不同含氮量Cr-Mn-Mo奥氏体不锈钢的理化性能

翁建寅 彭 伟 刘腾轼 陆恒昌 宁小智 鲍贤勇 李 北 董 瀚,

(1.钢铁研究总院，北京 100081；2.飞亚达精密科技股份有限公司，广东 深圳 518057；3.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444)

不锈钢大致可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢、沉淀硬化不锈钢、奥氏体不锈钢等5类。奥氏体不锈钢具有良好的理化性能，应用广泛。典型的奥氏体不锈钢为SUS316L钢，但其镍含量较高，价格昂贵。高氮Cr-Mn-Mo奥氏体不锈钢是一种新材料[1]，具有良好的强韧性、耐点蚀和耐应力腐蚀性能，且无磁性[2]，但强度的提高会降低其塑性和韧性[3]。高氮Cr-Mn-Mo奥氏体不锈钢以Mn和N代Ni，还含有一定量的Mo，可提高其耐点蚀性能。钢中的N以间隙固溶原子的形式存在，具有固溶强化、提高加工硬化系数和改善耐蚀性的作用。以往，对含氮Cr-Mn-Mo奥氏体不锈钢的研究主要集中于冶炼技术[4-6]和氮含量对其力学性能的影响，氮含量对其物理和化学性能的影响尚不明确。线膨胀系数、导热系数、比热容等物理性能对精密机械零件的使用影响很大，自腐蚀电位、耐晶间腐蚀性能对接触腐蚀介质的零部件的影响也很大。因此，本文设计、冶炼了不含氮和含0.42%、0.59%和0.77%(质量分数，下同)氮的Cr-Mn-Mo奥氏体不锈钢，系统研究了氮含量对其理化性能的影响，研究结果将有助于高氮Cr-Mn-Mo奥氏体不锈钢在轻工行业的应用，并为对镍释放量有特殊要求的手表、医疗器械、首饰等产业的发展提供基础数据[7]。

1 试验材料和方法

设计了4种以18Cr14Mn3Mo钢成分为基础的不含氮和含氮量不同的Cr-Mn-Mo奥氏体不锈钢，用50 kg加压感应炉冶炼，并进行电渣重熔，铸锭的化学成分如表1所示。为了消除成分的微观偏析，将铸锭在1 250 ℃加热10 h，锻造成截面尺寸为40 mm×40 mm的方棒。再于1 100 ℃保温1 h水冷固溶处理。

表1 试验用钢的化学成分(质量分数)

采用NETZSCH DIL402ES/S型膨胀仪根据GB/T 4339—2008测定钢的线膨胀系数，测量温度范围为35～800 ℃，试样尺寸为φ6 mm×20 mm。采用TH2515型直流电阻测试仪根据GB/T 351—1995测量钢的室温电阻率，试样尺寸为φ2.1 mm×200 mm。用Autolab-PGSTAT302N型电化学工作站测定钢的极化曲线，试样尺寸为φ30 mm×2 mm，工作液为体积分数为3.5%的NaCl溶液，参比电极为甘汞电极。采用Sytsys evo同步热分析仪根据ASTM E1269—2011检测钢的比热容，试样尺寸为φ3 mm×3 mm。采用LFA 427激光闪射法导热仪根据ASTM E1461—13测量试验钢的导热系数，试样尺寸为φ12.6 mm×2.5 mm。按GB/T 4334—2008检测钢的耐晶间腐蚀性能。

2 试验结果

2.1 含氮量对物理性能的影响

图1为不同含氮量钢在不同温度范围的平均线性膨胀系数。可以看出，试验钢的平均线膨胀系数均随着温度的提高而增大。不含氮的W0N钢的平均线膨胀系数远小于含氮钢的，约小(4～6)×10-6/℃，其平均线膨胀系数的增大速率也较小，即曲线的斜率较小。值得注意的是，W04N、W06N和W08N钢在不同温度范围的平均线膨胀系数几乎相同，即含氮量超过0.42%的Cr-Mn-Mo奥氏体不锈钢的线膨胀系数无明显变化。

图1 不含氮和含氮量不同的试验钢在不同温度范围的平均线膨胀系数

图2为不含氮和含氮量不同的试验钢的导热系数。可以看出，试验钢的导热系数随着含氮量的升高而线性降低。通过拟合获得了钢的含氮量ω(N)与导热系数(λ)之间的关系，如式(1)所示。

图2 含氮量对试验钢的导热系数的影响

λ=17.23-6.72ω(N)

(1)

图3为不含氮和含氮量不同的试验钢的比热容。可以看出，试验钢的比热容并不随着含氮量的升高而单调变化。不含氮的钢的比热容为0.466 J/(g·K)，含0.42%N的W04N钢的最大，为0.479 J/(g·K)。随着含氮量的进一步升高，比热容逐渐减小，W08N钢的最小，为0.446 J/(g·K)。

图3 含氮量对试验钢比热容的影响

2.2 含氮量对化学性能的影响

图4为不含氮和含氮量不同的试验钢的极化曲线。显然，无氮W0N钢的自腐蚀电位最低，为-0.175 V，而含氮量超过0.4%的W04N、W06N和W08N钢的自腐蚀电位差别不大，分别为-0.153、-0.157和-0.151 V。自腐蚀电位的统计结果如图5所示。

图5 含氮量对试验钢自腐蚀电位的影响

图4 不含氮和含氮量不同的试验钢的极化曲线

图6为耐晶间腐蚀试验后弯曲试样的形貌，W0N、W04N、W08N钢试样均完全断裂，W04N钢试样断口发生了弯曲变形。值得注意的是，W06N钢试样未断裂，仅在弯曲部位的外表面有垂直于弯曲方向的微裂纹，说明W06N钢的耐晶间腐蚀性能最佳。

图6中晶间腐蚀试样弯曲部位(即断口和弯曲部位的外表面)的微观形貌如图7所示。W0N和W08N钢试样断口有大量微裂纹，根据其形貌可判断是沿晶界分布的。W06N钢试样的塑性变形最显著，W04N钢的次之。W0N钢和W04N钢的耐晶间腐蚀性能差，可能与Cr23C6或金属间化合物的析出有关；W08N钢的耐晶间腐蚀性能也不良，可能与Cr2N的沿晶析出有关。不同含氮量钢的析出相特性有待详细研究。

图7 晶间腐蚀试样弯曲部位的微观形貌

图6 晶间腐蚀和弯曲试验后试样

3 结论

(1)不含氮和含0.42%、0.59%及0.77% N的Cr-Mn-Mo奥氏体不锈钢的平均线膨胀系数均随着温度范围的提高而增大，氮的质量分数超过0.42%的钢的线膨胀系数无明显变化。

(2)试验钢的导热系数随着含氮量的升高而减小，含氮量与导热系数的关系式为λ=17.23-6.72ω(N)。

(3)钢的比热容随着含氮量的升高而减小，含0.42%N的钢的比热容最高，为0.479 J/(g·K)。

(4)不含氮的试验钢的自腐蚀电位最低，3种含氮量试验钢的自腐蚀电位差别不大。

(5)含0.59%N的试验钢的耐晶间腐蚀性能最佳。