氮含量对06Cr19Ni10不锈钢组织和性能的影响

  浙江至德钢业有限公司采用10kg中频真空感应炉冶炼不同氮、镍含量的06Cr19Ni10不锈钢，研究增氮降镍对06Cr19Ni10不锈钢组织和力学性能的影响。结果表明，当氮含量在0～0.28％、镍含量在5.98％～9.63％之间时，其显微组织仍为单一奥氏体，且其晶粒尺寸随着氮含量的增大而降低，但恶化了其冲击韧度，室温冲击吸收功从氮含量为０时的267J降低到氮含量为0.28％时的228J；洛氏硬度、抗拉强度和屈服强度均随氮含量的增大而提高；氮含量为0.28％时，06Cr19Ni10不锈钢具有最优的力学性能，洛氏硬度（HRB）为95.4、抗拉强度为814MPa、屈服强度为437MPa、伸长率为52.5％。

 镍是奥氏体不锈钢主要的奥氏体化元素，主要作用是形成并稳定奥氏体组织，使不锈钢具有较好的强度及塑性。临床数据表明，镍是一种潜在的致敏因子，对生物体有致畸、致癌的潜在危害；同时，镍成本较高，因此，研发其他元素代替镍或者减少镍含量的奥氏体不锈钢不仅可以降低成本，而且可提高产品的使用安全，尤其是在生物医用领域。近年来，低镍或无镍奥氏体不锈钢得到了迅速的发展。至德钢业研发的Cr18Mn6Ni4N奥氏体不锈钢可替代304不锈钢；吴浩等研发的新型高氮低镍奥氏体不锈钢，氮含量为0.75％，镍含量仅为1.67％，性能达到800H钢的指标。分别对高氮无镍奥氏体不锈钢的力学性能、时效工艺、热变形工艺进行了研究，为无镍不锈钢的研发提供了参考数据。氮、锰配合替代一部分镍，是冶炼低镍不锈钢行有效的方法，氮是强烈的奥氏体形成元素，其形成并稳定奥氏体的能力约是镍的30倍。因此，以氮代镍来研发节约型不锈钢成为了研究热点。

 18-8型不锈钢因其具有优异的综合性能，用途十分广泛，且在此基础之上，添加碳、钼、钛、铌、铜等元素可获得不同性能要求的新钢种，其产量约占奥氏体不锈钢粗钢总量的80％左右。本课题以06Cr19Ni10不锈钢为研究对象，研究了增氮降镍对其显微组织和力学性能的影响，为研发节约型不锈钢提供参考。

一、试验材料及方法

 试验原料为工业纯铁、氮化铬、氮化锰、金属锰、低碳锰铁、低碳铬铁、金属镍等，采用10kg中频真空感应炉冶炼，以添加氮化铬和氮化锰的方式实现钢中增氮，为防止合金化过程中氮元素逸出，全程通入高纯氮气气常压冶炼。将所得铸锭（70ｍｍ×150ｍｍ）以10℃/s加热至1200℃、保温1小时后，用400kg气锤锻造成尺寸为25ｍｍ×25ｍｍ的方坯，终锻温度不低于900℃，锻后空冷。采用直读光谱仪检测试验钢成分；用氧氮仪检测氮含量。

采用正交试验法制定不同的固溶处理工艺，并用蔡司显微镜观察组织，并用软件测量晶粒尺寸，探讨氮对试验钢显微组织的影响；用型洛氏硬度计测试试验钢硬度值（HRB，压头直径为1.588ｍｍ，钢球）；按照GB/T229-2007 进行夏比摆锤冲击试验，试样尺寸为10ｍｍ×10ｍｍ×55ｍｍ，V型缺口深度为2ｍｍ，在冲击试验机进行室温（20℃）冲击试验，摆锤角度沿垂直方向150°自由下摆，断后用扫描电镜观察断口形貌；采用ＷＤＷ电子万能拉伸试验机，拉伸速度为3mm/min，棒状哑铃试样。

二、试验结果与讨论

 1. 温度、时间及氮含量对试验钢显微组织的影响

 图为1、2、3号试样在1000、1050、1100℃分别保温1、2小时固溶处理后的显微组织。可以看出，增氮降镍后的06Cr19Ni10不锈钢在不同固溶处理参数下均呈现出单一的奥氏体组织，但晶粒尺寸有所不同。从图３可以看出，在同一保温时间下（如1小时），试样中奥氏体晶粒大小随固溶温度的升高而变大、变均匀，在同一固溶温度下，奥氏体晶粒尺寸随保温时间的延长而增大。由于奥氏体晶粒长大与原子扩散有密切关系，所以随着温度升高，或在一定温度下，保温时间越长，奥氏体晶粒也越粗大。在1000℃×１小时，对比图可清晰地看出，奥氏体晶粒尺寸随着氮含量的增大而降低（晶粒尺寸分别为39.82、35.03、30.45μｍ），这是由于增氮后，析出的氮化物弥散分布在晶界上，阻碍了晶粒的长大，而镍对奥氏体晶粒的长大影响很小。

 2. 晶粒尺寸影响因素的正交分析

 用软件测量图中所有晶粒尺寸，并取平均值，以晶粒尺寸大小作为考核指标进行正交分析，各因素与水平见表。在正交表中填入晶粒尺寸，进行极差分析，结果见表。从表可以看出，各影响因素对晶粒尺寸的影响秩序依次为：固溶处理温度、保温时间、氮含量。结合正交表可得，固溶处理时晶粒尺寸最小，即1000℃×1小时，氮含量为0.28％时，晶粒最小。

 极差分析较为简单、直观，只需进行少量计算，便可明确影响因素的主次顺序，但无法判断各个因素水平所对应的试验结果间的差异究竟是由因素水平不同所引起的，还是由试验误差所造成的；各影响因素对试验结果影响的大小亦无法给出精确的估计。故需要进行方差分析，进一步确认各影响因素对晶粒尺寸的影响情况，结果见表。可以看出，固溶温度的Ｆ值最大，说明固溶温度对晶粒尺寸的影响最为显著，保温时间次之，氮含量最小，方差分析结果与极差分析的结果一致。

 3. 增氮降镍对洛氏硬度的影响

 图为不同氮含量下不锈钢的洛氏硬度。可以看出，洛氏硬度随着氮含量的增大而提高；在氮含量为0.24％时，硬度值已超过国标。氮加入钢中后，晶粒尺寸变小，致使晶界增多，位错运动过程中受到的阻力增大，进而提高硬度；硬度与金属键的强弱有关，氮是非金属元素，渗入铁中与铁原子形成共价键，由于氮原子半径很小，形成的共价键很强，因此可以提高其硬度。

 4. 增氮降镍对室温冲击性能的影响

 图为不同氮含量下不锈钢室温（20℃）的冲击性能。可以看出，氮含量０时冲击功为267Ｊ，氮含量为0.24％时为228Ｊ。图为试样冲击断口显微形貌，可清晰地看到，组织中存在密度较低的大韧窝和密度较高的二次小韧窝，韧窝为圆形或椭圆形，表明试样的断裂方式为塑性断裂。同时可看到，图中韧窝的尺寸及数量均存在差异，1号试样韧窝尺寸较大、韧窝较深，而韧窝越大越深，表明材料的冲击韧度越好。2号试样粗大韧窝所占比例大约为1/3，其余为密度较高的二次小韧窝；从图看出，断口形貌，韧窝尺寸较小且深度也较浅。对比图可得，随着氮含量增大，断口韧窝尺寸变小且韧窝深度变浅，不锈钢的冲击韧度降低。

 5. 增氮降镍对力学性能的影响

 表为不同氮含量下不锈钢的室温力学性能。由表可见，除断面收缩率小于国标值外，其抗拉强度、屈服强度以及伸长率均符合国标要求；氮含量最高的４号试样，抗拉强度较1号试样和国标分别提高了18％和57％，屈服强度分别提高了30％和114％，由此可见，随着氮含量的增大，抗拉强度、屈服强度显著提高。然而，伸长率由65.3％降低到52.5％；断面收缩率由54.5％降低到52.6％。

 图为不同氮含量的试样拉伸断口显微形貌。可以看到，组织中存在大量韧窝，表现出良好的韧性，断裂方式为韧性断裂。图韧窝较深，分布不均；氮加入后，可见图中韧窝数量明显比图少，且韧窝深度浅；因此氮降低了塑性。

三、结论

 1. 增氮降镍后的06Cr19Ni10不锈钢，氮含量在0～0.28％、镍含量在5.98～9.63％时，其显微组织仍为单一奥氏体，且晶粒尺寸随着氮含量的增大而降低；各影响因素对晶粒尺寸的影响秩序为：固溶处理温度、保温时间、氮含量；在1000℃、保温1小时固溶处理条件下，晶粒尺寸由氮含量为０时的39.82μｍ降至氮含量为0.28％时的30.45μｍ，且晶粒变得更加均匀。

 2. 06Cr19Ni10不锈钢增氮降镍后，氮恶化了不锈钢的冲击韧度，室温冲击吸收功从氮含量为０时的267Ｊ降低到氮含量为0.28％时的228Ｊ；氮含量为0.28％时，06Cr19Ni10不锈钢获得最优的综合力学性能，洛氏硬度（HRB）为95.4、抗拉强度为814MPa、屈服强度为437MPa、伸长率为52.5％。