N含量对00Cr25铁素体不锈钢组织和力学性能的影响

庞继明 高 凯 孙晓亮 王 康 李 进

(西安瑞鑫科金属材料有限责任公司，陕西710016)

铁素体不锈钢是不锈钢产品的重要成员，其产量仅次于奥氏体不锈钢，但其发展和应用远不及奥氏体不锈钢，其主要原因是铁素体受碳、氮含量限制，加热过程中晶粒容易长大且无法通过热处理加以细化，导致其力学性能降低以及高低温脆性等难以克服的缺陷影响。而铁素体不锈钢的高强度、高弹性模量、高热导系数、对应力腐蚀免疫或不敏感以及低镍或无镍等特点一直备受关注，随着冶金技术的不断发展，加速了铁素体不锈钢的研究和发展，也促使其应用领域的不断扩展。

00Cr25是一种耐热高铬不可淬硬铁素体不锈钢，该钢适合于在1095℃以下且具有优良的抗氧化性但强度和韧性不是主要因素的工作条件下使用，其典型的应用是消音器组件、燃油炉部件和玻璃密封线。本文以00Cr25铁素体不锈钢为例，通过力学性能测试和金相检测研究不同氮含量的组织与性能变化的关系，为实际生产中工艺优化提供参考。

1 试验方法

采用200 kg的真空感应炉熔炼母合金电极棒，电极棒经电渣炉重熔获得重熔钢锭。根据不同的配料分别获得不同氮含量的铸锭，其化学成分分析结果见表1。对比四个铸锭，其主要成分基本在同一水平，氮元素的含量达到预期设定的范围内。铸锭经过10 MN快锻机开坯锻造成方坯□100 mm，经热轧获得∅10 mm棒材，棒材经900℃热处理后测试四种不同氮含量的力学性能和显微组织。

表1 00Cr25钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical compositions of00Cr25 stainless steel(mass fraction, %)

2 试验结果与分析

2.1 氮含量对材料力学性能的影响

采用电子拉伸实验机进行力学性能测试，使用智能数字化显微维氏硬度测试仪测试材料硬度，测试结果见表2。

从表2可见，其力学性能均满足标准要求，随着N含量的增加，材料的力学性能有所增强。

2.2 氮含量对显微组织的影响

四个铸锭经过相同的加工工艺和热处理制度获得∅10 mm棒材，其金相显微组织差异较大。图1(a)为N含量0.004%的棒材，其金相显微组织粗大且晶粒粒径大小不一致，说明加工态组织在热处理过程中再结晶出现异常长大，导致金相组织不均匀。图1(b)为N含量0.029%的棒材，其金相显微组织粗大且晶粒粒径大小不一致，但比图1(a)有所改善，说明加工态组织在热处理过程中再结晶也出现异常长大，导致金相显微组织不均匀。图1(c)为N含量0.203%的棒材，其金相显微组织中晶粒粒径大小均匀一致，说明在热处理过程中，加工态组织顺利完成再结晶过程，晶粒细小且均匀一致，晶粒评级可达到8.0级左右，相较于图1(a)和图1(b)，其显微组织和晶粒度已有很大的改善。图1(d)为N含量0.397%的棒材，其金相显微组织中晶粒粒径大小均匀一致，说明加工态组织在热处理过程中顺利完成再结晶过程，晶粒细小且均匀一致，晶粒评级可达到八级左右，和图1(c)基本一致。

表2 不同N含量00Cr25不锈钢力学性能Table 2 Mechanical properties of 00Cr25 stainlesssteel with different nitrogen contents

图1 00Cr25铁素体不锈钢的金相显微照片Figure 1 Metallographic micrograph of 00Cr25 ferritic stainless steel

3 讨论

依据Fe-Cr平衡相图，可以看出当铬含量大于14%时，从液态到室温均可保持铁素体组织。00Cr25不锈钢含铬量超过23%，其组织为单相铁素体，没有临界转变和共析反应。氮是奥氏体形成和稳定化元素，在铁基固溶体中最显著和最有效的作用是稳定奥氏体降低铁素体含量防止有害金属间相的析出。在00Cr25铁素体不锈钢中，随着氮含量的增加，原子半径小的氮元素占据铁素体体心立方晶格间隙，多余的氮与金属Cr形成颗粒状的Cr2N和CrN氮化物第二相析出，其在晶粒内呈颗粒状分布而不是集中在晶界。在热处理过程中，第二相颗粒状氮化物作为再结晶的晶核存在，同时对晶界迁移起到钉扎作用。氮含量决定第二相的数量，影响再结晶时晶粒尺寸和对晶界的钉扎作用以及再结晶完成后晶粒异常长大的概率。从图1中显然可以得到上述结论，试样1中未添加氮元素，极少量的氮以间隙原子存在于铁素体体心立方晶格中，热处理过程中再结晶完成后随着热处理时间的延长，晶粒开始异常长大，导致其金相显微组织不均匀。随着氮含量的增加，当铁素体中的氮达到饱和后，颗粒状氮化物Cr2N和CrN以第二相析出，弥散细小的第二相成为再结晶的晶核同时其对晶界的钉扎作用有效阻止热处理过程中的晶粒异常长大。图1(b)中加入了少量的氮元素，可明显看到晶粒细化的趋势，但因为氮含量不够，热处理过程中弥散的氮化物数量极少，相当一部分晶粒在热处理过程中出现异常长大。图1(c)和图1(d)因加入了足够的氮元素，形核的氮化物数量多，再结晶过程中析出的第二相颗粒状氮化物既作为晶核也起到钉扎作用限制晶界的迁移，晶粒得到了细化，随着热处理时间的延长，细化的晶粒能够保留下来。但过高的氮含量会增加铸锭熔炼的难度，在液-固转化过程中，氮溶解度的变化导致大量气体析出和金属体积变化，在铸锭内部出现大量气孔，影响铸锭质量，不利于后续加工。

随氮含量的增加，00Cr25铁素体不锈钢力学性能随之增强，可以发现氮含量对材料力学性能影响明显。由于氮原子半径小，在00Cr25铁素体不锈钢中以间隙元素对铁素体晶格畸变的影响小，而析出的颗粒状Cr2N和CrN氮化物第二相起到弥散强化的作用。因此氮元素至少在固溶强化、弥散强化和晶粒细化三方面对00Cr25铁素体不锈钢的强化有积极作用。受氮元素强化机理影响，00Cr25铁素体不锈钢的力学性能随着氮含量的增加而增强，同时其对晶粒的细化作用使材料的塑韧性并未降低。随着氮含量的增加，00Cr25铁素体不锈钢的力学性能和显微组织变化不再明显。因此，00Cr25铁素体不锈钢含氮量在0.2%左右时，材料的力学性能和金相组织达到最佳状态。

4 结论

(1)随着N含量的增加，00Cr25耐热高铬铁素体不锈钢由铁素体单相组织转变为铁素体和析出的第二相Cr2N和CrN的氮化物。

(2)随着N含量的增加，00Cr25耐热高铬铁素体不锈钢在900℃热处理后，其材料的强度得到了提高，但材料的塑韧性降低，显微硬度增强幅度小。

(3)热处理过程中，弥散的Cr2N和CrN的氮化物颗粒能有效细化和阻止晶粒异常长大，晶粒度达到八级左右。

(4)当N含量在0.2%左右时，00Cr25耐热高铬铁素体不锈钢综合性能最佳。