬度和抗压强度.

2 测试结果与分析

2.1 X射线衍射分析

用飞利浦XPert 衍射仪分析了四组不同氮含量的样品,结果可在如图1 上获得。可以看出,当氮含量较低时,试样基体为马氏体,这主要是由于球磨过程中发生了大量的应变诱发马氏体相变。随着氮含量的增加,烧结试样的马氏体变小,奥氏体峰越来越强,当氮含量为1.2%时,试样基体变为单一的奥氏体相。原因是氮减缓了面心结构向体心致密六方马氏体的转化。可以得出结论,氮对奥氏体有稳定作用,甚至可能取代不锈钢管中的部分镍。这方面的报道很多,也提出了很多计算镍当量的公式。综上所述,1KgN对应6-22KgNi稳定奥氏体,通过机械合金化和放电等离子烧结制造奥氏体不锈钢管。

2.2 SEM 显微镜分析

采用扫描电镜观察不同N含量样品的形貌,所得微观结构形貌见如图2。可以看出,图2(a)样品晶粒尺寸约为300 nm,图2(b)样品晶粒尺寸约为200 nm,图2(c)样品晶粒尺寸为约150 纳米。在图2(d)中,样品的粒径约为100 nm,四个样品的颗粒均细而均匀,尺寸均达到纳米级。随着氮含量的增加,样品的粒径变小,当N含量为1.2%时,粒径仅为100 nm左右,可以通过机械球磨和放电等离子烧结来实现。粒径随含氮量增加而减小的原因可能是因为氮元素与铁基体的界面能比较小,容易形成分散的微增强图像,因而具有粒径强化作用影响。大。

2.3 氮氧分析

为了更好地反映最终块体的氮氧含量和烧结前后氮氧含量的变化,对烧结后的原粉和试样的氮氧含量进行了分析,数据见表2 .表2显示了烧结前后粉末的氮和氧含量,均高于预期,样品3#和4#的氮含量高得惊人。分析这种现象的原因是球磨前原料粉的氮含量高,另一个原因是氮氧分析存在误差。除3#外,其他样品的氮含量均较原样增加,说明仍有氮转化为奥氏体基体。

2.4 耐磨性分析

使用WTM-IE 摩擦磨损测试仪测量烧结样品的摩擦系数。通过测量试样的摩擦系数可以得到试样的耐磨性,摩擦系数越小,耐磨性越强。图3显示了不同氮含量样品的摩擦系数测试曲线。可以看出,随着氮含量的增加,摩擦系数逐渐降低,随着时间的推移,摩擦系数曲线变得相对平坦。这说明加氮对耐磨性的影响较大,加氮可以提高不锈钢管的耐磨性,而且随着含氮量的增加会变强。耐磨性的提高是因为一部分氮转化为氮化物而析出,氮化物有效地强化了材料表面,提高了耐磨性。

2.5 显微硬度分析

表3显示了用HV-5维氏硬度计测量的每个烧结体的维氏硬度。烧结试样的硬度比一般的304不锈钢管高很多,约为300HV左右,可见氮含量越高,试样的硬度越大。硬度的增加主要是由于N元素的固溶强化、氮化物的弥散强化和细晶强化。其中,氮化物的弥散强化对硬度的影响最大,并且由于氮化物的析出量随着N含量的增加而增加[8],因此硬度随着N含量的增加而增加。

2.6 抗压强度分析

由于烧结试样尺寸较小,不能满足拉伸试验的规范要求,用线切割机切割4组试样,分别切出5mm和10mm高的圆柱体,然后进行压缩试验。结果是http:///1287.cn/4 如图所示。可以看出,试件的抗压强度较高,最低为1100 MPa,最高为1810 MPa。并且随着氮含量的增加,样品的抗压强度增加。另一方面,随着氮含量的增加,晶粒变小,出现细晶强化效应,而另一方面,这可能是氮固溶强化的结果。还可以看出,加入0.3%氮气的烧结样品,在达到最大压缩压力后,在材料失效前保持一段时间,表明材料具有一定的韧性。与张欣等人[9]研究的完全脆性断裂相比,这是一个很大的改进。达到0.6% N 会导致更长的停留时间,表明材料的韧性从0.3% 的氮提高到0.6% 的氮。然而,随着氮含量的进一步增加,最大压力下的停留时间缩短,表明韧性下降。这也是固溶强化和晶粒细化共同作用的结果。固溶强化降低了材料的韧性,晶粒细化提高了材料的韧性。当含氮量低时,后一种效应占优势,当含氮量增加时,前一种效应会越来越明显。因此,随着氮含量的增加,材料的韧性先增加后降低。

3 结论

(1)机械合金化方法结合等离子烧结技术成功制备出晶粒尺寸仅为100nm左右的纳米级奥氏体不锈钢管。 (2)随着含氮量的增加,基体中马氏体量逐渐减少,奥氏体含量增加,当加入含氮量为1.2%的试样时,基体已为奥氏体。这证实了氮元素具有稳定奥氏体组织的作用。 (3)随着含氮量的增加,奥氏体不锈钢管的硬度、耐磨性和抗压强度大大提高。韧性首先增加,然后随着氮含量的增加而降低。


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