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奥氏体不锈钢中的碳化物和氮化物

时间:2012-4-13来源: 作者: Steel info点击:
 

常用奥氏体不锈钢的碳含量在0.05%~0.15%,在高温下全部溶解于奥氏体中,当冷却到室温时,碳以过饱和状态存在于基体中,当再加热到适宜温度,并保温足够时间,碳将会以碳化物形式沉淀出来,常见的碳化物类型有M23C6、MC、M6C,而M7C3少见。钢中存在的碳化物类型与钢的成分、受热条件有关。

        M23C6型碳化物是影响奥氏体不锈性能最主要的碳化物。在不锈钢中,M23C6主要是铬的碳化物,常常称为Cr23C6,由于铁、钼等元素常常取代部分铬,也记作(Cr,Fe)23或C6(Cr,Fe,Mo)23。M23C6是一种富铬碳化物,具有复杂的面心立方结构,每个晶胞中含有92个金属原子和24个碳原子,其点阵常数约为奥氏体的3倍。
M23C6的析出温度范围为482~950℃,最敏感的温度出现于650~750℃间,所需保温时间最短仅几秒钟,与钢的成分、加工历史条件和所处温度相关。M23C6在奥氏体基体中析出遵循一定顺序,以0Cr18Ni9 为例,在满足M23C6析出的条件下,首先在铁素体_奥氏体相界析出,随后依次是晶界、非共格孪晶界、非金属夹杂物边界和共格孪晶界,最后是晶内。
富铬的M23C6沉淀,将引起其附近区域铬含量降低,由于铬的扩散极度缓慢,此区域铬得不到补充,形成贫铬区,使钢的耐蚀性降低,这就是引起晶间腐蚀的经典贫铬理论,在晶界M23C6连续网状的形成其危害尤其严重,此外M23C6的析出对耐点蚀,缝隙腐和SCC也将产生不利影响并降低钢的塑韧性。为了避免有害的M23C6析出,通常采用加入强碳化物形成元素和降低钢中碳含量至0.03%以下来控制。研究和实践表明,将基体中的碳降至平衡碳含量0.02%以下是十分有效的。
MC碳化物主要出现于钛或铌稳定的奥化体不锈钢中,在这类钢中的MC是TiC和NbC,如果有Ta存在(加Nb带入)也可能形成TaC。MC碳化物具有面心立方结构,碳原子在晶体点阵中占据八面体的位置,奥氏体不锈钢中不可避免含有氮,也可生成TiN和NbN等MN型氮化物。MN和MC晶格类型相同,CN 原子经常相互取代;实际工业产品中多半是以M(CN)型碳氮化物形式存在。
       在钛或铌稳定化奥氏体不锈钢中,经适宜的温度加热,MC优先析出,窃取了钢中的碳,因而减少或推迟了有害的M23C6的析出,提高钢抗敏化态晶间腐蚀能力。MC的析出敏感温度为850~900℃,通常在此温度进行2~4h的热处理,使MC优先析出,此种处理称做稳定化热处理。此种热处理一般是在固溶处理后再进行才能充分发挥作用。MC的析出除减缓M23C6析出提高耐晶间腐蚀外,尚可提高钢的蠕变性能,对于高温应用部件可在较高温度进行固溶处理,使MC尽量溶解,然后在高温应用中,MC便可弥散地沉淀出来,从而达到提高其蠕变强度的目的。
M6C型碳化物是一种具有面心立方结构,点阵常数近于M23C6,每个晶胞中含有96个金属离子,但碳原子数不确定,不是一个严格遵守化学定量法的相,M6C中至少含有两种金属原子,因此亦可记成A2B2C或A4B2C。M6C在含钼或铌的奥氏体不锈钢中曾观察到它的存在。钢中的氮、镍、铜、铌促进M6C的形成。在17Cr-13Ni-5Mo钢中仅在氮含量超过0.069%时才发现M6C,当镍含量在25%以上时,镍、钼、铌含量越高,M6C形成的越快。M6C属于高温沉淀相,当成分适合时,最快的沉淀温度处于900~950℃,常常在1小时之内沉淀出来,主要分布于晶内,且与一种或几种金属间相同时生成。在较低温度下,只有长时间时效才能生成,如17Cr-13Ni-5Mo钢,在650℃经过1500小时时效,先生成M23C6而后生成M6C,目前一种观点认为M6C是由!%,#"按下式方式分解的产物:
              +Mo                                    +Mo
M23C6              (Fe,Cr)21Mo2C6               M6C
              650℃
      至目前为止,已观察到Fe3Mo3C, Fe3Mo3C等M6C 型碳化物,当温度超过1050℃,M6C将会溶于奥化体基体中。在奥氏体不锈钢中存在氮化物的可能性是存在的,在不含稳定化元素的奥氏体不锈钢,如18Cr—8Ni钢,当氮含量超过0.15%4时曾发现Cr2N型氮化物。在含足够量的铝、钛、铌、钒的奥氏体钢中能够生成MN(TiN,NbN)。
 
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