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锰(Mn)在不锈钢中的作用研究

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人气:-发表时间:2016-09-27 11:23【

1 锰对奥氏体不锈钢的影响

在铬镍奥氏体不锈钢中,锰含量一般规定不超过2%,正常生产中多控制在1.5%左右。而在近期发展的高氮奥氏体不锈钢中,为了提高氮的溶解度,目前出现高锰含量(5%—10%)的铬镍奥氏体不锈钢。在节镍奥氏体不锈钢中,锰是非常重要的合金元素,其主要作用是与氮、镍等强烈形成奥氏体的元素复合加入到钢中,以节约奥氏体不锈钢中的镍。

1)锰对组织的影响

锰是比较弱的奥氏体形成元素,但具有强烈的稳定奥氏体的作用。当钢中铬含量大于14%—15%时,为了节约镍,仅靠加入锰是无法获得单一奥氏体组织的。由于不锈钢中铬含量必须大于17%才能有比较满意的耐蚀性,因此目前工业上已应用并纳入标准的锰代镍奥氏体不锈钢主要是Cr-Mn-Ni-N型钢,如1Cr17Mn6Ni5N和1Cr18Mn8Ni5N等。

研究表明:钢种锰含量小于2%时,锰含量的变化对常用铬镍奥氏体不锈钢的组织(包括奥氏体的稳定性)没有明显影响。

2)锰对性能的影响

铬镍奥氏体不锈钢中,随着锰含量增加强度提高,在无镍的Cr-Mn-N奥氏体不锈钢中低温下会出现韧性—脆性转变。这些与铬镍奥氏体不锈钢有极大的不同。当Cr-Mn-N钢中有镍存在时,其低温韧性可获得明显改善。这说明,仅有锰和氮无镍的奥氏体不锈钢(铬锰氮钢)无法获得铬镍奥氏体不锈钢那样优良的低温韧性。

锰在铬镍奥氏体不锈钢中的作用除脱氧外,一是希翼它能稳定奥氏体;二是能改善钢的热塑性,三是借助锰和硫的较强亲和力形成硫化锰,既有利于钢中硫的去处,又有利于消除钢中残余硫的有害作用。但是进一步的研究表明,锰在钢中的存在,正是由于硫化锰的形成,常导致铬镍奥氏体不锈钢耐氯化物点腐蚀和缝隙腐蚀的能力下降。国内在一系列研究工作的基础上,一些特殊钢厂已把18Cr-8Ni型奥氏体不锈钢中的锰含量降到了1.0%以下,实际控制在0.5%左右。这样不仅节约了钢中的锰,而且降低了钢中硫化锰含量,提高了钢的耐点蚀能力。

研究表明,向铬镍奥氏体不锈钢中加入2%以上的锰,除对于一些焊接材料(焊丝、焊带等)是为了提高焊缝的抗热烈倾向外(一般加入3%—7%锰),对其耐蚀性并没有什么有益影响,在某些条件下甚至是有害的。

至于以锰代镍的节镍和无镍奥氏体不锈钢,其耐蚀性主要取决于钢中的铬、镍、钼和氮等元素的含量,而锰作用甚微,这是由锰本身的耐蚀特性所决定的。目前出现了向高Cr-Ni-Mo奥氏体不锈钢中加入3%—10%锰以提高氮在钢中的溶解度(常压下氮量可达0.5%),从而使此类钢在高Cr(20%—25%),高Mo(5%—8%)条件下仍具有单一的奥氏体组织并抑制有害铬氮化物的析出,且耐蚀性可达到甚至超过一些高镍耐蚀合金的水平。此类钢的出现填补了长期以来不锈钢与高镍耐蚀合金之间缺少高耐蚀性、高牌号的高铬钼不锈钢的空白。代表性牌号有00Cr24Ni22Mo7Mn3CuN0.5(654SMo)

2 锰对奥氏体+铁素体双相不锈钢的影响

在Cr-Ni奥氏体不锈钢中,钢中锰量降低(<2%以后),钢的耐蚀性能提高。研究锰>2%时,对0Cr25Ni5Mo3双相不锈钢的组织和性能的影响,但当钢中锰量达约8%时,也没有观察到钢中γ相量有任何变化。Mn对钢的强度,塑性也没有明显的影响,仅当Mn≥5%后,钢的硬度有所提高,这与钢中σ相及其它析出相的存在有关;在750-950℃时效,Mn有强烈促进σ相形成的作用并显著降低钢的韧性;随钢中锰量增加,其耐点蚀性能下降,这些性能的下降与MnS的形成或σ相析出,铬的贫化有关。

为了使Cr-Mn-N(-Ni)系不锈钢获得纯奥氏体组织,一般需要更高的Mn,Ni,N等元素的含量。而获得α+γ双相组织结构,则所需的Mn,Ni,N元素的含量相对较少,钢的成本也相对较低,同时,还可具有α+γ双相不锈钢的一些特性。这也是Mn在双相不锈钢中的重要作用。

3 铬锰不锈钢的发展前景

铬锰不锈钢是一种比较适合现阶段中国国情的低价经济型不锈钢,它节镍、经济、性价比高、质量也不错。如牌号1Cr17Mn6Ni5N 含Mn5.50 % ~ 7.50 %、Ni3.50 %~ 5.50 % , 1Cr18Mn8Ni5N 含Mn7.50 %~10.00 %、Ni4.00 %~6.00 %。铬锰不锈钢主要用于消费品领域,比目前大量使用的铬镍不锈钢节镍3 %~5 % ,在当前镍价情况下,节约成本30 %左右,故其价格较低,更受欢迎,质量和功能也能满足一般的使用要求,几乎所有的一般食品器皿、橱卫设备及用具、建筑装潢装饰等制品、消费品领域都可使用。在弱介质腐蚀条件下可以部分替代铬镍不锈钢,如201 、202 分别替代301 、302 , 204Cu 和211 替代304 ;在无腐蚀或弱腐蚀条件下,在装饰、城建等重点使用其美观功能的应用领域也非常广泛。而且随着我国经济的发展、人们生活水平的提高和巨大农村市场的开拓,其应用领域和消费量还会进一步增加。

Cr-Ni-Mn-N奥氏体不锈钢是20世纪三四十年代开始广泛研究的不锈钢种类。其初的目的主要是将奥氏体形成元素N、Mn加入钢中,以替代贵重金属Ni,从而节约资源,解决Ni资源匮乏的问题。随着冶金技术的发展,到20世纪六七十年代,加压冶金技术的出现,使得常压下在钢中溶解度很小的N能更多地加入钢中,目前已可以加到2.3%。N加入的主要作用一是显著提升钢的力学性能,二是明显增加钢耐局部腐蚀的能力。

和Cr-Ni奥氏体不锈钢相比,Cr-Ni-Mn-N奥氏体不锈钢大的区别是大量地加入了台金元素Mn、N,从而带来了一系列的性能变化。N在不锈钢中的加入,之所以引起人们极大的关注,主要跟其在不锈钢中的作用紧密相关。研究表明,N是非常强烈地形成并稳定舆氏体且扩大奥氏体相区的元素。据估算,1kgN相当于6~22kgNi。有关这方面的报道很多,人们提出了许多镍当量的计算公式。在镍当量的计算公式中,Simmons等人提出的较为精确:

Nieq =Ni+0.12Mn-0.0086Mn2+30C+18N+0.44Cu

从中可以看出,N对不锈钢基体组织的影响是相当强烈的。N的这种作用使其在不锈钢中可以代替部分Ni,降低钢中的铁素体含量.可以使奥氏体更稳定,防止有害金属间相的析出,甚至在冷加工条件下可避免出现马氏体转变。

N对不锈钢力学性能的影响,突出表现为:N在显著提高不锈钢强度的同时,并不降低材料的塑韧性,这为研究高强高韧钢提供了途径。工业用钢表明,N的加入,使不锈钢的强度比不含N的钢提高2~3倍。此外,N也提高不锈钢的抗蠕变、疲劳、磨损能力。N提高屈服强度主要有四个途径:固溶强化;晶粒尺寸效应;形变硬化;沉淀硬化。N对不锈钢耐蚀性能的有益作用表现在耐晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀。N对晶间腐蚀的影响比较复杂,一般认为,N含量在0.16%以下,对耐晶间腐蚀有益。N对晶间腐蚀的作用机理主要有:N延缓富Cr碳化物的形核和长大过程;降低Cr在钢中的活性;形成氯化铬沉淀,减少Cr的析出。相比之下,N对点腐蚀、缝隙腐蚀的有益作用更为明显。Wirksumme点蚀当量公式很好地表述了氮在这方面的良好作用:

PRE=%Cr+3.3%Mo+16%N

Grabke报道了氮对临界点蚀温度(CPT)和临界缝隙腐蚀温度(CCT)的影响:

CPT(℃)=2.5%Cr+76%Mo+31.9%N-41

CCT(℃)=3.2%Cr+76%Mo十10.5%N-81

为了提高N的溶解度,Mn元素被大量加入。在节镍奥氏体不锈钢中,Mn是非常重要的合金元素,其主要作用是与强烈形成奥氏体的元素N复合加入到钢中,以节约奥氏体不锈钢中的Ni。Mn是比较弱的奥氏体形成元素,但具有强烈稳定奥氏体的作用。Cr-Ni奥氏体不锈钢中,随着Mn含量增加强度提高。在无Ni的Cr-Mn-N奥氏体不锈钢中低温下会出现韧脆转变现象。

以Mn、N代Ni的节Ni和无Ni奥氏体不锈钢,其耐蚀性主要取决于钢的Cr、Ni、Mo、N等元素的含量,而Mn的作用甚微。目前研制成熟的钢种主要有200系列以及Armco企业的Nitronic系列。还有一些钢种也在广泛研究中。


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