耐热不锈钢

您的当前位置:网站首页 > 耐热不锈钢 > 铝元素含量对310S耐热钢高温压缩性能的影响

铝元素含量对310S耐热钢高温压缩性能的影响

来源:至德钢业 日期:2020-12-01 03:47:21 人气:148

 浙江至德钢业有限公司通过WS4非自耗电弧炉熔炼制备铝含量大约在:2%~10%的310S耐热不锈钢,用Mef3光学金相显微镜和XRD研究其显微组织,采用ThermechastorW热/力模拟试验机对所制备合金的高温压缩性能进行研究.结果表明,随着铝含量的增加,碳化物由网状转变为细小颗粒组成的不连续网状,最终转变为颗粒状,基体在含铝质量分数大于6%时由γ相转变为α相.不同铝含量的合金流变应力范围基本一致,合金的高温屈服强度由未添加铝元素时的74MPa先降低至61MPa后开始升高,在铝质量分数为6%时达到最大值86MPa,之后高温屈服强度逐渐降低,加铝后合金热加工性能并未显著改善.


(0Cr25Ni20)310S耐热不锈钢是高铬镍奥氏体不锈钢,在氧化介质中具有优良的耐蚀性,同时具有良好的高温力学性能,因此它既可用于耐蚀部件又可用于高温部件,在高温氧化环境和石油化工中得到广泛应用。310S不锈钢系是含铬质量分数25%、含镍质量分数20%的高合金耐热不锈钢,其热强性,抗氧化性能均较其他耐热不锈钢优良,是比较常用的炉管材料,也是国内外大型化肥厂转化炉的主要材料。高温合金的强化方式主要包括:固溶强化、第二相强化(沉淀析出强化和弥散强化)以及晶界强化.在各种合金中加铝、钛、铌、钽等,通过生成长程有序的金属间化合物,来提高合金的高温性能,尤其在镍基高温合金中已得到了大量应用,如gα(Ni3Nb)和g(Ni3Al)沉淀强化的镍基Inconel718合金在航空发动机涡轮盘中得到了很好的应用。铝与铁、镍发生反应可形成一些性能优良的有序金属间化合物。由于较强的键结合和复杂的原子排列,与无序合金相比,它具有相当低的自扩散系数,从而可以获得高的蠕变抗力,具有更高的高温强度。同时,铝元素在合金表面形成三氧化二铝可进一步提高其高温抗氧化性能,使其可在更高的温度和恶劣的环境气氛下服役。浙江至德钢业有限公司以现有310S耐热钢为基础,加入铝元素进行合金化,加入铝质量分数为2%~10%。通过对不同铝含量(质量分数)合金高温压缩性能的研究,揭示不同铝含量对310S耐热钢高温压缩性能和热加工性能的影响规律。


一、试验过程


浙江至德钢业有限公司技术人员在310S耐热钢中加入铝质量分数为2%~10%,设计5种合金,具体化学成分见表。按照表称取各元素的粉末,粉末在QMBP行星式球磨机中混合8小时,转速为250r/min,三氧化二铝陶瓷球为球磨介质.混合后的粉末在钢模中压缩成20mm和50mm圆柱,接着在氩气保护下将压成的圆柱在WS4非自耗真空电弧熔炼炉中熔炼,熔炼电流为250A.熔体在水冷铜坩锅中保温2min后关闭电弧,熔体在铜模中凝固.将熔炼出的合金试样用水砂纸打磨、抛光处理,用D8ADVANCE型X射线衍射仪分析不同铝含量的310S耐热钢的相组成,用FeCl3+盐酸+蒸馏水腐蚀液腐蚀后在Mef3光学金相显微镜上观察试样的显微组织.将试样机加工成8mm和12mm的Rastegaev标准压缩试样。上下两端有0.2mm深的浅槽,以便添加润滑剂,以消除变形过程中试样与压头之间的摩擦,获得单向压应力.用ThermechastorW热/力模拟试验机进行高温压缩热变形试验,温度为1100℃,应变速率为0.1s-1.采用碳化钨圆柱作为压头,在试样端部涂抹一层玻璃润滑剂,以保证压缩变形的均匀性和稳定性,获得单向压应力.试样以10℃/s的加热速度加热到变形温度,并在此温度保温2min以消除试样内部的温度梯度,然后在变形温度下以0.1s-1的应变速率压缩到最大载荷,变形结束的瞬间喷水4秒快速冷却.


二、实验结果


 1. 热压前的显微组织


 图是1#~6#样310S耐热钢的XRD衍射图,从图中可以看出,1#~3#样合金基体相为g相,4#~6#样合金基体为α相,即当加入铝=6%时,基体相开始发生转变.由于非自耗电弧炉的水冷铜坩埚具有较快的凝固速度,碳化物以固溶相的形式存在于合金中,因此在XRD中未出现碳化物的衍射峰.


 图为不同铝含量310S耐热钢的金相组织图,从图中可以看出,1#样合金的基体由灰白色和黑色相2相组成,结合图XRD分析可知,灰白色相为FeCrNi形成的基体g相,黑色相是网状碳化铬相。与1#样合金的显微组织相比,图中2#样合金中灰白色相为FeCrNi形成的基体相,铝元素固溶于g基体相中,此时网状碳化铬黑色相开始变得不连续。图中3#样合金中灰白色相仍为由FeCrNi形成的基体g相,铝元素固溶于基体中,碳化铬的连续性进一步降低。结合图中4#样的XRD分析可知,4#样合金的金相组织中黑色相为α相,灰色碳化铬相转变为由细小颗粒组成的不连续网状。结合图1中5#、6#样的XRD分析可知,5#、6#样合金中灰黑色相均为α相.5#样合金中白色碳化铬相减少,已无网状特征,从图可以看出,6#样合金中白色碳化铬颗粒进一步减少。


 2. 真应力


 真应变曲线不同铝含量的310S耐热钢在1100℃,0.1mm/s下真应力真应变曲线如图所示,由图可见,材料在高温变形条件下的流变应力保持上升趋势,随着应变的增加材料的应力急剧增加,然后保持稳定的增长.压缩过程中,材料并未破裂直至加载到最大载荷。不同铝含量的310S不锈钢的高温流变应力均在150~300MPa左右,无显著变化.


 3. 高温屈服强度


 图是不同铝含量耐热钢合金的高温屈服强度0.2,从图可以看出,铝质量分数在2%时,合金的高温强度略微降低,从75MPa降到61MPa.随着Al含量的增加,合金的高温屈服强度开始升高,铝质量分数为4%时,合金的高温强度为80MPa,略高于未加铝的310S耐热钢,铝质量分数为6%时,合金的高温屈服强度达到最大值86MPa,铝含量继续增加,合金的高温屈服强度开始降低.从真应力真应变曲线及屈服强度的影响可以看出,铝元素的加入并未显著改变材料的热加工性能.


三、分析与讨论


 铝元素加入到钢中,有缩小奥氏体区域(A4点下降、A3点上升)、扩大铁素体区域的趋势,对∃铬当量%的影响约为2.5倍的铝含量。含铝的310S不锈钢随铝含量的增加而从27%逐步提高到52%,而∃镍当量%保持在22%左右.这使得含铝310S不锈钢随着铝元素含量的增加,基体由单一的奥氏体向铁素体转变.原有的碳化物的形态也随着铝元素加入量的增多而发生变化.在310S耐热钢中,起主要强化作用的是析出强化,即碳化物和析出相的沉淀强化。在铁或铁镍基合金中,只要有足够的镍(一般25%左右)和铝、钛,可以析出共格的g相.随着铝含量的增加,g析出量也增加。g相的析出不仅与合金元素铝的加入量有关还与合金中的镍含量有关。在310S耐热钢中,镍的含量较低,当铝含量不大于4%时,铝元素主要固溶于基体中.由于晶界上的碳化物的形态由连续的网状转变为较分散的链状,高温下位错运动至晶界附近时,使晶界作用减弱,因此相对于原合金其屈服强度反而下降了。铝元素不大于6%时,由于g相在基体上弥散析出,在原强化基础上又增加了第二相沉淀强化。g相本身具有较好的强度,又是可以参与形变的,一般不会由于大量析出而造成严重的脆性.当温度高于760℃后,由于g粒子开始长大并粗化,Orowan机制启动.位错绕过第二相质点的Orowan环绕过程模型为:℃=Gb/llnr/b式中:℃为绕过位错线运动的阻力,G为切变弹性模量,b为柏氏矢量,l为相邻质点间的间距,r为质点半径.析出相质点的数量越多,材料的屈服强度就越高.另外,温度升高,特别是在蠕变条件下,交滑移及攀移机制更容易进行,扩散往往成为控制变形速率的因素.因此,固溶体基体的强化将仍然起到重要作用。通过铝元素的加入降低基体元素的自扩散能力,从而使固溶强化的衰减得到抑制,与适当的第二相强化配合,可得到很好的高温强化效果。但随着铝含量的进一步提高,大于6%时,基体由g相固溶体转变为黑色α相.α相的韧塑性较低,并且在较高的温度下转变成大量的脆性α相,且白色碳化物颗粒较为分散,所以合金材料的高温强度反而下降。


四、结论


 通过研究不同铝含量对310S耐热钢高温压缩性能、热加工性能的影响,发现随着铝含量的增加,碳化物由网状转变为细小颗粒组成的不连续网状,最终转变为颗粒状,基体在含铝质量分数为6%时由相转变为α相。不同铝含量的合金流变应力范围基本一致,合金的高温屈服强度由未添加铝元素时的74MPa先降低至61MPa后开始升高,在铝质量分数为6%时达到最大值86MPa,之后高温屈服强度逐渐降低,加铝元素后合金热加工性能并未显著改善。


本文标签:310S耐热钢 

发表评论:

◎欢迎参与讨论,请在这里发表您的看法、交流您的观点。

北京 天津 河北 山西 内蒙 辽宁 吉林 黑龙江 上海 江苏 浙江 安徽 福建 江西 山东 河南 湖北 湖南 广东 广西 海南 重庆 四川 贵州 云南 西藏 陕西 甘肃 青海 宁夏 新疆 台湾 香港 澳门