氮含量对Cr18Mn18N无磁不锈钢

氮含量对Cr18Mn18N无磁不锈钢力学性能、磁导率和组织的影响易邦旺胡燕郎文运杨志勇(钢铁研究总院)摘要探讨了Cr18Mn18N无磁不锈钢中氮含量对钢的力学性能、磁导性能以及组织状态的影响。研究结果表明，Cr18Mn18N钢中氮含量大于0.31 %时，组织才为全奥氏体状态，该钢氮含量的最佳区间为0.4 %0.6 %。关键词氮奥氏体磁导率EFFECT OF CONTENT ON MECHANICAL PROPERTIES，MAGNETICOF Cr18Mn18N CONDUCTIVITY AND MICROSTRUCTUREYI BangwangHU YanLANG WenyunYANG Zhiyong(Central Iron and Steel Research Institute)ABSTRACTThe effect of N content on mechanical properties and magnetic conductivity and microstructure of Cr18Mn18N non-magnetic stainless steel is studied.The result shows that the microstructure is fully austenite when the N content is more than 0.31 %,the best content range of N is 0.4 %0.6%.KEY WORDSnitrogen(N),austenite,magnetic conductivity氮是强烈的奥氏体形成元素，可以节约奥氏体不锈钢中的镍；氮又是间隙固溶的元素，可有效地提高奥氏体不锈钢的强度，还可提高不锈钢的耐蚀性1，2。经济型Cr-Mn-N或Cr-Mn-Ni-N不锈钢被广泛地使用在化工、建筑、轻工等行业中。通常奥氏体不锈钢中的氮含量控制在0.4 %以下，然而，Cr18Mn18N不锈钢中氮含量的下限值为0.4 %，在大气下冶炼钢中氮含量的极限值为0.67 %。1Cr18Mn18N高氮不锈钢作为第二代大型火力发电机护环材料，它是常压状态冶炼所有含氮不锈钢中氮含量最高的一个钢种。本文旨在研究氮含量对Cr18Mn18N无磁不锈钢的力学性能、磁导率及组织状态的影响。1实验材料及方法本实验采用30 kW非真空感应炉及真空感应炉加电渣重熔冶炼。钢中主要元素碳、铬、锰含量不变，加入不同含量的氮，其成分见表1。钢锭经锻造后，试样经1050 40 min固溶处理。对试样进行力学性能试验，采用磁天平法测定其磁导率，通过金相观察测定奥氏体量的变化。表 1试验钢的主要成分%Table 1Chemical composition of experimental steels%炉号CMnCrN冶炼工艺040.0919.2018.320.150非真空050.0919.2018.260.260非真空060.1018.9018.320.528非真空070.0819.3018.320.630非真空080.0819.3018.590.607非真空090.0719.4018.590.670非真空100.0819.3017.440.640非真空110.0819.2018.590.650非真空170.1017.5417.100.310真空+电渣180.1218.9218.290.390真空+电渣190.1719.9019.340.400真空+电渣2实验结果与讨论2.1氮含量对力学性能的影响从图1可以看到随氮含量增加，b、0.2提高。当钢中氮含量达到0.31 %0.60 %时，b、0.2约稳定在一个定值上；当氮含量超过0.6 %时，氮作为强间隙固溶元素，使强度又有所增高。不同氮含量的钢，其伸长率与断面收缩率没有呈现明显规律性的变化，伸长率数据在45.4 %51.9 %波动，断面收缩率数据在69 %74 %波动，都有较高的值。冲击韧性都很高，均在294 J/cm2以上。表2显示出Cr18Mn18N钢具有良好塑性和韧性。 综上所述，Cr18Mn18N无磁不锈钢的强度随着钢中氮含量的增加而提高，钢的塑性和韧性都有一个较高值，从强度考虑，该钢的氮含量控制在0.4 %0.6 %为宜。前苏联卡拉廖夫指出，当钢中铬、锰进行适当配比后，在常压下冶炼，钢中氮含量可以达到0.65 %3。钢铁研究总院的实验结果表明，图 1氮含量对钢的强度的影响Fig.1The effect of N content on the strength表 2氮含量对塑、韧性的影响Table 2The effect of N content on plasticity and ductivity炉号0405171819060807101109N/%0.1500.2600.3100.3900.4000.5280.6070.6300.6400.6500.6705/%48.2045.9053.2553.0054.8051.9047.9051.9049.4045.4046.30/%74.876.172.475.270.879.674.277.772.369.074.3aK/J*cm-2316362323346305294(未断)294(未断)294(未断)294(未断)294(未断)294(未断)注：表中数据为平均值，试样经1050 40 min固溶处理。Cr18Mn18N钢在常压下冶炼，钢中氮含量的极限值可以达到0.67 %。德国正在研究通过加压电渣精炼，可把Cr18Mn18N钢中的氮含量增加到1.0 %，该钢只需经过5 %温变形，就获得强度高于1000 MPa的第三代护环材料4。3.2氮含量对磁导率的影响氮作为奥氏体强烈形成元素，钢中氮含量的多少对奥氏体量的影响较大。如何控制钢中氮含量的合理区间，确保Cr18Mn18N钢的抗磁性能，对高抗磁性护环材料是一个关键。从图2可以看出，钢中氮含量低于0.31 %时，在低磁场强度(39794475 A/m)条件下就显示出高的磁导率；当钢中氮含量大于0.31 %时，磁场强度高达98.68103 A/m，Cr18Mn18N钢仍显示出高的抗磁性能。随着钢中氮含量的增高，磁场强度增大，钢的磁导率变化不大，可稳定在1.0014以下的低水平。实验表明，Cr18Mn18N钢中的氮含量不低于图 2氮含量对Cr18Mn18N钢磁导率的影响Fig.2The effect of N content on magnetoconductivity0.31 %，才能保持高的抗磁性。当钢中氮含量大于0.31 %时随钢中氮含量的增高，磁导率稳定在同一低水平上，再提高氮含量对抗磁性意义不大。钢中氮含量区间从抗磁性能来说，在0.4 %0.6 %之间较为合理。3.3不同氮含量的钢的组织状态氮元素为强烈的奥氏体形成元素。钢中氮含量不但对磁导率有影响，对钢的组织状态也有影响。采用金相法，同时用计算机(LECO QA0-6)测定钢中铁素体含量。实验选择了氮含量为0.15 %、0.20 %、0.31 %、0.39 %和0.53 %五种不同的钢进行组织观察，测定10个视场的铁素体量，求平均值。结果表明，当钢中氮含量为0.15 %时，钢中铁素体量平均为19.37 %；氮含量为0.26 %时，钢中铁素体量平均为17.47 %；氮含量大于0.31 %时，钢中未发现铁素体，即全部奥氏体化。其金相组织见图3。因此，Cr18Mn18N无磁不锈钢若要全奥氏体图 3氮含量对Cr18Mn18N钢显微组织的影响Fig.3The effect of N content on the microstructure(a)0.15 %N，1050 30 min固溶；(b)0.26 %N，1050 30 min固溶；(c)0.53 %N，1050 30 min固溶化，钢中氮含量的下限值必须0.31 %。4结论(1) Cr18Mn18N无磁不锈钢的强度，随钢中氮含量增加而提高；钢中氮含量对伸长率、断面收缩率以及冲击韧性影响不大，可保持良好的塑性和韧性。(2) 钢中的氮含量低于0.31 %时，钢的磁导率随钢中氮含量的降低急剧增大；当钢中氮含量达0.31 %以上时，随钢中氮含量的增高磁导率无变化，稳定在一个低水平上(r1.0014)，呈现出良好的抗磁性能。(3) 钢中氮含量低于0.31 %时，钢的组织状态为奥氏体加铁素体状态，只有钢中氮含量大于0.31 %时，钢的组织状态才为全奥氏体组织。(4) 从力学性能、磁导率、组织状态三者综合考虑，Cr18Mn18N钢作为第二代护环材料，钢中的最佳氮含量区间为0.4 %0.6 %。参考文献1长谷川正义.钢便览.东京日刊工业新闻社，1960，54.2陆世英，张廷凯，杨长强，等.不锈钢.北京：原子能出版社，1995.202203.3 M ，1961.7.4Stein G.Manufacture and Mechanical Properties of High-NiCrogen-Alloyed Steels.I & SM,1989,16(11):5157.联系人：易邦旺，高级工程师（教授级），北京（100081）钢铁研究总院合金钢部