糊状区保温时间对201不锈钢管氮含量和气孔率的影响

对低镍201不锈钢管在糊状区分别在氮气环境中保温0、5、10、15min，探究保温时间对氮含量和气孔率的影响。结果表明:随着保温时间的增长，氮含量显著提高。糊状区保温可在避开凝固过程中的铁素体区，促进液相中的氮向奥氏体扩散。经过热力学分析，化学势差提供了氮从液相向奥氏体扩散驱动力。因此，糊状区保温是一种有效的不锈钢增氮方法，为生产高氮不锈钢提供了新思路。

氮合金化对不锈钢有诸多益处。首先，氮合金化能够显著提高不锈钢的强度，但不降低塑性；其次，氮是强烈的奥氏体稳定化元素，可以减少甚至取代不锈钢中的镍，经济效益显著；此外，氮合金化还能提高不锈钢的耐蚀性能。基于上述理论，低镍型奥氏体不锈钢以锰和氮代替部分镍，不但可以大幅降低生产成本，还能够保证一定的强度及耐腐蚀性能，因此受到了广泛的关注。但目前低镍型奥氏体不锈钢增氮存在两个问题，一是增氮效果不佳，氮含量偏低，二是增氮过程中易于产生气孔，降低了性能。

目前提高不锈钢氮含量主要基于固溶氮化和液相渗氮。固溶氮化，该工艺无常压熔炼的气孔问题，是生产高氮钢简单而有效的方法。但是固溶氮化的渗氮时间长，且渗氮层厚度有限，不适合规模化生产。液相渗氮基于高压熔炼工艺渊如院热等静压熔炼[15]、增压电渣重熔[16]、加压感应熔炼、高压底吹氮气等冤和常压熔炼工艺渊如院氩氧脱碳AOD工艺[7-8]、添加氮化合金、电渣重熔[20-21]、吹氨气冶炼[12]等冤。高压熔炼能有效提高不锈钢中的氮含量，但是高压熔炼的技术难度大，存在高压危险，很难推广曰而常压熔炼增氮效果一般，易出现氮偏析[22]、气孔[10-11，13]等铸造缺陷，影响后续的轧制、锻造等塑形产品的质量。

综合考虑固溶渗氮工艺可大幅增加氮含量的特点以及常压熔炼工艺更适合大规模生产的优势，本文设想院将目前的熔炼温度降至糊状区的温度范围，在氮气氛下进行野半固态冶保温，促使氮在奥氏体中的溶解度趋向饱和，从而实现增氮的目的。在糊状区温度范围内制备高氮奥氏体不锈钢优势还在于院通过选取适宜的保温温度，可以避开铁素体区或在铁素体较少的区域，理论上可以消除产生偏析和气孔的根源曰同时由于熔炼温度的降低，对节能降耗，延长模具寿命也大有益处。

因此，以典型的低镍201不锈钢管不锈钢管为研究对象，研究了糊状区保温时间对不锈钢氮含量、气孔率的影响，讨论了熔体中氮向奥氏体的扩散行为[23]，为解决目前低镍奥氏体不锈钢增氮工艺中存在的增氮效果不佳、气孔较多的问题提供一个新的思路和工艺方法。1试验材料及方法合金的熔炼采用真空/高压感应熔炼炉，采用钨铼热电偶直接测量熔体温度。试验材料为典型低镍奥氏体201不锈钢管，成分如表1所示。采用JMatPro热力学分析软件对该合金的凝固过程进行了预测，结果表明该合金的糊状区宽度在1384℃～1445℃范围，凝固模式为FA模式[24]，即先从液相中析出啄铁素体,包晶反应生成奥氏体，随后通过固态相变再次形成奥氏体组织，没有转变成奥氏体的残留啄铁素体存在于晶胞中。

首先将3Kg左右的试验材料置于氧化镁坩埚内，抽真空至100Pa后加热试样至熔化。关闭真空系统，充入0.1MPa的氮气渊99.9%冤，并升温至1600℃使金属熔化，保温15min，使氮充分融入液相。然后降低电源功率，使金属液降温，进入糊状区。调整电源功率使熔体维持在1400℃进行保温。保温时间设定为0、5、10、15min。作为对比，另一组试样熔化后降温至1450、1500、1530、1580、1600℃，再分别保温15min。保温结束后关闭感应电源，利用冷却循环水将熔体冷却至室温，得到准70mm伊120mm的铸锭。试样从距铸锭底部20mm处切出。采用LECO公司TCH600氢氧氮联测分析仪检测试样的氮含量曰采用阿基米德排水法测定气孔率。

2试验结果

2.1氮含量

液相渗氮保温温度对不锈钢氮含量影响如图1渊a冤所示，氮含量随着温度的降低呈增加趋势。糊状区保温时间对不锈钢氮含量的影响如图1渊b冤所示，试样氮含量的检测结果表明氮含量会随糊状区保温时间的增加而显著增长。糊状区保温渗氮相对液相渗氮，氮含量显著提高。当保温时间为15min时，试样的氮含量能够达到0.230wt%。

2.2气孔率

液相渗氮保温温度对不锈钢气孔率影响如图2渊a冤所示，气孔率随着温度的变化规律不明显。糊状区保温时间对不锈钢气孔率的影响如图2渊b冤所示，试样气孔率随糊状区的保温时间的变化规律也不明显。但对比发现，糊状区保温试样的气孔率要低于液相渗氮保温试样的气孔率。

3分析讨论

3.1氮含量分析

通过实验结果我们可以得出糊状区保温增氮是一种有效的增氮方法。这是由于糊状区是一个固液相共存的区域，我们选择奥氏体体积分数较多的区域保温，液相中的氮不断地向奥氏体扩散，直至奥氏体饱和。而氮在奥氏体中的溶解度远远大于氮在液相中的溶解度[25]，因此氮含量有一个显著提升。我们都知道扩散的根本驱动力是化学势差值。氮在液相中的化学势大于氮在奥氏体中的化学势，这个化学势差值趋使液相中的氮不断地向奥氏体扩散，以此增加体系氮含量。糊状区保温时，以N从液相向固相扩散为研究对象，我们选择w渊N冤=0wt%为金属的标准态，选择N含量为5.9wt%为N的标准态[26]，运用JMatPro热力学软件计算结果绘制出201不锈钢管在糊状区中T=1400℃时的野吉布斯自由能-成分冶曲线图，如图3所示。其中，GL和G酌分别为液相和奥氏体相的吉布斯自由能，两线相交于M点。根据公切线法则，作GL和G酌的公切线ab，与GL相交于A点，与G酌相交于B点。ab线为两相的平衡线。A点和B点分别为平衡时氮在液相和固相中的质量分数。但实际室温组织中，氮含量达不到该值，这是由于凝固过程中偏析、气孔、氮气压力等因素的影响。但同时也说明，只要我们采用合适的工艺条件。

3.2气孔率分析

通过实验结果我们还发现糊状区保温试样的气孔率要低于液相渗氮保温试样的气孔率，说明糊状区保温增氮的方法可以有效减少气孔。不锈钢凝固过程中的气孔主要是析出性气孔[28]。凝固过程中，液相处于氮的过饱和状态，随着温度的降低，进入糊状区，首先析出铁素体渊FA凝固模式决定冤，由于液相与铁素体巨大的溶解度差，造成氮的富集，形成气泡，气泡来不及浮出液面，便残留在金属中形成气孔。而在糊状区中，随着保温的进行，氮不断从液相扩散到固相，造成液相的氮不饱和，此时，形成的气泡又会重新溶解到液相中，液相中的氮又不断向固相扩散，直至饱和，以此来减少气孔，如图4所示。这一析出、重溶的过程，与野底吹氮气冶增氮方法类似，相当于进行了野二次增氮冶，一方面有效减少了气孔，另一方面促进了氮的扩散。

4结论

（1）在0.1MPa的氮气氛下对典型低镍201不锈钢管进行液相渗氮和糊状区保温。结果表明随着保温温度的减小，氮含量增加。而进入糊状区保温，随着保温时间的增加，氮含量得到显著提高，当保温时间为15min时，试样的氮含量能够达到0.230wt%。（2）糊状区固液相共存，保温尽量选在奥氏体区，液相中氮的化学势大于奥氏体中氮的化学势，这个化学势差值趋使液相中的氮不断地向奥氏体扩散，从而提高氮含量。（3）糊状区保温能够使低镍奥氏体不锈钢氮含量显著提高、气孔率明显减少，是一种有效的增氮方法，为低镍奥氏体不锈钢增氮提供了一种新思路。