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00Cr12Ti铁素体不锈钢作为汽车排气系统用不锈钢,其组织和性能的优劣直接关系到排气系统的寿命。向不锈钢中加入Nb后,与C、N结合形成碳氮化物,起到固定碳(氮)保铬的效果,改善了不锈钢的组织和力学性能,增强了不锈钢的耐晶间腐蚀性能。本文基于前人对超低碳氮00Cr12Ti铁素体不锈钢的研究工作,在00Cr12Ti不锈钢中添加不同含量的稳定化元素Nb,用真空电弧炉进行熔炼。采用金相显微镜、扫描电镜、电子探针、X射线衍射仪和万能拉伸试验机等试验设备研究了不锈钢铸态、不同温度退火和保温时间不同时的组织演变和力学性能的变化,并对铸态和退火态的不锈钢的耐晶间腐蚀性能进行了研究。得出以下结论:
1.00Cr12Ti不锈钢中加入Nb后,随着Nb含量的增加,不锈钢的铸态组织晶粒得到细化,并且基体中均有TiN、Cr23C6和(Cr,Fe)7C3析出,同时基体中还析出(Nb,Ti)(C,N)和Fe2Nb等第二相。稳定化元素Nb和Ti对铁素体不锈钢的力学性能影响很大,对于不含Nb的试样,凝固组织中析出较多的TiN且尺寸较大,该颗粒使得不锈钢的硬度增大,而随着Nb含量的增加,不锈钢铸态组织的硬度和屈服强度均呈逐渐减小的趋势。
2.对于退火态的不锈钢而言,当退火温度为920℃,保温时间为3min时再结晶比较充分,随退火温度的升高和保温时间的延长晶粒均逐渐呈粗大化。随退火温度的升高和保温时间的延长,不锈钢的硬度和屈服强度先是有较大幅度的降低,随着温度的进一步升高和保温时间的进一步延长,对于含碳量为0.01％的不锈钢而言,硬度和屈服强度值仍继续降低,而对于含碳量为0.02％的不锈钢而言,硬度和屈服强度值趋于稳定。另外,含Nb量为0.3％的不锈钢的硬度和屈服强度均低于含Nb量为0.5％的不锈钢,这主要是由于含Nb析出相的析出强化作用的影响。
3.随着Nb的加入,不锈钢衍射峰的位置整体右移。未加入Nb时基体中有Cr7C3析出,而加入Nb后该析出相的析出得到了抑制,同时基体中还有含Nb的第二相FesNb3C、Fe2Nb和(Nb,Ti)(C,N)等析出。EPMA分析表明,随着温度的升高,固溶Nb的含量呈降低趋势,含Nb析出相逐渐增多,而固溶Ti的含量在950℃以下变化不大,当温度高于950℃时逐渐升高,部分含Ti析出相逐渐溶解。SEM分析表明基体中析出形状较规则的TiN颗粒,且其尺寸随着Nb的加入而减小;另外,分析表明Fe2Nb主要以连续或者非连续的短棒状形态析出,平均尺寸约为3μm,而(Nb,Ti)(C,N)则主要以球状颗粒形态析出,平均尺寸在1μ m左右。
4.对于不锈钢的铸态组织而言,不含Nb的试样的腐蚀速率和腐蚀深度均远远大于含Nb的试样,通过金相观察和EPR检测均发现三种成分不同的不锈钢发生了严重的晶间腐蚀。而对于退火态的不锈钢,通过硫酸-硫酸铜-铜屑晶界腐蚀试验方法和EPR法测试得出,未添加Nb的试样敏化前后均发生了严重的晶间腐蚀,添加Nb的试样则敏化后仍未发现腐蚀裂纹,说明Nb的加入有效改善了退火态不锈钢的耐晶间腐蚀性能。从极化曲线可以看出,对于铸态试样,敏化态的再活化率较未敏化态的试样明显偏高,而对于退火态的试样,当不添加Nb时,无论敏化或者未敏化试样的再活化率均较高,而加入稳定化元素Nb后试样的再活化率则相对较低,两种测试方法所得结果一致,说明向不锈钢中添加稳定化元素Nb后有效的提高了不锈钢的耐晶间腐蚀性能。