合金元素对高铬耐热钢碳化物的影响

戴宇杰　洪　敏　杨建祥

(武汉工程职业技术学院　湖北　武汉：430080)



合金元素对高铬耐热钢碳化物的影响

戴宇杰洪敏杨建祥

(武汉工程职业技术学院湖北武汉：430080)

采用热力学Thermo-Calc软件分析了4Cr14Ni14W2Mo耐热钢在不同温度下各平衡相数量及组成与钢中Gr、W、Mo、Ni含量之间的定量关系，为研究碳化物析出物的形成机理提供一定的借鉴作用。

高铬耐热钢；碳化物；析出物；热力学分析

0　引言

高铬耐热钢一般采用固溶强化，形成细小的第二相粒子来提高耐热钢的强度。由于含碳量的不同，材料相变点、热处理后材料的力学性能会存在一定的差异，但这些耐热钢却具有相似的结构。研究表明[1]，这些结构的类型主要为M23C6碳化物的析出物。TAKEI[2]和Rivlin[3]等通过理论计算和实验对比，系统地分析了合金存在的几种碳化物：如M3C，M23C6，M7C3，M6C、MC和LAVES相等。本文利用Thermo-Calc软件[4]作为工具，对高铬耐热钢4Cr14Ni14W2Mo组织中存在的多种类型碳化物的形成影响因素进行了研究。

1　实验方法

实验采取热力学平衡相图的计算，得到不同的温度、成分条件下稳定相组织及其构成关系图，见下图1。

图1　T-Cr、T-Mo、T-W、T-Ni与稳定相组成关系图

通过上图1，可以发现：除了Ni元素以外，Cr、Mo、W元素对碳化物的析出都有直接的影响。

2　实验结果分析

2.1合金元素Cr对碳化物析出物的影响

Cr是4Cr14Ni14W2Mo钢中含量最高的合金元素，可以和C元素形成M23C6型为主的析出物，起到沉淀强化的作用。Cr元素的质量分数与碳化物组成相摩尔分数之间的关系如下图2。

通过对图2的分析我们可以发现Cr元素含量与各组成相之间的关系如下：

图2　Cr元素质量百分数与各组成相之间的关系曲线

(1)LAVES相在Cr元素含量约为11%时出现，并随Cr含量增加而逐渐减少；当Cr的含量超过14%时，LAVES相完全消失。

(2)M3C2相不受Cr元素含量变化的影响。

(3)M6C相随Cr元素含量的增加呈递减趋势。当Cr的质量分数在5%含量以下时，几乎没有M6C出现；当Cr的质量分数超过5%时，开始出现M6C相，并随Cr的质量分数的增加而递减；当Cr的质量分数在6.8%左右时，高温条件下M6C相转变完成；但随后会有新的M6C相出现，转变约在12%左右结束。当Cr的含量超过14%时，M6C相完全消失。

(4)M7C3相随Cr元素含量的增加呈递减趋势。当Cr含量约超过12%时，M7C3相几乎完全消失。

(5)M23C6相随Cr元素含量的增加呈递增趋势。当Cr的质量分数在14%时碳化物M23C6达到最大值，随后逐渐呈现缓慢递减的趋势。

(6)MC相随Cr元素含量的增加呈递减趋势。MC相随Cr的质量分数的增加而逐渐溶解，到达在6%以后，MC相完全溶解。

2.2合金元素Mo对碳化物析出物的影响

Mo具有显著的固溶强化的作用，能优先地溶解于固溶体中，提高蠕变强度。Mo元素的质量分数与碳化物组成相摩尔分数之间的关系见下图3。

通过对图3的分析，我们可以发现Mo元素含量与各组成相之间的关系如下：

(1)M3C2、M7C3不受Mo元素含量的影响。

(2)LAVES相随Mo元素含量的增加呈递增趋势。当Mo含量低于1.23%时，LAVES相几乎不会出现；后随Mo含量的增加，LAVES相也随之增加；当Mo含量达到15%时，LAVES相也达峰值。

(3)M6C相随Mo元素含量的增加呈递增趋势。当Mo的质量分数在1.3%含量以下时，几乎没有M6C出现，当Mo的质量分数超过1.3%以上时，开始出现M6C相，并随Mo的质量分数的增加而增加。

(4)M23C6相随Mo元素含量的增加呈递减趋势。当Mo的质量分数在1.4%时碳化物M23C6达到最大值。

2.3合金元素W对碳化物析出物的影响

W元素固溶到基体金属中能提高固溶体的再结晶温度，同时可以缩小奥氏体相区，扩大铁素体相区，因此对提高耐热钢的热强性都有较好的作用。W元素的质量分数与碳化物组成相摩尔分数之间的关系见下图4。

图3　Mo元素质量百分数与各组成相之间的关系曲线

图4　W元素质量百分数与各组成相之间的关系曲线

通过对图4的分析，我们可以发现W元素含量与各组成相之间的关系如下：

(1)LAVES和M3C2相不受W元素含量的影响。

(2)M6C相随W的质量分数的增加呈递增趋势，当W的质量分数在2%含量以下时，几乎没有M6C出现；当W的质量分数超过2%以上，开始出现M6C相，并随W的质量分数的增加而增加；当W的质量分数在14%左右时，M6C含量达到最大值。

(3)M7C3相随W的质量分数的增加呈递减趋势，当W的质量分数达到2%左右时，M7C3几乎完全消失。

(4)M23C6相随W的质量分数的增加呈递减趋势。当W的质量分数在4%含量左右时，碳化物M23C6含量达到最大值。

3　结论

通过碳化物析出机理的现有理论及对计算结果的分析，可以得出以下结论：

(1)Cr元素是影响M23C6型碳化物析出的主要元素。Knutsen等关于碳化物析出理论[5]强调：M23C6型碳化物的析出，与晶界附近的Cr原子的富集程度密切相关。笔者认为，M23C6型碳化物的生长是同时受到C原子与Cr原子扩散的影响。随M23C6型碳化物的不断长大，原始的C原子不断的消耗，组织内的C原子扩散速率不断降低，从而造成M23C6型碳化物的长大速率不断降低，当Cr含量达到14%时M23C6析出量也将达到峰值。

(2)Mo和W元素的含量对碳化物的析出物形成有较大的影响。在不改变Cr、Ni成分的基础上，可适当的调整Mo、W的含量来调整碳化物析出物M23C6和M6C的含量。当Mo、W的含量增加到一定量时，钢中出现M6C的同时M23C6含量减少，M23C6的粗化现象也将随之减弱。

[1]胡正飞,杨振国.高铬耐热钢的发展及其应用[J].钢铁研究学报，2003，3(15)：60-65.

[2]Takei T.On the ferromagnetic carbides in molybdenum steels[J].Kinzoku no Kenkyu，1932，9:97-124.

[3]Rivilin V G.Critical review of constitution of carbon-iron-molybdbum system[J].Kinzoku no Kenkyu，1922，9:97-124.

[4]刘长俊.相律及相图热力学[M].北京：高等教育出版社.1995.

[5]Knutsen R D，Lang C I，Basson J A.Acta Mater[J]，2004；52；2407.

(责任编辑：李文英)

The Effect of Alloying Elements on 4Cr14Ni14W2Mo Carbide

Dai YujieHong MinYang Jianxiang

(Wuhan Engineering Institute， Wuhan 430080, Hubei)

In this paper, the relationship between carbide precipitates and alloying elements content in heat-resistant steel 4Cr14Ni14W2Mo were analyzed by using the thermodynamic Thermo-Calc software as a calculation tool. It provides some reference for the study of the formation mechanism of carbide precipitates.

4Cr14Ni14W2Mo； carbide； precipitates； thermodynamic analysis

2016-07-08

2016-08-15

戴宇杰(1980～)，男，硕士，工程师.E-mail：271531706@qq.com

TG142.73

A

1671-3524(2016)03-0016-04