0Cr(13-16)Ni(4,5)Mo(1,2)系超低碳馬氏體不銹鋼(超級(jí)馬氏體不銹鋼)具有較高的強(qiáng)度和韌性、良好的抗氣蝕和水蝕行為及可焊性,近年來(lái)在核電工程構(gòu)建、大型水輪機(jī)和高壓給水泵建造、石油開采等能源領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。該系列鋼正火+Ac1以上溫度回火后的組織為回火板條馬氏體+彌散分布在馬氏體板條邊界及內(nèi)部的逆變奧氏體的雙相組織。盡管逆變奧氏體的存在以及碳含量的降低賦予這類馬氏體不銹鋼諸多優(yōu)異性能,但在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨強(qiáng)度偏低、耐蝕性不足和δ鐵素體超標(biāo)等問題,使其廣泛應(yīng)用受到了限制。本研究試圖通過微合金化的方法進(jìn)一步改善超級(jí)馬氏體不銹鋼的組織和性能。本研究以0Cr(13-16)Ni(4,5)Mo(1,2)馬氏體不銹鋼化學(xué)成分為基礎(chǔ),熔煉了不同氮含量、釩氮、鈮微合金化以及鈮釩氮微合金化實(shí)驗(yàn)用鋼。研究了在真空感應(yīng)爐近常壓氣氛保護(hù)條件下氮在0Crl6Ni5Mo馬氏體不銹鋼鋼液中的溶解度,探討了爐內(nèi)保護(hù)氣體種類、氮化鉻鐵加入量對(duì)鋼液中氮含量的影響；通過在較寬溫度范圍內(nèi)對(duì)不同微合金化方式馬氏體不銹鋼回火,結(jié)合相圖計(jì)算并采用激光共聚焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和X射線衍射儀對(duì)經(jīng)不同溫度回火實(shí)驗(yàn)鋼的組織進(jìn)行觀察表征,研究了不同微合金化方式對(duì)馬氏體不銹鋼相組成和回火組織演變的影響規(guī)律；通過拉伸、沖擊及電化學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究了不同微合金化方式對(duì)馬氏體不銹鋼力學(xué)性能和耐蝕性能的影響規(guī)律,并進(jìn)一步探討了不同微合金化方式的作用機(jī)理,zui終得到一種能夠綜合改善馬氏體不銹鋼力學(xué)性能和耐蝕性能的微合金化方式,并取得如下結(jié)論：1、真空感應(yīng)爐近常壓氮?dú)獗Ｗo(hù)熔煉時(shí),氮在0Crl6Ni5Mo馬氏體不銹鋼液中的溶解度ω[N]約為0.18%,接近熱力學(xué)計(jì)算的該鋼中氮的溶解度,隨加入氮化鉻鐵合金量的增加基本保持不變。近常壓氬氣氣氛保護(hù)熔煉時(shí),馬氏體不銹鋼中的氮含量低于理論計(jì)算的該鋼中氮的溶解度,并隨著氮化鉻鐵添加量的增加而提高。2、N作為強(qiáng)奧氏體形成元素,加入0.16%N能*抑制OCrl5Ni5Mo鋼中δ鐵素體的出現(xiàn),而加入約0.1%N能將δ鐵素體含量降低至1%以下。同時(shí),還能夠顯著增加正火后鋼中殘余奧氏體含量。含氮鋼與不含氮的實(shí)驗(yàn)鋼在350～500℃的較低溫度范圍內(nèi)回火,均有二次硬化效應(yīng)產(chǎn)生,并在450℃回火后達(dá)到峰值,含氮鋼的二次硬化效應(yīng)強(qiáng)于不含氮鋼的二次硬化效應(yīng)。在500℃以上溫度回火,在不含氮0Crl6Ni5Mo馬氏體不銹鋼中,沿奧氏體晶界、馬氏體板條邊界及在馬氏體板條內(nèi)部有M23C6型碳化物產(chǎn)生；在含氮鋼中,Cr2N在馬氏體板條邊界及內(nèi)部形核長(zhǎng)大,其與基體的取向關(guān)系為[111]M//[001]C42N,(011)M//(100)Cr2N,隨著回火溫度升高逐漸長(zhǎng)大,失去與基體的共格作用,強(qiáng)化作用迅速下降。3、對(duì)0Cr(13～16)Ni(4,5)Mo(1,2)系馬氏體不銹鋼在Ac1點(diǎn)(約525℃)以上溫度回火,逆變奧氏體在原奧氏體晶界、馬氏體板條邊界及內(nèi)部以形核擴(kuò)散方式形成并長(zhǎng)大。該逆變奧氏體由于其相對(duì)較高的穩(wěn)定性,能夠在回火后冷卻過程中部分穩(wěn)定保存至室溫。逆變奧氏體的穩(wěn)定性與其化學(xué)成分及回火溫度有關(guān)。室溫下,逆變奧氏體的存在及其體積分?jǐn)?shù)的增加是馬氏體不銹鋼回火后強(qiáng)硬度下降的主要原因。隨著回火溫度的升高,逆變奧氏體體積分?jǐn)?shù)明顯增加,且部分逆變奧氏體長(zhǎng)大呈塊狀。隨著回火溫度的進(jìn)一步升高,由于高溫時(shí)逆變奧氏體穩(wěn)定性的下降,在回火后冷卻過程中發(fā)生二次轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致室溫下逆變奧氏體體積分?jǐn)?shù)減少。N的添加抑制了回火過程中逆變奧氏體的形成。4、不論是含氮量為0.1%和0.12%的0Crl6Ni5Mo,還是含氮量?jī)H為0.04%的0Crl3Ni4Mo,Ac1(約525℃)以上溫度回火在促進(jìn)鋼中逆變奧氏體形成的同時(shí),也導(dǎo)致棒狀Cr2N在馬氏體板條邊界及馬氏體板條內(nèi)部大量析出。隨著回火溫度的升高,Cr2N的粗化不僅使得其對(duì)鋼強(qiáng)度的提高作用不明顯,還嚴(yán)重削弱不銹鋼的沖擊韌性。更重要的是,由于Cr2N的析出使得析出物周圍Cr貧化,成為點(diǎn)蝕易發(fā)生區(qū)域,從而降低了不銹鋼的耐腐蝕性能。因此,對(duì)于含氮0Cr(13-16)Ni(4,5)Mo(1,2)系馬氏體不銹鋼,不宜采用傳統(tǒng)熱處理工藝來(lái)獲得良好綜合力學(xué)性能和耐蝕性能。5、含0.1%N的0Crl6Ni5Mo鋼中0.12%V的添加雖然抑制了回火過程中逆變奧氏體的形成,但由于對(duì)回火過程中析出物類型的改變(棒狀Cr2N→球狀VN)使得沖擊韌性顯著提高。然而,由于析出的VN容易粗化,強(qiáng)度的提高作用很小。同時(shí),由于0.12%V的加入不足以穩(wěn)定鋼中0.1%N,回火過程中仍有大量Cr2N析出。鋼中進(jìn)一步加入0.04%Nb,能明顯提高鋼的強(qiáng)度,但由于NbN的粗化,嚴(yán)重削弱鋼的沖擊韌性。550℃以上回火在促進(jìn)0.025%Nb0.09V0.06N復(fù)合微合金化鋼中球狀微合金元素Nb、V的碳氮化物析出的同時(shí),還有棒狀Cr2N析出。這些析出物大量在馬氏體板條形核并粗化。6、把0Crl3Ni5Mo(1,2)馬氏體不銹鋼中的N含量降至0.01%能顯著降低550℃以上回火過程中富Cr氮化物析出的體積分?jǐn)?shù)。再向低氮馬氏體不銹鋼0Crl3Ni5Mo(1,2)中添加0.1%Nb,基本能*抑制550℃以上溫度回火過程中M23C6和M7C3型碳化物的析出。550℃以上溫度回火過程中,納米級(jí)Nb(C,N)(<5～10nm)在馬氏體板條邊界及板條內(nèi)部析出,不僅顯著提高0Crl3Ni5Mo(1,2)不銹鋼的強(qiáng)度,并且不會(huì)使延伸率和沖擊韌性大幅降低,zui重要的是,由于0.1%Nb的添加對(duì)鋼中Cr的碳氮化物析出的抑制,從而抑制了Cr貧化區(qū)的產(chǎn)生,在一定程度上改善了馬氏體不銹鋼的耐蝕性能。含0.1%Nb的0Crl3Ni5Mo(1,2)馬氏體不銹鋼經(jīng)600℃回火后,能得到優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和腐蝕性能,即屈服強(qiáng)度930～960MPa,延伸率19～20%,沖擊吸收功160J。
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