含锡铁素体不锈钢的制备工艺及组织性能研究

发布时间：2017-10-07 17:04

  本文关键词：含锡铁素体不锈钢的制备工艺及组织性能研究

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【摘要】：含锡铁素体不锈钢具有优异的耐应力腐蚀性能和较好的加工成型性能,但要实现含锡铁素体不锈钢的工业化大生产,还须解决锡在钢中容易偏析和造成加工性能恶化的问题,同时也需要对含锡铁素体不锈钢的析出行为、耐腐蚀性能等进行综合评价和理论研究。研究含锡铁素体不锈钢的冶金行为、力学性能(尤其是高温力学性能)可以为冶炼过程锡的合金化工艺、热加工成型过程的控制和应用提供指导；对其耐腐蚀性能、钝化膜结构、析出行为等进行深入系统的基础研究,对于新一代铬镍资源节约型高品质不锈钢板带系列产品的开发、生产和应用具有理论指导意义。本论文在对现场工艺和产品质量进行充分调研的基础上,采用电阻炉和氩气保护下的感应炉制备Fe-Cr-Sn系含锡铁素体不锈钢,对其冶金行为、微观组织进行分析,并对含锡铁素体不锈钢力学性能、耐腐蚀性能进行研究,得到了以下主要研究结果。在含锡铁素体不锈钢冶炼过程中,锡的收得率为80-97%,含锡铁素体不锈钢的冶炼难度不大。钢中典型夹杂物为氧化物和硫化物,同时也能发现部分含锡夹杂物。含锡夹杂物呈四边形等不规则形状,尺寸在1μm左右。MnS熔点接近炼钢温度,在炼钢温度下形成的MnS可能以液态形式存在,与Al2O3等高熔点夹杂物相比,MnS的形核析出较晚。在不锈钢的凝固过程中,锡容易以MnS为形核质点,在其周围析出,形成锡包裹的MnS类夹杂物。锡可固溶于不锈钢基体中,而在一定温度下保温和冷却处理时,已固溶于基体的锡可重新从α相中再次析出。非平衡状态下的液相结晶会造成锡元素在晶界偏聚和表面富集,与晶内产生较大的浓度差。当其含量超出它在不锈钢中溶解度时,会以共晶化合物的熔融态存在于晶界,弱化晶问结合力,破坏晶界连续性,导致不锈钢热塑性的降低。本研究中当铁素体不锈钢中锡含量0.29wt%时,可从扫描电镜分析结果中看出锡的富集现象,从而证实了锡在晶界的析出。基于微观偏析模型的计算结果,Sn的偏析比虽不如P、S严重,但Sn的凝固偏析比要大于其它元素。并且随着固相率的增加,Sn的偏析比逐渐增大,从初始的1.0增加到2.6, Si、Mn在凝固末期偏析比增至1.4左右,Cr的偏析比低于1.2。凝固初始相为铁素体BCC相,当碳含量超过0.2wt%时,凝固过程会出现奥氏体FCC与BCC的混合相,随着温度降低,还会析出碳化物和Sigma相。随着C含量的增加,低碳钢在凝固前沿固相由铁素体向奥氏体转变,各溶质的偏析比发生较大变化,P、S、Sn等的偏析程度大幅增加。微观偏析理论也可解释在第三类脆性温度区间的塑性凹槽现象。含锡铁素体不锈钢的抗拉强度、屈服强度较430不锈钢略有增加,抗拉强度最大值为450 MPa,比未添加Sn的钢种高20 MPa左右,延伸率变化不大。根据固溶强化机理,Sn原子融入铁素体不锈钢基体中造成晶格畸变,增大了位错运动的阻力,使滑移难以进行,从而使材料强度增加,起到固溶强化作用,使不锈钢固溶体的抗拉强度有所提高。当温度升高时,原子振动幅度增加,点阵常数加大,Sn原子引起的畸变降低,固溶强化作用下降,因此温度超过800℃后,试验钢与430不锈钢的抗拉强度基本相同。含锡铁素体不锈钢在400-800℃时的拉伸断口存在大量韧窝,在此温度区间钢的塑性较好,拉伸时发生塑性断裂。锡对铁素体不锈钢n值没有太大影响,其基本保持在0.23左右。而随着钢中锡含量的增加,r值增幅不明显,但△r值随着锡含量的增加而增加,不锈钢在深冲成型时容易产生制耳现象。不锈钢随着变形速率的增加,晶界强度比晶内强度增加得快,会导致在高温变形过程中断裂类型的不同。含锡铁素体不锈钢在800℃、应变速率0.002/s的高温拉伸过程中,断口呈现沿晶脆性断裂;当应变速率增加至0.02/s时,断口以塑性断口为主,呈现穿晶断裂；在0.2/s的应变速率下,断口同样呈现穿晶断裂。证实了高应变速率将改变等强温度,同时也改变了铁素体不锈钢的高温断裂方式。含锡铁素体不锈钢耐均匀腐蚀实验在40wt%H2SO4中进行,其腐蚀量随时间呈线性变化,其腐蚀速度是均匀的。含锡铁素体不锈钢的耐均匀腐蚀性能得到了改善,Sn含量为0.38wt%时,铁素体不锈钢的腐蚀速率为0.3130 g·cm-2·h-1,腐蚀速率最低。从动电位阳极极化曲线和电化学阻抗法的实验结果看,加锡后铁素体不锈钢的点蚀电位上升,在Sn含量为0.27wt%时,其点蚀电位达到最大值,耐点蚀性能最好。随着Cl-浓度的增加,不锈钢耐点腐蚀性能显著降低,极化电阻也显著降低；在酸性环境中,随着H+浓度的增加,耐点腐蚀性能显著降低,在碱性环境中,点蚀电位较高,耐点蚀性能较好；随着试验温度的增加,不锈钢耐点腐蚀性能显著降低,极化电阻显著降低；在锡含量为0.18wt%时,铁素体不锈钢的再活化率最低,耐晶间腐蚀性能最优,随着锡含量的进一步增加,其耐晶间腐蚀性能下降。XPS分析含锡铁素体不锈钢表面钝化膜层,观测到Fe2p, Cr2p, Ols, Cls和Sn3d的谱线。对钝化膜表层进行窄区扫描后,发现外层钝化膜以CrOOH, Cr(OH)3, Fe(OH)3等氢氧型化合物或羟基化合物为主,内层主要由Cr2O3, CrO3, FeO, Fe2O3和Fe3O4组成,同时还有少量CrO42-, Fe2+, Fe3+。随着溅射深度增加,开始有金属Cr和Fe出现。Sn在外层钝化膜中主要以SnO2为主,Sn存在膜内层,保持膜的稳定性。钝化膜表层以羟基氧化物为主,羟基的存在说明金属元素有可能以结合水的形式存在于钝化膜表层,提高膜的再钝化能力。当外层钝化膜遭到破坏,金属离子从内层偏移到表面并与周围的结合水形成羟基化合物,阻止金属的继续破坏和溶解。当内层氧化物继续遭到破坏,在金属氧化物和金属界面富集的锡元素能形成稳定的氧化层,有利于提高膜的稳定性,阻止膜的破坏和点蚀的发生。
【关键词】：锡 铁素体不锈钢 力学性能 点蚀 晶间腐蚀 钝化膜
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF764.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 绪论13-17
• 1.1 课题研究背景13-14
• 1.2 课题研究的目的和研究内容14-17
• 1.2.1 课题研究目的14
• 1.2.2 课题研究内容14-17
• 第2章 文献综述17-41
• 2.1 铁素体不锈钢简介17-23
• 2.1.1 铁素体不锈钢特点17
• 2.1.2 铁素体不锈钢发展现状17-18
• 2.1.3 非金属夹杂物对铁素体不锈钢性能的影响18-19
• 2.1.4 合金元素在铁素体不锈钢中的作用19-23
• 2.2 含锡不锈钢的研究现状及存在的问题23-27
• 2.2.1 含锡不锈钢国内外研究现状23-26
• 2.2.2 含锡不锈钢研究中存在的问题26-27
• 2.3 含锡钢的热力学与动力学研究基础27-31
• 2.3.1 锡的物理化学性质27-28
• 2.3.2 锡在不锈钢中的溶解度行为研究28-30
• 2.3.3 锡在钢中偏析理论模型研究30
• 2.3.4 锡在不锈钢凝固过程中的行为研究30-31
• 2.4 铁素体不锈钢力学性能研究31-33
• 2.4.1 铁素体不锈钢力学性能概述31
• 2.4.2 加工硬化指数(n)31-32
• 2.4.3 塑性应变比(r)32
• 2.4.4 杯突值32-33
• 2.5 铁素体不锈钢耐腐蚀性能研究33-38
• 2.5.1 铁素体不锈钢耐点蚀性能研究33-36
• 2.5.2 铁素体不锈钢耐晶间腐蚀性能研究36-38
• 2.6 文献评述38-41
• 第3章 含锡铁素体不锈钢的冶炼和凝固偏析行为研究41-75
• 3.1 含锡铁素体不锈钢的冶金行为研究41-58
• 3.1.1 实验材料41-42
• 3.1.2 实验材料加入量的理论计算42-44
• 3.1.3 实验设备与装置44
• 3.1.4 实验步骤44-45
• 3.1.5 实验结果及讨论45-58
• 3.2 含锡铁素体不锈钢的偏析行为研究58-64
• 3.2.1 实验方法58-59
• 3.2.2 实验结果及讨论59-64
• 3.3 含锡不锈钢溶质偏析模型研究64-72
• 3.3.1 微观偏析方程64-65
• 3.3.2 温度计算方法65
• 3.3.3 凝固模型计算方法65-66
• 3.3.4 凝固过程平衡固相预测66-67
• 3.3.5 结果及讨论67-72
• 3.4 本章小结72-75
• 第4章 含锡铁素体不锈钢力学性能研究75-105
• 4.1 实验材料制备与分析75-80
• 4.1.1 真空感应炉熔炼75-78
• 4.1.2 铸锭表面质量及冒口分析78-79
• 4.1.3 含锡铁素体不锈钢的轧制工艺79
• 4.1.4 试样的显微组织79-80
• 4.2 含锡不锈钢室温拉伸及成形性能研究80-89
• 4.2.1 再结晶退火对微观组织及性能的影响80-82
• 4.2.2 室温拉伸性能的实验研究82-85
• 4.2.3 应变速率对含锡铁素体不锈钢力学性能的影响研究85-87
• 4.2.4 成形性能实验研究87-88
• 4.2.5 杯突性能实验研究88-89
• 4.3 含锡不锈钢的高温力学性能研究89-103
• 4.3.1 实验温度对高温力学性能的影响研究89-93
• 4.3.2 锡含量对高温力学性能的影响研究93-98
• 4.3.3 应变速率对不锈钢高温力学性能的影响研究98-103
• 4.4 本章小结103-105
• 第5章 含锡铁素体不锈钢耐腐蚀性能研究105-135
• 5.1 耐均匀腐蚀性能实验研究105-109
• 5.1.1 实验研究方案105-107
• 5.1.2 实验结果与讨论107-109
• 5.2 耐点腐蚀性能研究109-124
• 5.2.1 实验方案109-113
• 5.2.2 实验结果与讨论113-124
• 5.3 耐晶间腐蚀性能的实验研究124-129
• 5.3.1 浸泡法测晶间腐蚀性能124-125
• 5.3.2 动电位再活化测定晶间腐蚀性能125-129
• 5.4 含锡铁素体不锈钢钝化膜结构研究129-132
• 5.4.1 钝化膜的制取实验条件129
• 5.4.2 钝化膜的制取过程129
• 5.4.3 XPS表面分析过程129
• 5.4.4 钝化膜XPS分析结果129-132
• 5.5 本章小结132-135
• 第6章 结论135-137
• 参考文献137-145
• 攻读博士学位期间发表的论著、获奖情况及发明专利145-147
• 致谢147

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：989019