Thermo-Calc軟件在不銹鋼品種開發(fā)的應(yīng)用
無錫不銹鋼板廠家無錫漢能不銹鋼2020年8月31日訊 不銹鋼(Stainless Steel)是不銹耐酸鋼的簡稱,耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)或具有不銹性的鋼種稱為不銹鋼;而將耐化學(xué)腐蝕介質(zhì)(酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕)腐蝕的鋼種稱為耐酸鋼。每種不銹鋼都在其特定的應(yīng)用領(lǐng)域具有良好的性能,新品種開發(fā)成功的關(guān)鍵首先是要弄清用途和使用環(huán)境,然后再確定正確的鋼種。
全球主要不銹鋼生產(chǎn)國集中在亞洲地區(qū),我國在2006年已然成為全球最大的不銹鋼生產(chǎn)國,緊隨其后的分別是印度、日本。21世紀(jì)以來,我國的不銹鋼產(chǎn)量占全球比例快速提高,從2001年的3.8%,提高到2016年的54.48%,產(chǎn)量達(dá)到2493.8萬噸。奧氏體不銹鋼由于具有無磁性,良好的焊接性能和抗蝕性能,成為產(chǎn)量、用量最大,型號最多的一種不銹鋼,全世界不銹鋼的產(chǎn)量中,奧氏體不銹鋼占75%。
隨著奧氏體不銹鋼的應(yīng)用領(lǐng)域愈來愈廣泛,對奧氏體不銹鋼強(qiáng)度、韌性、低磁性和耐蝕性均提出了越來越高的要求。我國目前的不銹鋼也主要以奧氏體不銹鋼為主,包括200、300系和400系。
傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼如0cr25ni20多為高Ni含量,其合金元素范圍是:WC≤0.08%,19.0%<WNi<22.0%,24.0%<WCr<26.0%,2.0%<WMo<3.0%,WMo≤2.0,WSi≤1.0,WS≤0.030,WP≤0.035。我國鎳礦的資源量有限,為了滿足國內(nèi)不銹鋼行業(yè)的強(qiáng)勁需求,每年需要從國外進(jìn)口大量的鎳資源,導(dǎo)致了近年來Ni價的持續(xù)高漲,而且全球的鎳供應(yīng)缺口不斷擴(kuò)大。隨著我國不銹鋼產(chǎn)量的增加,Ni的供需矛盾將日益凸顯,唯一的解決辦法就是生產(chǎn)節(jié)鎳型的不銹鋼,降低Ni系不銹鋼的比例。
20世紀(jì)50年代中期,肖紀(jì)美院士在美國開展了650℃以上工作溫度的節(jié)鎳不銹耐熱鋼的研制,通過系統(tǒng)研究相圖與相變,他提出可以用錳、氮部分或全部代替奧氏體不銹鋼中的鎳。同時首次提出了節(jié)鎳奧氏體不銹鋼基本成分設(shè)計和力學(xué)性能計算的方法和計算圖。該鋼種要形成完全奧氏體組織所需的最低碳、氮含量可通過下列公式計算:WC+WN=0.078(WCr-12.5%)。
《材料熱力學(xué)和動力學(xué)計算在鋼鐵材料中的應(yīng)用》一書中系統(tǒng)的計算了高N節(jié)鎳型不銹鋼的相圖以及合金元素對奧氏體不銹鋼相區(qū)的影響,提出采用Thermo-Calc熱動力學(xué)軟件進(jìn)行高氮節(jié)鎳型不銹鋼的成分設(shè)計的原理和方法,本文簡做介紹。
研究方法
首先,采用Thermo-Calc軟件及其附帶的TCFE9數(shù)據(jù)庫計算了傳統(tǒng)310S不銹鋼相圖(見下圖),310S不銹鋼的基體成分為FE-0.03%C-0.20%Si-1.3%Mn-25%Cr-20%Ni-0.03%Mo-0.0050%N。從傳統(tǒng)310S不銹鋼相圖上可以看出,在低Ni端存在四種類型的含鐵素體(BCC)相區(qū):BCC、L+BCC、FCC+BCC、L+FCC+BCC。奧氏體不銹鋼是使用狀態(tài)下以奧氏體組織為主的不銹鋼,因此,要想在較寬的溫度區(qū)域下形成單一的FCC相,則鋼中Ni含量必須大于18%,如圖中箭頭所示。根據(jù)肖紀(jì)美院士的研究結(jié)果,確定節(jié)鎳不銹鋼的品種開發(fā)設(shè)計采用高Mn、高N替代Ni的思路。
傳統(tǒng)310S不銹鋼相圖(界面圖)
接下來,研究不添加Ni元素時在合金設(shè)計上是否可行。通過Thermo-Calc軟件計算FE-0.03%C-0.20%Si-9%Mn-25%Cr-0.03%Mo-0%Ni-xN多元合金系相圖的結(jié)果分析得出,即使在N含量高達(dá)1%時在整個溫度范圍內(nèi)仍然無法獲得單一的奧氏體相區(qū)。由此可見,用氮元素全部替代鎳元素的成分設(shè)計思路不可行,必須合理的調(diào)整N-Ni比例,在低Ni的基礎(chǔ)上采用高N成分設(shè)計獲得節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼。
無鎳不銹鋼相圖(界面圖)
根據(jù)以上思路分別使用Thermo-Calc軟件計算了N含量為0.0050%、0.1%、0.3%、0.5%時FE-0.03%C-0.20%Si-9%Mn-25%Cr-0.03%Mo-N-Ni系多元合金相圖,結(jié)果示于下圖。下圖中(a)為0.005%N含量(鋼中殘余N)時多元合金相圖,如圖所示,1000℃時獲得單一奧氏體相區(qū)的臨界Ni含量為25%,此時和傳統(tǒng)310S不銹鋼的合金設(shè)計成分類似。下圖(b)為0.1%的N含量多元合金相圖,1000℃時獲得單一奧氏體相區(qū)的臨界Ni含量為20.9%,增加N時獲得單一奧氏體相區(qū)的臨界Ni含量顯著下降。進(jìn)一步增加N含量到0.3%和0.5%時(下圖(c)、(d)),1000℃獲得單一奧氏體相區(qū)的臨界Ni含量分別為12.4%和5.6%。
將以上計算結(jié)果匯總后得到鋼中N含量和1000℃時獲得單一奧氏體區(qū)臨界Ni含量的關(guān)系圖,如下圖所示,通過大幅度增加鋼中N含量,獲得奧氏體不銹鋼的最低Ni含量可以節(jié)省50%以上。
不同N含量時多元合金相圖(界面圖)
1000℃時的臨界Ni含量/%
技術(shù)應(yīng)用
通過大幅度增加鋼中N含量,獲得奧氏體不銹鋼的最低Ni含量可以節(jié)省50%以上。
目前,國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出各類節(jié)鎳型不銹鋼,如1Cr17Mn9Ni4N,化學(xué)成分中的部分Ni被Mn、N代替。與傳統(tǒng)1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼相比,其塑性更好,冷作硬化到1200Mpa時伸長率可達(dá)到21%-28%,而傳統(tǒng)不銹鋼1Cr17Mn9Ni4N的伸長率只有6%。此外,由于在低溫下變形發(fā)生相變誘發(fā)塑性效應(yīng)使其具有優(yōu)異的低溫性能。
今年11月1日,青山實業(yè)在中國國際不銹鋼工業(yè)展覽會舉辦之際發(fā)布了最新研究的高氮、高耐蝕、高強(qiáng)度節(jié)鎳奧氏體不銹鋼304D產(chǎn)品,該品種在研發(fā)初期即充分利用了熱動力學(xué)計算軟件Thermo-Calc輔助其進(jìn)行成分設(shè)計,維持了304不銹鋼18%鉻的同時通過高氮合金化(2000ppm以上)以及先進(jìn)制造工藝,使得它在鎳含量大幅度降低3%左右條件下,仍然具有和304不銹鋼相當(dāng)?shù)哪透g能力、冷壓延和冷成形能力以及可焊性,并解決了304不銹鋼長期以來的強(qiáng)度偏低的問題。
不銹鋼未來的發(fā)展方向
鋼種極低碳化(碳≤0.02%)和高純化(作為雜質(zhì)元素硫、磷、硅、錳等含量極低)。特殊用途鋼種開發(fā),如熱海水用高鉬鋼、高耐蝕高強(qiáng)度的高氮鋼(氮含量達(dá)到0.4%~0.6%甚至0.8%~1.0%),不銹鋼功能材料(記憶材料、儲氫材料等)等。不銹鋼復(fù)合材料、非晶不銹鋼等新工藝開發(fā)。日本有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),在23Cr-2Mo-Fe系鋼中添加1.3%以上的N,而不添加Ni也能獲得單相不銹鋼,所以未來經(jīng)濟(jì)型奧氏體不銹鋼的研究還是有廣大空間可以開拓。