趙天天 滕鋁丹 金洋帆 張家成 楊弋濤

(上海大學材料科學與工程學院, 上海 200444)

汽車排氣系統(tǒng)用鋼需具有良好的高溫強度、抗熱疲勞性能及抗氧化性能[1-5]。為了提高鋼的高溫強度，通常都是提高其含碳量。但較高含量的碳易與鉻結合形成碳化物，減少固溶的鉻，導致材料的抗氧化和耐腐蝕性能降低[6]。另外，碳、氮間隙原子會嚴重影響鐵素體不銹鋼的室溫加工性能，因此必須采用超低碳、氮的合金化模式[7]。鈮是強碳化物形成元素，在鋼中一般以碳氮化物的形式存在，彌散析出的NbC、NbN可細化晶粒，并有效提高材料的抗晶間腐蝕性能。已經(jīng)證明，不銹鋼中固溶的鈮元素可提高其高溫強度和抗熱疲勞性能，這都是排氣歧管必須具備的重要特性[8]。

本文研究了含鈮量不同的鐵素體不銹鋼經(jīng)過固溶處理和穩(wěn)定化處理后的顯微組織和力學性能，揭示了鈮元素影響鐵素體不銹鋼組織和性能的機制，為企業(yè)的生產(chǎn)應用提供參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試樣的制備和熱處理

采用真空電弧爐熔煉試驗用鐵素體不銹鋼，用移動式直讀光譜儀(PMI- MASTER PRO)測定其化學成分，結果列于表1。5個鈕扣鑄錠直徑均為36 mm，質量約80 g，且鈮含量依次遞增。參照文獻[9]制定熱處理工藝，即1 100 ℃保溫2 h爐冷退火，以減少成分偏析，隨后1 050 ℃保溫1 h水冷固溶處理，最后900 ℃保溫1.5 h空冷穩(wěn)定化處理。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數(shù))Table 1 Chemical compositions of the tested steels (mass fraction) %

1.2 微觀組織和力學性能

將熱處理后的鈕扣錠通過電火花線切割加工成10 mm×10 mm×3 mm的試樣，打磨、拋光后采用成分為2.5 g FeCl3+25 ml HCl+50 ml H2O的氯化鐵鹽酸溶液腐蝕，采用尼康LV150正立式光學金相顯微鏡(OM)和HITACHI SU- 1500鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其組織。對試樣進行電解萃取碳化物，萃取液為16 g檸檬酸+125 ml鹽酸+375 ml水配制而成的檸檬酸溶液，干燥后對萃取前、后的試樣及萃取的碳化物稱重，并對碳化物進行X射線衍射(XRD)分析，掃描角度為10°～90°，掃描速度為4 (°)/min。采用布洛維光學硬度計(HBRVU- 187.5)測定布氏硬度，試驗力125 kg，壓頭直徑5 mm。在鈕扣錠最大橫截面處沿直徑方向切取厚度為1 mm的試樣，采用MTSCMT5205電子萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸速率為1.5 mm/min，試樣尺寸如圖1所示。采用掃描電鏡檢驗拉伸試樣的斷口形貌。

圖1 拉伸試樣簡圖Fig.1 Sketch drawing of the tensile test specimen

2 試驗結果與分析

2.1 熱力學相圖計算

圖2為利用Thermo- Calc熱力學軟件計算得到的5種不同含鈮量鋼的平衡相圖，可見試驗鋼從高溫到低溫均為單一的鐵素體組織，可能存在的析出相分別為(Ti,Nb)C、Laves相(不含鈮鋼Laves相為Fe2Ti，而含鈮鋼為Fe2Nb)、σ相及α- Cr相，在440 ℃時，σ相完全轉變?yōu)棣? Cr相。鋼的含碳量極低，即使不含鈮，所含的鈦元素已足夠固定碳元素，因而能減少M23C6碳化物的形成，使更多的鉻元素固溶于基體，有利于改善鋼的抗氧化性能和耐腐蝕性能。根據(jù)相圖得到的各相的析出溫度如表2所示?？梢娾壴乜娠@著提高Laves相的析出溫度，即由490 ℃提高至930 ℃。添加鈮對MC型碳化物的析出也有一定的促進作用，使MC型碳化物的析出溫度從1 220 ℃升高至1 360 ℃。

2.2 微觀組織

經(jīng)固溶和穩(wěn)定化處理后鋼的顯微組織如圖3所示，與熱力學計算結果相符，均為單相鐵素體基體和彌散分布的顆粒狀和塊狀析出相。由于原子在鐵素體內擴散較快，其晶粒粗化溫度較低，通常在600 ℃以上晶粒就開始長大。而組織中析出的

圖2 不含鈮(a)和含0.1%(b)、0.3%(c)、0.5%(d)及0.7%(e)Nb的鐵素體不銹鋼的熱力平衡相圖Fig.2 Thermodynamic equilibrium phase diagrams of the ferritic stainless steels without (a) and with 0.1% (b), 0.3% (c), 0.5% (d) and 0.7% (e) Nb

表2 不同含鈮量鋼中幾種相的析出溫度Table 2 Precipitation temperatures of several phases in the steels containing different amounts of niobium ℃

細小碳化物等第二相可阻礙晶粒長大，提高晶粒粗化溫度。相比于1號鋼，2號鋼由于含0.1%Nb，易形成MC型碳化物釘扎晶界和促進異質形核，使鐵素體晶粒得以細化。含0.3%Nb的鋼，顆粒狀析出相數(shù)量急劇增多且彌散分布。含0.5%及0.7%Nb的鋼，晶界的析出相逐漸粗化并呈鏈狀和網(wǎng)狀，且5號鋼晶界的析出相更為密集。

試驗鋼中塊狀和顆粒狀析出相的形貌如圖4所示，圖4中標記區(qū)域的能譜點掃描分析結果列于表3。由圖4(a,b)可以看出，3號和4號鋼晶內有許多彌散分布的顆粒狀相，其尺寸均為微米級，且含0.5%Nb鋼的顆粒狀相更加細小。標記A的黑色塊狀組織為Ti(C,N)，Ti(C,N)粒子有釘扎作用，在運動的晶界與第二相粒子接觸過程中，第二相粒子會對晶界產(chǎn)生反向作用力，阻礙晶界運動，從而阻止晶粒長大。標記B處彌散分布的顆粒狀組織是一種富鉻相，僅含鐵和鉻，且鉻的原子分數(shù)達19.78%，彌散分布，尺寸大多小于5 μm，能產(chǎn)生析出強化和彌散強化效果。含0.5%Nb鋼中有兩種形態(tài)的含鈮碳化物，一種分布在晶界呈網(wǎng)狀(圖4(d)中標記C)，另一種呈不規(guī)則塊狀(圖4(d)中標記D)。侯雨陽等[10]研究發(fā)現(xiàn):含0.56%Nb鑄態(tài)SUS430鐵素體不銹鋼中，晶界的顆粒狀析出物主要成分為Fe、Cr、C、Nb和Ti，EDS分析表明為(Ti,Nb)xCy，其形態(tài)和成分與本文含0.5%Nb的鋼中晶界析出的碳化物相近。

2.3 碳化物分析

萃取碳化物粉末的XRD圖譜如圖5所示。由圖5(a)可知，鈮會促進碳化物的析出，隨著鈮含量的增加，鋼中碳化物含量增加，其質量分數(shù)由1號鋼的0.503 4%增加到4號鋼的0.961 7%。含0.7%鈮鋼的碳化物含量有所下降。不含鈮鋼，由于其含碳量極低，且鈦是強碳化物形成元素，與碳的結合力大于鉻元素，所以不會形成鉻的碳化物，僅形成TiC；2號和3號鋼含有TiC和Nb6C5兩種碳化物，含0.3%Nb鋼中TiC的峰明顯低于含0.1%Nb鋼， 其原因是含鈮量增加，形成NbC的驅動力增大。含0.5%和0.7%鈮的鋼中TiC的峰顯著降低，且析出了Fe2Nb，鋼中的鈮和鈦已足夠固定碳，多余的鈮則與鐵結合形成金屬間化合物Fe2Nb，這與熱力學計算相圖一致，鈮元素能促進Laves相的析出。

圖3 不含鈮(a)和含0.1%(b)、0.3%(c)、0.5%(d)及0.7%(e)Nb的鐵素體不銹鋼固溶和穩(wěn)定化處理后的顯微組織Fig.3 Microstructures of the ferritic stainless steel without (a) and with 0.1% (b), 0.3% (c), 0.5% (d) and 0.7% (e) Nb after solution and stabilization treatments

圖4 含0.3%(a,c)和0.5%(b,d)Nb鋼的SEM形貌Fig.4 SEM micrographs of the steels containing 0.3% (a,c) and 0.5% (b,d) Nb

表3 圖4(c,d)中標記區(qū)域的化學成分(原子分數(shù))Table 3 Chemical compositions of the marked regions in Fig.4 (c,d) (atom fraction) %

2.4 力學性能

表4為不同鈮含量試驗鋼的力學性能。由表4可知，含鈮量低于0.5%的鋼的硬度和抗拉強度均隨著鈮含量的增加而提高，但硬度的提高幅度不大；而含0.7%Nb的鋼，其抗拉強度有所下降，斷后伸長率增加。鈮為強碳化物形成元素，在鋼中形成的細小碳化物能細化鐵素體晶粒，從而提高鋼的強度和塑性。根據(jù)Ashby- Orowan的第二相強化模型，鋼的強化程度與析出相的體積分數(shù)的平方根成正比，而與析出相的平均半徑成反比。從圖4可知，添加的鈮越多，鋼中顆粒狀的析出相更多、 更細小，抗拉強度更高。但在含0.7%Nb的鋼中，鈮的碳化物在晶界偏聚呈網(wǎng)狀(見圖3)，會降低鋼的力學性能。拉伸試驗結果表明：含鈮量為0.5%的4號鋼的力學性能優(yōu)于含鈮量為0.3%的3號鋼，說明起主要作用的是析出強化，盡管形成的網(wǎng)狀碳化物會降低鋼的強度，但二者的綜合作用使4號鋼的抗拉強度最高。另外由圖3可見，含鈮量為0.7%的5號鋼中網(wǎng)狀碳化物明顯較多，但其尺寸小于4號鋼的，導致其強度降低而塑性提高。

圖5 鋼中碳化物含量(a)及其XRD圖譜(b)Fig.5 Contents (a) and XRD patterns (b) of carbides in the steels

表4 不同鈮含量鋼的力學性能Table 4 Mechanical properties of the steels containing different amounts of niobium

圖6為拉伸試樣斷口的掃描電鏡形貌。圖6表明：不同含鈮量鋼拉伸試樣斷口均由大量韌窩組成，屬于韌性斷裂，這與斷后伸長率結果一致。韌窩是材料在發(fā)生塑性變形時產(chǎn)生的顯微孔形核、長大、聚集后相互連接，導致材料斷裂后在斷口表面留下的痕跡，其數(shù)量和平均直徑與材料中的碳化物和第二相粒子的數(shù)量和大小有關。不含鈮鋼組織中僅有TiC，導致韌窩尺寸變化較大；隨著鈮含量的增加，鋼中存在更多細小的富鉻相和碳化物，導致韌窩平均直徑減小，鋼的塑韌性提高。從表3可知，含0.5%Nb鋼的抗拉強度和硬度最高，且斷后伸長率也足夠高，能滿足排氣歧管的使用要求，因此可以確定，鋼的最佳含鈮量為0.5%。

圖6 不含鈮(a)和含0.1%(b)、0.3% (c)、0.5% (d)及0.7%(e)Nb鋼的拉伸試樣斷口形貌Fig.6 Patterns of fractures of tensile specimen for the steels without (a) and with 0.1% (b),0.3% (c),0.5% (d) and 0.7%(e) Nb

3 結論

(1)不同鈮含量的不銹鋼均為單一的鐵素體組織，鈮元素使Laves相的析出溫度從490 ℃提高至930 ℃，使MC型碳化物的析出溫度從1 220 ℃提高至1 360 ℃。

(2)鈮能細化鐵素體晶粒，且隨著鈮含量的增加，富鉻相的數(shù)量增加、平均尺寸減??；含鈮量高于0.5%的鋼，鈮鈦碳化物在晶界偏聚長大呈網(wǎng)狀。

(3)含鈮量低于0.5%的鋼，隨著鈮含量的增加，碳化物類型由TiC轉變?yōu)镹b6C5和TiC；含鈮量高于0.5%的鋼中有Fe2Nb相析出。

(4)含鈮量為0.5%的鋼的析出強化效果最顯著，抗拉強度達405.4 MPa，斷后伸長率為18.2%，因此鋼的最佳含鈮量為0.5%。