不同碳含量铸态316L不锈钢的组织和性能研究.pdf

有有色色矿矿冶冶NON-FERROUS MINING AND METALLURGY第 40 卷第 1 期2024 年 2 月Vol.40No.1February 2024文章编号：1007-967X（2024）01-35-04不同碳含量铸态 316 L 不锈钢的组织和性能研究*赵媛1，刘恩泽2*，谭政2，杨飞雪2，宁礼奎2，佟健2，李海英2，苟建容1，郑志2（1.中国船舶工业物资东北有限公司，辽宁 沈阳 110011；2.中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016）摘要：利用真空感应熔炼制备了不同碳含量的 316 L 铸态合金。利用化学分析方法分析了合金的化学成分，利用扫描电镜观察了合金的铸态微观组织，利用显微硬度仪测量了合金的维氏硬度。研究发现，合金的铸态组织由奥氏体和铁素体组成，随合金中的碳含量增加，合金铸态组织中的铁素体含量增加，合金的硬度显著增加。关键词：316 L 不锈钢；碳含量；微观组织；维氏硬度中图分类号：TG142文献标识码：A1前言316 L 不锈钢是一种常用的不锈钢材料，具有优良的耐腐蚀性能和良好的机械性能，被广泛应用于船舶和化工等领域14。对于 316 L 不锈钢的研究文献众多。众多学者研究了 316 L 不锈钢的腐蚀行为以及加工硬化机制和晶粒晶界对性能的影响58。但对 316 L 合金中元素的影响研究文献不多。董海英等研究发现在 316 L 不锈钢熔炼过程中添加稀土Ce 可有效净化合金晶界，提高合金耐蚀性能9。喇培清等研究添加 Al 对 316 L 不锈钢组织和室温力学性能和腐蚀性能影响，研究发现合金中添加的 Al元素始终以固溶形式存在于基体中，少量 Al 加入可以略微提高合金的强度和硬度，合金中添加 Al 后，合金的腐蚀速率先增加后减小，但 Al 的添加量均已超出 316 L 的成分范围1011。陈鑫等研究了碳含量对 3D 打印的 316 L 不锈钢的性能影响，研究发现随着碳含量增加 316 L 不锈钢的硬度增加，但 3D 打印中的碳含量均已超出 316 L 成分标准中碳含量的小于等于 0.03%（质量百分数）要求12。本文研究了在 0.03%碳含量范围内，不同碳含量 316 L 铸造合金的组织和性能，为进一步推广316 L 的精确应用奠定基础。2试验材料及方法采用真空感应熔炼制备碳含量不同的两种高镍316 L 材料，合金按照名义成份配料冶炼制备 25 kg的炮弹锭，两种合金的名义成分见表 1。从炮弹锭上取样，利用 X 射线荧光光谱仪，按照 GB/T 36164-2018 标准分析 Si、Cr、Ni、Mn、Mo、Al、P 元素标准；利用碳硫分析仪，按照 GB/T 20123-2006 分析 C、S元素；利用氧氮氢分析仪，按照 GB/T 11261-2006 标准分析 O 元素，按照 GB/T 20124-2006 标准分析 N元素，按照 GB/T 223.82-2018 标准分析 H 元素。从铸锭相同区域上切取 20 mm20 mm20 mm 样品，利用金相制备技术制备金相样品，利用 FeCl3（6 g）+HCl（50 mL）+C2H5OH（50 mL）腐蚀剂腐蚀样品，腐蚀时间 1560 s。利用 FEI-F50 场发射扫描电子显微镜观察样品微观形貌，Image-Pro plus 6.0 软件分析相的面积分数。利用显微维氏硬度仪测试样品的硬度，载荷为 200 g，加载时间 3 s。表 1两种不同碳含量 316 L 的合金名义成份（质量百分数，%）元素低碳高碳C0.020.020.03Si0.50.5Cr17.217.2Ni14.014.0Mn1.01.0Mo2.602.60Al0.010.01S0.010.01P0.010.01Fe余量余量3试验结果及讨论表 2 为两种合金铸态试样的化学分析成分结*收稿日期：2023-06-21作者简介：赵媛（1978），女，硕士，工程师，主要研究方向为材料腐蚀与防护。Email：通讯作者：刘恩泽（1976），男，博士，研究员，主要研究方向为高温合金。Email:36有色矿冶第 40 卷果。从表 2 中分析结果可见，合金中元素的分析结果与表 1 中合金名义成分要求一致，只有 Si、Cr、Ni、Mn 的含量与名义成分有偏差，但成分偏差均未超过0.2%。表 2两种不同碳含量 316 L 的合金分析成份（质量百分数，%）元素低碳高碳C0.010.03Si0.480.52Cr17.1517.30Ni13.9414.18Mn0.940.99Mo2.602.60Al0.0050.004S0.00230.0013P0.0050.009H0.00010.0001N0.0010.001O0.00140.0010Fe余量余量此外，从表 2 中可见，合金中的微量元素 O、N、H、S、P、Al 的含量均控制很低，这是采用真空感应熔炼的优势，采用真空感应熔炼更容易去除 316 L 合金中的气体元素的含量。两种试验合金的化学成分镍含量都比较高，合金的成分设计考虑为了避免制备阀体构件使用过程中的晶间腐蚀，合金中的镍含量按照质量百分含量 12%15%的标准控制，高镍的316 L 不锈钢的标准是由日本的大同特殊钢发布的企业标准，本研究中冶炼的合金成分符合大同特殊钢的企业标准。图 1 为低碳 316 L 合金的低倍组织形貌，从图 1中可见，低碳 316 L 合金的晶界形貌呈现简单的平面状，组织为奥氏体与铁素体相互混合的形貌。图2 为高碳 316 L 合金的低倍组织形貌，从图 2 中可见，高碳 316 L 合金的晶界形貌也呈现简单的平面状。比较图 1 和图 2，低碳合金中的晶界数量更多，晶粒尺寸相比较高碳合金中更小。利用图形软件分析低碳和高碳合金中的铁素体的面积分数，分别为65.21%（低碳合金）和 70.49%（高碳合金）。低碳合金中铁素体含量比较少，主要由于合金中的碳含量低，导致合金的铸态组织中形成的铁素体含量较少。图 1低碳 316 L 合金的铸态组织图 2高碳 316 L 合金的铸态组织图 3低碳 316 L 合金面扫描形貌第 1 期赵媛等：不同碳含量铸态 316 L不锈钢的组织和性能研究图 3 为低碳合金中局部区域利用扫描电镜分析的面扫描形貌。从图 3 中可见，合金的铁素体组织中 明 显 富 含 Cr、Mo 元 素，奥 氏 体 组 织 中 富 含 Ni元素。图 4 为高碳合金中的局部区域分面扫形貌，从图 4 中可见，高碳与低碳合金中 Cr 和 Mo 均在铁素体中富集。利用 JMatPro 软件计算低碳 316 L 合金的 液 相 线 温 度 为 1 455.09，固 相 线 温 度 为1 420.23；高 碳 316 L 合 金 的 液 相 线 温 度 为1 452.72，固相线温度为 1 400。高碳合金的固液凝固区间（52.72）明显高于低碳合金的固液凝固区间（34.86）。在合金铸造凝固过程中，高碳合金中的凝固过程时间更长，更利于 C 元素的扩散，也更易于析出铁素体。图 4高碳 316 L 合金面扫描形貌利用显微硬度仪测试了两种合金显微硬度，低碳合金的显微硬度的平均值为 117（HV200 g），高碳合金的显微硬度平均值为 165（HV200 g）。高碳合金的硬度高于低碳合金，其主要原因高碳合金中的碳含量促进了合金中的铁素体含量增加，碳含量增加会增加铁素体自身晶格错配度，进而提高合金的硬度。本文的研究结果表明，对于 316 L 合金的泵阀构件如果需要提高其自身本体的强度，可以通过适当提高合金中的 C 含量，提高其自身的硬度。4主要结论真空感应熔炼制备出不同碳含量的 316 L 合金锭，合金中的碳含量略微差别，导致了 316 L 合金铸态组织和性能均有差别。随着碳含量增加，合金铸造组织中的铁素体面积分数增加，合金的硬度显著增加。参考文献：1 柳曾典.常用铬镍奥氏体不锈钢的选用 J.石油化工设备技术，1999（3）：45-50.2 陆世英.我国不锈钢研究与应用的回顾和进一步发展的展望J.钢铁研究学报，1996（2）：64-68.3 欧阳再龙，董文杰.核化工工艺阀门的选型 J.当代化工研究，2022（14）：139-141.4 陈星.浅谈低温阀门设计应注意的事项 J.机电信息，2022（2）：80-83，88.5 李异，韦荣松，褟浩文.316L 不锈钢非敏化态晶间腐蚀敏感性研究 J.腐蚀与防护，1991，12（4）：177-182.6 蔡锋，方铁辉.晶粒尺寸梯度分布对 316L 不锈钢耐腐蚀性能的影响 J.粉末冶金材料科学与工程，2021，26（3）：227-234.7 宋仁伯，项建英，侯东坡，任培东.316L 不锈钢热加工硬化行为及机制 J.金属学报，2010，46（1）：57-61.8 刘廷光，夏爽，白琴，周邦新.316 L 不锈钢的三维晶粒与晶界形貌特征及尺寸分布 J.金属学报，2018，54（6）：868-876.9 董海英，胡丽娟，梁婉怡，谢耀平，林保全.稀土 Ce 对 316 L 不锈钢耐腐蚀性能的影响 J.腐蚀科学与防护技术，2018，30（5）：489-495.10喇培清，李玉峰，刘闪光.316 L 不锈钢中添加 Al 后的抗腐蚀性能 J.材料保护，2010，43（12）：62-64，87.11喇培清，李玉峰，刘闪光，申达，王鸿鼎.Al 元素对 316 L 不锈钢组织和室温力学性能的影响 J.钢铁，2010，45（5）：71-75，87.12陈鑫，钱波，李腾飞.碳元素含量对 SLM 成形 316 L 不锈钢机械性能的影响 J.机械科学与技术，2020，39（5）：804-809.（下转第 24 页）3724有色矿冶第 40 卷由表 4 可知，与异丁基黄药、25#黑药、乙硫氮等传统硫化铅捕收剂相比，N，N-二乙基二硫代氨基甲酸苯甲酰酯对铅具有更好的捕收力和选择性，同时对锌的捕收力较弱。适用于硫化铅锌矿的分离。3.3浮选试验结论通过对硫化铜和硫化铅锌矿的浮选实验结果可知，N，N-二乙基二硫代氨基甲酸苯甲酰酯是极好的多金属硫化矿捕收剂，适用于硫化铜矿的浮选。同时对于硫化铅锌矿的铅锌分离，可以有效提高硫化铅精矿的回收率，同时对硫化锌捕收力较弱。4结论采用乙硫氮和苯甲酰氯为主要原料，合成 N，N-二乙基二硫代氨基甲酸苯甲酰酯产品，其最佳合成工艺条件为：n（C5H10NS2Na3H2O）n（C7H5ClO）=1 1.04，温度为 45，时间 120 min 条件下合成产率为99.24%，回收率为 97.22%以上。将该产品应用于某硫化铜进行浮选试验，与异丁基黄药对比，铜精矿品位提高 1.17%，回收率提高了 2.25%；将该产品应用于某硫化铅锌矿进行浮选试验，与异丁基黄药、25#黑药等传统硫化铅捕收剂对比，铅精矿的品位及回收率均高于传统捕收剂，且其对硫化锌的捕收力较弱，适用于硫化铅锌矿分离。参考文献：1 王彩虹用酯 105 浮选酒钢桦树沟铜矿石的试验研究 J 金属矿山，2011（6）：101-103.2 程秦豫.N，N-二乙基二硫代氨基甲酸酯衍生物的合成与性能D.中南大学，2012.3 陈朝阳.新型二烷基二硫代氨基甲酸盐的制备及性能研究 D.中南大学，2003.Study on the Synthesis and Mineral Processing Performance of a New Type ofSulfur Nitrogen Ester CollectorZHANG Hai-long1，ZHU Li-gang2，FU Qiang1，GUAN Yun1，WANG Wei-lin1（1.Shenyang Youyan Mining Chemical Co.，Ltd.，Shenyang 110141，China；2.Chifeng Zhongse Baiyinnuoer Mining Co.，Ltd.，Chifeng 025473，China）Abstract:Using sodium diethyl dithiocarbamate and benzoyl chloride raw material,adopts the one-step synthesis of benzoyl N,N-diethyldithiocarbamate,inspected the material ratio,reaction temperature and reaction time influencing on the yield of product,it isconcluded that the best process conditions for N(C5H10NS2Na 3H2O):N(C7H5ClO)=1:1.04,the temperature is about 35,thesynthesized under the condition of 120 min production rate was 99.24%,the recovery is more than 95.22%of N,N-diethyl dithiocarbamate benzoyl acetate ester sulfur nitrogen products.Applied to a copper mine as collector,the copper grade and recovery ofcopper concentrate increased by 1.17%and 2.25%,compared with the field reagent.When it is applied to a lead-zinc ore as collector,compared with isobutyl xanthate,25#black medicine,ethylthiazide,ammonium butyl black medicine and ethyl xanthate,thegrade and recovery of lead can be significantly improved,while the collecting power of zinc sulfide is very weak.Key words:benzoyl N,N-diethyldithiocarbamate;sodium diethyl dithiocarbamate;organic synthesis;flotation.专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专（上接第 37 页）Study on Microstructure and Properties of Cast 316 L Stainless Steel withDifferent Carbon ContentsZHAO Yuan1，LIU En-ze2，TAN Zheng2，YANG Fei-xue2，NING Li-kui2，TONG Jian2，LI Hai-ying2，GOU Jian-rong1，ZHENG Zhi21.China Shipbuilding Equipment&Materials Northeast（China）Co.，Ltd.，Shenyang 110011，China；2.Institute of Metal Research，CAS，Shenyang 110016，ChinaAbstract:Different carbon content 316 L cast alloys were prepared by vacuum induction melting.The chemical composition of thealloys was analyzed by chemical analysis,and the cast microstructure of the alloys was observed by scanning electron microscopy.The Vickers hardness of the alloys was measured by a microhardness tester.The results showed that the cast microstructure of the alloy was composed of austenite and ferrite,and the ferrite content in the cast microstructure increased with the increase of carbon content in the alloy.The hardness of the alloy increased significantly.Key words:316 L stainless steel;carbon content;microstructure;Vickers hardness