氮含量对Cr18Mn18N无磁不锈钢.doc

氮含量对Cr18Mn18N无磁不锈钢
力学性能、磁导率和组织的影响
易邦旺　胡　燕　郎文运　杨志勇
(钢铁研究总院)
摘　要　探讨了Cr18Mn18N无磁不锈钢中氮含量对钢的力学性能、磁导性能以及组织状态的影响。研究结果表明，Cr18Mn18N钢中氮含量大于0.31 %时，组织才为全奥氏体状态，该钢氮含量的最佳区间为0.4 %～0.6 %。
关键词　氮　奥氏体　磁导率
EFFECT OF CONTENT ON MECHANICAL PROPERTIES，MAGNETIC
OF Cr18Mn18N CONDUCTIVITY AND MICROSTRUCTURE
YI Bangwang　HU Yan　LANG Wenyun　YANG Zhiyong
(Central Iron and Steel Research Institute)
ABSTRACT　The effect of N content on mechanical properties and magnetic conductivity and microstructure of Cr18Mn18N non-magnetic stainless steel is studied.The result shows that the microstructure is fully austenite when the N content is more than 0.31 %,the best content range of N is 0.4 %～0.6%.
KEY WORDS　nitrogen(N),austenite,magnetic conductivity
　　氮是强烈的奥氏体形成元素，可以节约奥氏体不锈钢中的镍；氮又是间隙固溶的元素，可有效地提高奥氏体不锈钢的强度，还可提高不锈钢的耐蚀性［1，2］。经济型Cr-Mn-N或Cr-Mn-Ni-N不锈钢被广泛地使用在化工、建筑、轻工等行业中。通常奥氏体不锈钢中的氮含量控制在0.4 %以下，然而，Cr18Mn18N不锈钢中氮含量的下限值为0.4 %，在大气下冶炼钢中氮含量的极限值为0.67 %。1Cr18Mn18N高氮不锈钢作为第二代大型火力发电机护环材料，它是常压状态冶炼所有含氮不锈钢中氮含量最高的一个钢种。本文旨在研究氮含量对Cr18Mn18N无磁不锈钢的力学性能、磁导率及组织状态的影响。
1　实验材料及方法

　　本实验采用30 kW非真空感应炉及真空感应炉加电渣重熔冶炼。钢中主要元素碳、铬、锰含量不变，加入不同含量的氮，其成分见表1。钢锭经锻造后，试样经1　050 ℃×40 min固溶处理。对试样进行力学性能试验，采用磁天平法测定其磁导率，通过金相观察测定奥氏体量的变化。
表 1　试验钢的主要成分　　%
Table 1　Chemical composition of experimental steels　　%

炉号
C
Mn
Cr
N
冶炼工艺
04
0.09
19.20
18.32
0.150
非真空
05
0.09
19.20
18.26
0.260
非真空
06
0.10
18.90
18.32
0.528
非真空
07
0.08
19.30
18.32
0.630
非真空
08
0.08
19.30
18.59
0.607
非真空
09
0.07
19.40
18.59
0.670
非真空
10
0.08
19.30
17.44
0.640
非真空
11
0.08
19.20
18.59
0.650
非真空
17
0.10
17.54
17.10
0.310
真空+电渣
18
0.12
18.92
18.29
0.390
真空+电渣
19
0.17
19.90
19.34
0.400
真空+电渣

2　实验结果与讨论
2.1　氮含量对力学性能的影响
　　从图1可以看到随氮含量增加，σb、σ0.2提高。当钢中氮含量达到0.31 %～0.60 %时，σb、σ0.2约稳定在一个定值上；当氮含量超过0.6 %时，氮作为强间隙固溶元素，使强度又有所增高。不同氮含量的钢，其伸长率与断面收缩率没有呈现明显规律性的变化，伸长率数据在45.4 %～51.9 %波动，断面收缩率数据在69 %～74 %波动，都有较高的值。冲击韧性都很高，均在294 J/cm2以上。表2显示出Cr18Mn18N钢具有良好塑性和韧性。
　　综上所述，Cr18Mn18N无磁不锈钢的强度随着钢中氮含量的增加而提高，钢的塑性和韧性都有一个较高值，从强度考虑，该钢的氮含量控制在0.4 %～0.6 %为宜。前苏联卡拉廖夫指出，当钢中铬、锰进行适当配比后，在常压下冶炼，钢中氮含量可以达到0.65 %［3］。钢铁研究总院的实验结果表明，

图 1　氮含量对钢的强度的影响
Fig.1　The effect of N content on the strength
表 2　氮含量对塑、韧性的影响
Table 2　The effect of N content on plasticity and ductivity

炉号
04
05
17
18
19
06
08
07
10
11
09
N/%
0.150
0.260
0.310
0.390
0.400
0.528
0.607
0.630
0.640
0.650
0.670
δ5/%
48.20
45.90
53.25
53.00
54.80
51.90
47.90
51.90
49.40
45.40
46.30
ψ/%
74.8
76.1
72.4
75.2
70.8
79.6
74.2
77.7
72.3
69.0
74.3
aK/
J*cm-2
316
＞362
323
346
305
＞294
(未断)
＞294
(未断)
＞294
(未断)
＞294
(未断)
＞294
(未断)
＞294
(未断)

　　注：表中数据为平均值，试样经1　050 ℃×40 min固溶处理。

　　Cr18Mn18N钢在常压下冶炼，钢中氮含量的极限值可以达到0.67 %。德国正在研究通过加压电渣精炼，可把Cr18Mn18N钢中的氮含量增加到1.0 %，该钢只需经过5 %温变形，就获得强度高于1　000 MPa的第三代护环材料［4］。
3.2　氮含量对磁导率的影响
　　氮作为奥氏体强烈形成元素，钢中氮含量的多少对奥氏体量的影响较大。如何控制钢中氮含量的合理区间，确保Cr18Mn18N钢的抗磁性能，对高抗磁性护环材料是一个关键。从图2可以看出，钢中氮含量低于0.31 %时，在低磁场强度(3　979～4　475 A/m)条件下就显示出高的磁导率；当钢中氮含量大于0.31 %时，磁场强度高达98.68×103 A/m，Cr18Mn18N钢仍显示出高的抗磁性能。随着钢中氮含量的增高，磁场强度增大，钢的磁导率变化不大，可稳定在1.001　4以下的低水平。
　　实验表明，Cr18Mn18N钢中的氮含量不低于

图 2　氮含量对Cr18Mn18N钢磁导率的影响
Fig.2　The effect of N content on magnetoconductivity
0.31 %，才能保持高的抗磁性。当钢中氮含量大于0.31 %时随钢中氮含量的增高，磁导率稳定在同一低水平上，再提高氮含量对抗磁性意义不大。钢中氮含量区间从抗磁性能来说，在0.4 %～0.6 %之间较为合理。
3.3　不同氮含量的钢的组织状态
　　氮元素为强烈的奥氏体形成元素。钢中氮含量不但对磁导率有影响，对钢的组织状态也有影响。采用金相法，同时用计算机(LECO QA0-6)测定钢中铁素体含量。实验选择了氮含量为0.15 %、0.20 %、0.31 %、0.39 %和0.53 %五种不同的钢进行组织观察，测定10个视场的铁素体量，求平均值。结果表明，当钢中氮含量为0.15 %时，钢中铁素体量平均为19.37 %；氮含量为0.26 %时，钢中铁素体量平均为17.47 %；氮含量大于0.31 %时，钢中未发现铁素体，即全部奥氏体化。其金相组织见图3。
　　因此，Cr18Mn18N无磁不锈钢若要全奥氏体

图 3　氮含量对Cr18Mn18N钢显微组织的影响
Fig.3　The effect of N content on the microstructure(a)0.15 %N，1　050 ℃×30 min固溶；(b)0.26 %N，1　050 ℃×30 min固溶；(c)0.53 %N，1　050 ℃×30 min固溶化，钢中氮含量的下限值必须≥0.31 %。
4　结论
　　(1) Cr18Mn18N无磁不锈钢的强度，随钢中氮含量增加而提高；钢中氮含量对伸长率、断面收缩率以及冲击韧性影响不大，可保持良好的塑性和韧性。
　　(2) 钢中的氮含量低于0.31 %时，钢的磁导率随钢中氮含量的降低急剧增大；当钢中氮含量达0.31 %以上时，随钢中氮含量的增高磁导率无变化，稳定在一个低水平上(μr≤1.001　4)，呈现出良好的抗磁性能。
　　(3) 钢中氮含量低于0.31 %时，钢的组织状态为奥氏体加铁素体状态，只有钢中氮含量大于0.31 %时，钢的组织状态才为全奥氏体组织。
　　(4) 从力学性能、磁导率、组织状态三者综合考虑，Cr18Mn18N钢作为第二代护环材料，钢中的最佳氮含量区间为0.4 %～0.6 %。
参　考　文　献
1　长谷川正义.ステンレス钢便览.东京日刊工业新闻社，1960，54.
2　陆世英，张廷凯，杨长强，等.不锈钢.北京：原子能出版社，1995.202～203.
3　Королев M Л．Азом Как，Лелирующий　Эмент　Стали．Москва，1961.7.
4　Stein G.Manufacture and Mechanical Properties of High-NiCrogen-Alloyed Steels.I & SM,1989,16(11):51～57.
联系人：易邦旺，高级工程师（教授级），北京（100081）钢铁研究总院合金钢部