氮含量对超细晶奥氏体不锈钢管组织和性能的影响

通过机械合金化和放电等离子烧结技术制备超细晶奥氏体不锈钢管，分析其组织与性能，研究了氮含量对该不锈钢管组织和性能的影响。结果表明，随氮含量的增加，烧结试样中马氏体越来越少。氮具有稳定奥氏体的作用，当氮含量为1.2%时，试样基体转化为单一奥氏体相。制得试样晶粒均细小且均匀，尺寸都达到纳米级，氮含量为1.2%的试样，晶粒尺寸最小，只有100nm。表明采用机械合金化方法结合等离子烧结技术成功制备了纳米级奥氏体不锈钢管。氮的加入还能显著提高奥氏体不锈钢管的硬度、耐磨性和抗拉强度。

不锈钢管的发明是世界冶金史上的重大成就，不锈钢管的生产为近代工业的发展和科技进步奠定了重要的物质技术基础[1-2]。中国不锈钢管的科研和大量生产应用已有40年以上的历史，不仅用于化工、石油、湿法冶金、航天、航空、核工业、交通运输、轻工业、纺织和电子等工业部门中，同时还大量用于日常生活[3-4]。奥氏体不锈钢管由于具有无磁性、良好的焊接性能而受到大量的关注，但因对其强度、韧性和低磁性均提出了越来越高要求，因此对提高不锈钢管性能的新途径做更加深入的研究也就十分迫切，于是有人开发研制出了一系列特殊用途高性能钢，高氮钢就是其中一种[5-7]。本文以制备超细晶奥氏体不锈钢管为目的，利用机械合金化制备超细晶不锈钢管粉末，利用放电等离子烧结将球磨后的粉末烧结成型。通过对烧结试样进行X射线衍射和SEM分析，看是否制备出超细晶的奥氏体组织；通过对不锈钢管烧结块体进行力学性能检测，分析氮含量对材料力学性能的影响。1实验材料及方法试验的原材料为304不锈钢管粉末(主要含有17.16%Cr,8.71%Ni,0.46%Mn)、高氮铬铁粉末(主要含有27.2%Fe，62.6%Cr，8.48%N)和少量Fe、Ni粉。将原料按不同的配比分为4组，见表1。

将上述4组材料利用QM-1SP4-CL行星式球磨机、SPS-3.20MK放电等离子烧结(SPS)机进行磨粉和烧结；采用PhilipsXPert衍射仪对烧结试样进行物相分析，观察最后烧结试样的相组成；使用Tc500氮氧分析仪对烧结后的四个试样分别做氮、氧测定，分析最后试样中氮和氧含量的情况；使用WTM-IE磨损试验仪，HV-5维氏硬度仪，WAW-500C压缩试验机对不同氮含量烧结试样的摩擦系数、维氏硬度和抗压强度，进行测定。

2试验结果及分析

2.1X-Ray衍射分析

将4组不同氮含量的试样通过PhilipsXPert衍射仪进行X射线分析，结果如图1所示。可看出，氮含量较低时，试样基体为马氏体组织，这主要是由于在球磨过程中，大量形变诱导马氏体转变而生成的。随氮含量的增加，烧结试样中马氏体越来越少，奥氏体的峰值变得越来越强，当氮含量为1.2%时，试样基体转化为单一奥氏体相。原因在于氮减缓了面心结构向体心和密排六方结构马氏体的转变。由此可得出：氮元素具有稳定奥氏体的作用，在不锈钢管中甚至可以代替部分镍。有关这方面的报道很多，人们提出了许多镍当量的计算公式。综上，在稳定奥氏体方面1KgN相当于6-22KgNi，通过机械合金化和放电等离子烧结已制备了奥氏体不锈钢管。

2.2 SEM显微分析

采用扫描电镜对不同N含量的试样进行形貌观察，得到的显微组织形貌如图2所示。从图2可看出，图2(a)中试样晶粒尺寸在300nm左右，图2(b)试样晶粒尺寸在200nm左右，图2(c)中试样晶粒尺寸在150nm左右，图2(d)中试样晶粒尺寸在100nm左右，4个试样的晶粒均细小且均匀，尺寸都达到了纳米级。随氮含量的增加，试样的晶粒尺寸越来越细小，N含量为1.2%时，晶粒尺寸只有100nm左右，说明通过机械球磨和放电等离子烧结制备出了超细晶材料。晶粒大小之所以会随着氮含量的增加而降低，可能是氮元素与铁基之间的界面能比较小，更易形成弥散的细小强化相，使得晶粒尺寸强化作用变大。

2.3氮氧分析

为能更好反映最终块体中的氮、氧含量和氮、氧含量在烧结前后的变化，对原始粉末和烧结后的试样进行了氮氧分析，得出数据分别列于表2。表2为烧结前后粉末的氮氧含量它们都比预计的要高，而且3#、4#样的氮含量出奇高。对于这种现象作分析，有以下可能的原因：一是球磨前原始粉末中氮含量本身就高；二是在做氮氧分析时出现了误差。除3#以外的其他几个样的氮含量都比原来的有所增加，说明还是有氮转化到了奥氏体基体中。

2.4耐磨性分析

使用WTM-IE摩擦磨损试验仪对烧结试样的摩擦系数进行测量。通过测量试样的摩擦系数，可以得出试样的耐磨性，摩擦系数越小就说明越耐磨。图3为不同氮含量试样的摩擦系数测试曲线。可看出，随氮含量增加，摩擦系数逐渐变小，并且随时间延长，摩擦系数曲线变的比较平缓。说明氮的加入对耐磨性有着较大影响，氮的加入可提高不锈钢管的耐磨性，并随含氮含量的增加而变强。耐磨性的提高是因为有部分氮转化为氮化物形式析出，氮化物使材料表面得到了有效强化，从而提高了耐磨性。

2.5显微硬度分析

表3为使用HV-5维氏硬度仪测得各烧结试样的维氏硬度结果。可看出，烧结试样硬度要远高于普通304不锈钢管300HV左右的硬度，且氮含量越高，试样硬度越大。硬度的增加主要来自于N元素的固溶强化和氮化物的弥散强化以及细晶强化。其中氮化物的弥散强化对硬度影响最大，氮化物的析出会随N含量增加而增加[8]，因此硬度会随氮含量增加而增大。

2.6抗压强度分析

由于烧结的试样尺寸比较小，无法达到做拉伸试验的尺寸要求，所以将4组试样用线切割机切出准5mm，高10mm的圆柱，进行抗压试验，得到的结果如图4所示。可看出，试样的抗压强度都较高，最低的有1100MPa，最高的达1810MPa。并且随着含氮量的增加，试样的抗压强度越大。这一方面是由于随着氮含量增大，晶粒越来越小，由此产生的细晶强化效应；另一方面，可能来源于氮的固溶强化结果。我们还可以看到，加入氮量为0.3%的烧结样在达到最大抗压压力后，继续保持了一段时间材料才断裂，说明材料有一定的韧性。这相比张鑫等人[9]研究的完全脆性断裂有了很大进步。到0.6%N时，停留时间更长，这说明加入氮量从0.3%到0.6%材料的韧性是增强的。但随氮含量进一步增加，在最大压力处停留的时间缩短，说明其韧性在下降。这也是固溶强化与晶粒细化共同作用的结果：固溶强化使材料韧性降低，晶粒细化使材料韧性提高。当氮含量较低时，后者的作用占主要优势；随氮含量增加，前者作用越来越明显。因此，随氮含量增加，材料韧性先升高后降低。

3结论

(1)机械合金化法结合等离子烧结技术比较成功地制备出了纳米级奥氏体不锈钢管，其晶粒尺寸较小，仅约为100nm。(2)随着氮含量的增加，基体中马氏体量逐渐减少，奥氏体含量增加；加入氮含量为1.2%的试样，基体已经全是奥氏体相。这验证了氮元素具有稳定奥氏体组织的作用。(3)随着氮含量增加，奥氏体不锈钢管的硬度、耐磨性、抗压强度都显著提高。其韧性随氮含量的增加先升高后降低。