铌在奥氏体不锈钢和双相不锈钢中的作用
2003-10-09 00:00 来源： 我的钢铁
铌在铸造和变形奥氏体不锈钢中的两个主要作用是用作稳定剂以减轻晶间腐蚀的危险，并用作强化剂。到目前为止，似乎铌在奥氏体-铁素体双相不锈钢中还没有同时起到这两种作用。为了说明成分是如何演变的，结合使用要求述评了主要析出相的特征及其分布。所涉及的冶金进展中包括均衡降低347钢成分中铌和碳的含量所获得的益处。控制热处理与冷加工的组合应用使应用广泛的钢种的耐蒸汽氧化性和蠕变强度均得到了优化。低铌含量与高氮加入量的结合导致了更迭稳定化机理。在高温用途中析出强化的效果得到了改善，这是因为加入了多种微合金化元素，主要是铌，钛和钒，以及对铬—铌氮化物作用的认可。根据加入钼，铌，钛，氮，铜和钨多种合金元素的协合作用，开发了矿物燃料和核动力发电厂用高强度抗蠕变系列钢种。这些钢种的开发利用了合金设计的知识将有效的固溶强化和析出强化与最优晶界析出结合在一起进行。
铁—铬—镍基体与合金元素在奥氏体和双相不锈钢中的作用
奥氏体不锈钢
铬是不锈钢中的主要加入元素。奥氏体不锈钢中铬的有效下限值约为13%。铬的上限值很少超过25%，而且可以通过在热辐射过程中形成口Fe-Cr中间相的倾向，或通过高铬钢在特殊侵蚀环境中的特性来调整该上限值。硅和铝可改善耐氧化性且都是稳定铁素体的元素。可加入稀土提高氧化物的稳定性。为了提高高温强度，可加人氮，钼和钨，也可同时加入能够形成稳定的晶间析出物的元素，以达到阻止位错运动。
对于较低温度下的耐蚀性来说，保护性钝化氧化膜不一定会被局部基体的贫铬所削弱。应当根据钢种的加工工艺和在使用时的暴露情况，决定是需要加入钛还是需要加入铌以达到稳定化，并与所采用的低碳钢种相对应。通过加人钼，钨和氮可提高耐点蚀性。
在确定耐氧化或耐腐蚀钢的成分后，就能够选择加入镍或不常使用的镍—锰—氮复合加入的方法以提高奥氏体组织的成形性。决定奥氏体稳定剂加入量的因素包括。热加工性考虑，控制凝固路径的需要。
大多数含铌钢基体的成分在15-25%Cr，9-35%Ni范围内。可用镍当量和铬当量来预测凝固组织。
在奥氏体不锈钢的次要元素中，硫在高温时可能会偏析到晶界并且危害耐点蚀性。在现代生产中，几乎把硫都控制在了很低的水平（<0.005%）磷在一定析出次序中具有特殊的作用，但是在耐晶间腐蚀性要求高的合金中，通常将其控制得很低。
双相不锈钢
为了形成等量的奥氏体和铁素体显微组织，同时避免在加工过程中形成中间相，就需要平衡双相不锈钢的成分。他们在提高强度方面优于合金含量较低的奥氏体不锈钢，也具有耐点蚀性和耐应力腐蚀断裂性良好的优点，其镍含量低于等效奥氏体不锈钢。
按照目前的成分，双相钢中的铌含量范围似乎是有限制的。依据敏化作用，腐蚀特性主要是要求避免金属间化合物相，而不是受碳化铬影响。向含有26%Cr-6%Ni-3%Mo-3%Cu-0.2%N的双相钢中加入0.5%Nb，可使固溶处理过程中的铁素体含量很高。然而，当以显著的硬化特性曲线时效时，该铁素体迅速分解成了奥氏体和口相。含有0.2-0.5%N-0.2%（Nb-0.2%V的实验双相不锈钢发现了大量的氮化物的形成，而且铁素体和奥氏体间晶内含铌（Z—相）析出物粒子的尺寸发生了显著变化。金属间化合物相的析出的敏感性限制了传统双相钢的高温应用，因此，几乎没有为了改善蠕变强度而设法优化两相晶内析出物。
标准和特殊用途含铌奥氏体不锈钢
几乎所有的标准都包含有名义成分为18%Cr-10%Ni-17%（Cr-11%Ni-2-3%Mo且含有达到稳定化作用的铌。该‘347’和‘316Nb’钢所允许的最高碳含量一般为0.08%，且含有10倍碳含量的铌，即最高铌含量为1.0%-2.0%。许多其它标准耐蚀钢和耐热钢均以铌为稳定化变量。然而，似乎没有一个主要标准列出了含铌双相钢。
合金化元素铌
在凝固和加热过程中需要考虑的问题
1300℃时铌在纯铁奥氏体中的溶解度为4.1%。铁和铌形成的主要相为Laves相和Fe2Nb，所给出的NbC-奥氏体共晶体和Fe2Nb-δ铁共晶体的熔点分别为1315℃和1370℃。在1250℃时，16%Cr，16%Ni钢中Laves相的溶解度约为2.4%，并且加入1%的硅可将该溶解度降代到1.6%左右。铌含量为1.88%的钢在1200℃固溶处理后仅仅有痕量Laves相而铌含量为2.5%-7%的15%Cr 16-59%Ni合金，Laves相的溶解度随镍含量的提高而增加。
固溶铌
铌的原子质量数较高，达93，其原子半径比铁、镍和铬大。316L基体中钒、钛、铌的实测原子体积尺寸系数分别为10、37和62%。使用X射线衍射技术确定丁低于1.74%的铌加入量对低碳、低氮、15%Cr、15%Ni钢基体堆垛层错能的影响。发现加入1%铌可使堆垛层错能由46mJ/m2。降低到23 mJ/m2。这可归结于所加入元素具有较低的电子/原子比，从而使得平均电子空穴数增加。
可以检测到，当含量为0.1%和更低的铌以痕量杂质的形式出现时，它对蠕变强度有显著影响。后者说明了铌是如何通过由氧化钛焊条药皮向焊缝金属的迁移而使其含量增加的。
含铌抗蠕变钢
使用要求
核反应堆在一定温度范围内的应用已经促进了更多特殊合金的发展。然而，在化石燃料动力生产蒸汽回路中，温度/压力最高位置处的条件也是一个主要促进因素。奥氏体材料在传统工厂中金属温度低于575℃时的强度优势，已经被改进研制后的铁素体和铁素体-马氏体不锈钢所冲淡。侵蚀性炉边腐蚀条件也可限制均质变形钢的使用。改善热效率的需求是持续不断的，这就要求采用这样一种材料，即它所承受的蒸汽压力和温度比目前超临界设备所承受的30MPa/600℃都要高。这些条件决定了钢材具有以下性能。当温度从650℃提高到700℃以上时，它应当具有105h/100MPa的断裂应力。不同的氧化条件便产生了基本成分大致为13%-18%Cr和20%-23%Cr的系列钢种。
在蠕变变形方面（温度大于500℃的无辐照状态奥氏体钢），目标是找出蠕变强度与足够的蠕变断裂塑性以及室温塑性之间的平衡点。此外，还必须考虑低周疲劳特性，蠕变应变和裂纹扩展率，耐氧化性和耐热腐蚀性.以及原始焊接性能和补焊性能。能够利用应力、温度、显微组织和变形过程之间的关系来预测变形和断裂路径以及蠕变应变速率。可以概括出在给定应力和温度范围内抗蠕变钢的合金化原则。
基体固溶和晶内析出绐位错蠕变造成了阻力。晶界析出物的存在以及析出物接近于晶界的本质，决定了晶界扩散和滑移可对蠕变速率产生影响。钢材使用过程中显微组织的变化不一定会使局部基体削弱，也不一定会产生有害偏析或造成空位以及使晶界裂纹扩展。
奥氏体晶粒度的控制
晶粒结构除了提供析出和再结晶位置外，还影响钢材其它方面的性能。较大的晶粒尺寸有利于减小在晶界扩散过程中产生的蠕变应变。它们也可以减小晶界析出面积。然而，它们对断裂塑性和室温韧性是有害的。在高温蒸汽回路中，蒸汽边钢材的氧化性也是一个主要影，向因素，因为它决定着通过管壁的热通量。细的晶粒尺寸有助于迅速形成富铬保护膜并减少氧化物的剥落。高断裂强度要求钢中均匀分布的，稳定而且细的晶内析出物的数量最多。然而对于许多MX析出体系来说，采用高的成品固溶处理温度会导致二次再结晶和粗大的晶粒尺寸。有效的折衷方法是采用一种可调整的两级固溶处理制度，并把这种制度加入到钢管或钢板的加工工艺中。已经发现，这种方法对于347钢来说特别有效。T这种处理制度。在高温下进行成品前固溶退火，随后控制冷轧，然后进行正常的固溶退火。与正常的处理方法相比，采用这种‘HFG’方法处理的钢材在起强比成品作用的NbC的体积分数方面几乎没有差别，尽管晶粒尺寸由ASTM4-5级左右变化到了8级。这种钢材的蠕变断裂强度高于用传统方法处理的钢而且其蠕变—疲劳性能也有显著改善。以燃气轮机为基础的能量循环效率得以提高，特别是小的设备，这使得在650℃左右运行的排气-进气热交换系统的作业很充分。347钢的塑性，高温强度和耐氧化性使其有利于制造薄壁初级表面蓄热器。为了得到细的晶粒尺寸和最佳蠕变强度建议利用HFG处理方法的原理对箔材进行退火处理。然而，虽然细的晶粒尺寸有助于迅速形成保护层，但是，铬向厚度很薄的箔材表面的连续迁移却能够导致基体的显著贫铬。
抗蠕变钢的发展小结
347钢规定了最低碳含量，它是控制钢高温强度的第一个钢种。对347HFG钢进行双级热处理时，要求采用高固溶处理温度以形成NbC析出物，使该钢种在抗蒸汽气氛氧化性的断裂强度方面具有优势。可以观察到复合加入铌-钛对强度的有益影响，它具有降低未溶解NbC数量和减小形成σ相倾向的好处。降低铌和碳的含量同时提高氮含量可使该钢种具有碳化物-氮化物复合析出顺序，也可向其中加入铜。
铸造奥氏体不锈钢中的铌
除了标准铌稳定奥氏体钢的铸造等效钢种和耐蚀性而设计的钢种外，还有一系列重要的石化工业用耐热铸造钢种。这些钢种在蒸汽重整炉管道中850-1050℃的温度下和热解和热器管道中1100℃的温度下工作。低碳20%Cr，32%Ni，1.2%Nb钢就是这样一种合金，它具有良好的塑性和足够的焊接性能。
承受辐照的合金
含铌奥氏体不锈钢已经广泛地应用于核系统构件中。在系统中心内构件方面考虑的主要事项是，使由空洞形成和膨胀所导致的构件脆性断裂，蠕变强度损失和物理畸变最小。辐射诱导缺陷改变了偏析方式，析出顺序和动力学。嬗变可产生杂质原子，例如可在内部产生氢。
铁—铬—镍基体与合金元素在奥氏体和双相不锈钢中的作用
奥氏体不锈钢
铬是不锈钢中的主要加入元素。奥氏体不锈钢中铬的有效下限值约为13%。铬的上限值很少超过25%，而且可以通过在热辐射过程中形成口Fe-Cr中间相的倾向，或通过高铬钢在特殊侵蚀环境中的特性来调整该上限值。硅和铝可改善耐氧化性且都是稳定铁素体的元素。可加入稀土提高氧化物的稳定性。为了提高高温强度，可加人氮，钼和钨，也可同时加入能够形成稳定的晶间析出物的元素，以达到阻止位错运动。
对于较低温度下的耐蚀性来说，保护性钝化氧化膜不一定会被局部基体的贫铬所削弱。应当根据钢种的加工工艺和在使用时的暴露情况，决定是需要加入钛还是需要加入铌以达到稳定化，并与所采用的低碳钢种相对应。通过加人钼，钨和氮可提高耐点蚀性。
在确定耐氧化或耐腐蚀钢的成分后，就能够选择加入镍或不常使用的镍—锰—氮复合加入的方法以提高奥氏体组织的成形性。决定奥氏体稳定剂加入量的因素包括。热加工性考虑，控制凝固路径的需要。
大多数含铌钢基体的成分在15-25%Cr，9-35%Ni范围内。可用镍当量和铬当量来预测凝固组织。
在奥氏体不锈钢的次要元素中，硫在高温时可能会偏析到晶界并且危害耐点蚀性。在现代生产中，几乎把硫都控制在了很低的水平（<0.005%）磷在一定析出次序中具有特殊的作用，但是在耐晶间腐蚀性要求高的合金中，通常将其控制得很低。
双相不锈钢
为了形成等量的奥氏体和铁素体显微组织，同时避免在加工过程中形成中间相，就需要平衡双相不锈钢的成分。他们在提高强度方面优于合金含量较低的奥氏体不锈钢，也具有耐点蚀性和耐应力腐蚀断裂性良好的优点，其镍含量低于等效奥氏体不锈钢。
按照目前的成分，双相钢中的铌含量范围似乎是有限制的。依据敏化作用，腐蚀特性主要是要求避免金属间化合物相，而不是受碳化铬影响。向含有26%Cr-6%Ni-3%Mo-3%Cu-0.2%N的双相钢中加入0.5%Nb，可使固溶处理过程中的铁素体含量很高。然而，当以显著的硬化特性曲线时效时，该铁素体迅速分解成了奥氏体和口相。含有0.2-0.5%N-0.2%（Nb-0.2%V的实验双相不锈钢发现了大量的氮化物的形成，而且铁素体和奥氏体间晶内含铌（Z—相）析出物粒子的尺寸发生了显著变化。金属间化合物相的析出的敏感性限制了传统双相钢的高温应用，因此，几乎没有为了改善蠕变强度而设法优化两相晶内析出物。
标准和特殊用途含铌奥氏体不锈钢
几乎所有的标准都包含有名义成分为18%Cr-10%Ni-17%（Cr-11%Ni-2-3%Mo且含有达到稳定化作用的铌。该‘347’和‘316Nb’钢所允许的最高碳含量一般为0.08%，且含有10倍碳含量的铌，即最高铌含量为1.0%-2.0%。许多其它标准耐蚀钢和耐热钢均以铌为稳定化变量。然而，似乎没有一个主要标准列出了含铌双相钢。
合金化元素铌
在凝固和加热过程中需要考虑的问题
1300℃时铌在纯铁奥氏体中的溶解度为4.1%。铁和铌形成的主要相为Laves相和Fe2Nb，所给出的NbC-奥氏体共晶体和Fe2Nb-δ铁共晶体的熔点分别为1315℃和1370℃。在1250℃时，16%Cr，16%Ni钢中Laves相的溶解度约为2.4%，并且加入1%的硅可将该溶解度降代到1.6%左右。铌含量为1.88%的钢在1200℃固溶处理后仅仅有痕量Laves相而铌含量为2.5%-7%的15%Cr 16-59%Ni合金，Laves相的溶解度随镍含量的提高而增加。
固溶铌
铌的原子质量数较高，达93，其原子半径比铁、镍和铬大。316L基体中钒、钛、铌的实测原子体积尺寸系数分别为10、37和62%。使用X射线衍射技术确定丁低于1.74%的铌加入量对低碳、低氮、15%Cr、15%Ni钢基体堆垛层错能的影响。发现加入1%铌可使堆垛层错能由46mJ/m2。降低到23 mJ/m2。这可归结于所加入元素具有较低的电子/原子比，从而使得平均电子空穴数增加。
可以检测到，当含量为0.1%和更低的铌以痕量杂质的形式出现时，它对蠕变强度有显著影响。后者说明了铌是如何通过由氧化钛焊条药皮向焊缝金属的迁移而使其含量增加的。
含铌抗蠕变钢
使用要求
核反应堆在一定温度范围内的应用已经促进了更多特殊合金的发展。然而，在化石燃料动力生产蒸汽回路中，温度/压力最高位置处的条件也是一个主要促进因素。奥氏体材料在传统工厂中金属温度低于575℃时的强度优势，已经被改进研制后的铁素体和铁素体-马氏体不锈钢所冲淡。侵蚀性炉边腐蚀条件也可限制均质变形钢的使用。改善热效率的需求是持续不断的，这就要求采用这样一种材料，即它所承受的蒸汽压力和温度比目前超临界设备所承受的30MPa/600℃都要高。这些条件决定了钢材具有以下性能。当温度从650℃提高到700℃以上时，它应当具有105h/100MPa的断裂应力。不同的氧化条件便产生了基本成分大致为13%-18%Cr和20%-23%Cr的系列钢种。
在蠕变变形方面（温度大于500℃的无辐照状态奥氏体钢），目标是找出蠕变强度与足够的蠕变断裂塑性以及室温塑性之间的平衡点。此外，还必须考虑低周疲劳特性，蠕变应变和裂纹扩展率，耐氧化性和耐热腐蚀性.以及原始焊接性能和补焊性能。能够利用应力、温度、显微组织和变形过程之间的关系来预测变形和断裂路径以及蠕变应变速率。可以概括出在给定应力和温度范围内抗蠕变钢的合金化原则。
基体固溶和晶内析出绐位错蠕变造成了阻力。晶界析出物的存在以及析出物接近于晶界的本质，决定了晶界扩散和滑移可对蠕变速率产生影响。钢材使用过程中显微组织的变化不一定会使局部基体削弱，也不一定会产生有害偏析或造成空位以及使晶界裂纹扩展。
奥氏体晶粒度的控制
晶粒结构除了提供析出和再结晶位置外，还影响钢材其它方面的性能。较大的晶粒尺寸有利于减小在晶界扩散过程中产生的蠕变应变。它们也可以减小晶界析出面积。然而，它们对断裂塑性和室温韧性是有害的。在高温蒸汽回路中，蒸汽边钢材的氧化性也是一个主要影，向因素，因为它决定着通过管壁的热通量。细的晶粒尺寸有助于迅速形成富铬保护膜并减少氧化物的剥落。高断裂强度要求钢中均匀分布的，稳定而且细的晶内析出物的数量最多。然而对于许多MX析出体系来说，采用高的成品固溶处理温度会导致二次再结晶和粗大的晶粒尺寸。有效的折衷方法是采用一种可调整的两级固溶处理制度，并把这种制度加入到钢管或钢板的加工工艺中。已经发现，这种方法对于347钢来说特别有效。T这种处理制度。在高温下进行成品前固溶退火，随后控制冷轧，然后进行正常的固溶退火。与正常的处理方法相比，采用这种‘HFG’方法处理的钢材在起强比成品作用的NbC的体积分数方面几乎没有差别，尽管晶粒尺寸由ASTM4-5级左右变化到了8级。这种钢材的蠕变断裂强度高于用传统方法处理的钢而且其蠕变—疲劳性能也有显著改善。以燃气轮机为基础的能量循环效率得以提高，特别是小的设备，这使得在650℃左右运行的排气-进气热交换系统的作业很充分。347钢的塑性，高温强度和耐氧化性使其有利于制造薄壁初级表面蓄热器。为了得到细的晶粒尺寸和最佳蠕变强度建议利用HFG处理方法的原理对箔材进行退火处理。然而，虽然细的晶粒尺寸有助于迅速形成保护层，但是，铬向厚度很薄的箔材表面的连续迁移却能够导致基体的显著贫铬。
抗蠕变钢的发展小结
347钢规定了最低碳含量，它是控制钢高温强度的第一个钢种。对347HFG钢进行双级热处理时，要求采用高固溶处理温度以形成NbC析出物，使该钢种在抗蒸汽气氛氧化性的断裂强度方面具有优势。可以观察到复合加入铌-钛对强度的有益影响，它具有降低未溶解NbC数量和减小形成σ相倾向的好处。降低铌和碳的含量同时提高氮含量可使该钢种具有碳化物-氮化物复合析出顺序，也可向其中加入铜。
铸造奥氏体不锈钢中的铌
除了标准铌稳定奥氏体钢的铸造等效钢种和耐蚀性而设计的钢种外，还有一系列重要的石化工业用耐热铸造钢种。这些钢种在蒸汽重整炉管道中850-1050℃的温度下和热解和热器管道中1100℃的温度下工作。低碳20%Cr，32%Ni，1.2%Nb钢就是这样一种合金，它具有良好的塑性和足够的焊接性能。
承受辐照的合金
含铌奥氏体不锈钢已经广泛地应用于核系统构件中。在系统中心内构件方面考虑的主要事项是，使由空洞形成和膨胀所导致的构件脆性断裂，蠕变强度损失和物理畸变最小。辐射诱导缺陷改变了偏析方式，析出顺序和动力学。嬗变可产生杂质原子，例如可在内部产生氢。
