至德钢业微纳结构的2507不锈钢管制造工艺流程

客服电话: 139 6707 6667
您所在的位置: 网站首页 > 2507不锈钢 > 至德钢业微纳结构的2507不锈钢管制造工艺流程
至德钢业微纳结构的2507不锈钢管制造工艺流程

至德钢业微纳结构的2507不锈钢管制造工艺流程

来源:双相不锈钢发布:2020-04-18 02:07:23类别:2507不锈钢

  2507不锈钢管是一种第三代双相不锈钢管,由奥氏体与铁素体组成,两相的体积分数比大约为1:1,它不仅具有铁素体高的强度和耐氯化物应力腐蚀性,还具有奥氏体优良的塑性和焊接性,化学成分如表所示,相比与上代双相不锈钢管,它有含量更多的合金元素,强度和耐腐蚀性有较大提高,应用广泛,是一种重要的结构材料。晶粒的纳米化能够有效提高材料的强度,但在室温下塑性差。微纳合金在纳米晶的基础上加入加工硬化能力好的微米晶,形成微纳结构结构合金,由于微米晶内位错的存储空间较大,使得加工硬化效应可以维持到更大的应变,从而具有良好的塑性,而纳米晶结构保证了材料的高强度,所以微纳结构2507不锈钢管具有优异的综合力学性能,这在工业应用上具有很重大的意义。


   铝热反应法是一种新颖的制备微纳结构合金的方法,相比于传统制备方法(如粉末冶金和大塑性变形法),不仅具有成本低、能耗低、工艺简单等优点,还由于能够获得较大尺寸的铸锭,具有工业化生产的潜力。根据至德钢业前期对于2507不锈钢管的研究发现,反应产物中只有铁素体相而无奥氏体相,这是由于铝热反应中铝元素没有和Fe2O3反应完全,残留的铝以合金元素的形式是固溶到了合金中,铝元素是铁素体的形成元素,而且奥氏体的形成元素镍和氮含量较少,所以获得产物只有铁素体相。通过添加过量的Fe2O3,反应物料的实际配比如表所示,使铝元素得以充分的反应,最终获得了符合设计要求的元素成分和相组织。

 

  虽然课题组前期制备出了微纳结构2507不锈钢管材料,但由于设备的限制,只能制备出尺寸较小的合金,不利于后期的加工处理。至德钢业前期使用小炉子制备微纳结构2507不锈钢管的基础上,采用大炉子进行放大化制备,制备出大尺寸(长度达到150mm,厚度10mm)的微纳结构2507不锈钢管块体材料,验证放大化制备的可行性,为尺寸更大化制备及工业应用做好基础研究。

 

一、实验过程


 1. 微纳结构2507不锈钢管坯料的制备


    用铝热反应法制备微纳结构金属,主要是利用Al和Fe2O3的氧化还原反应,将纯铁从其氧化物中置换出来,利用铝热反应放出的热量将其他合金元素熔入合金,铝热反应方程式为Fe2O3+ 2Al = 2Fe + Al2O3,根据化学反应式精确地计算出Fe2O3、Al、Cr、Mn、Si、Ni、N和C粉的占比使生成的2507双相不锈钢中各元素配比达到2507双相不锈钢的标准成分比,由于化学反应不完全,加入过量的Fe2O3使其充分反应,减少Al元素在生成物中的残留。

 

   根据至德钢业前期实验结果按表中的反应物料配比,利用精度值为1mg的电子天平精确称取各反应物料粉体,共称取1500克。将称好的反应物粉料放入QM-1SP4行星式球磨机中干磨16小时,使用Al2O3球,球料比为1:2,球磨的速度为150 r/min。磨好的粉料每次取300克放入自制的模具中,在60MPa的单轴压力下压制成块状,在实验过程中用到的铜底材和模具在使用之前用无水乙醇仔细清洗干净,以防在原料中引入不必要的杂质。然后将压制好的块状反应物料放于铜坩埚内,并在块状物料表面放上3克的薄片状引燃剂。最后将装有反应物料的铜坩埚水平放入反应容器底部,放下高压反应釜炉盖,将所有螺丝以对角线方式拧紧,保证反应釜的密闭性,向容器内冲入0.5MPa的氩气,静止5分钟后排出气体,由于氩气密度大于空气,则在排气过程中将也就空气排出。打开加热开关加热至180℃,打开气阀排出残余气体,并再次向容器内冲入5MPa的氩气,大概在260℃时引燃剂反生反应,大量放热引发容器内的铝热反应,反应进行时间大约几十秒,生成的产物在容器内的氩气环境中随炉冷却至温室。铝热反应法制备出的2507不锈钢管如图所示,铸锭的直径可以达到150mm,厚度达到10mm左右。


 2. 组织表征


   XRD分析:首先将实验所得样品利用线切割机切为10mm×10mm的正方体,然后用水砂纸由粗到细认真打磨,待样品表面光滑平整后再在抛光机上抛光至无划痕,在超声波内清洗30分钟并吹干,最后用D/Max-2400型X射线衍射仪测定材料的相组成,靶材为铜靶,加速电压是40KV,电流是150mA,产生的X射线的波长λ=0.15418nm。角的扫描范围是30~120 度,扫描速度是10度/分钟。


  金相组织(OM)的观察:如准备XRD样品步骤一样,制备出表面无划痕的样品,使用10 mol/L的电解腐蚀液,电压15 V,时间15秒腐蚀,然后在Mef3型光学金相显微镜上观察样品的金相组织。

 

  扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)的表征:使用和OM观察一样的样品,利用JSM-6700F扫描电镜和X射线能量色散谱(EDS)对材料进行微观形貌的观察。测试参数为:照相电压为8 KV,能谱测量时电压为15 KV,电流为8 μA。

 

  电子探针(EPMA)的表征:做完扫描的样品继续在超声波内将表面清洗干净,然后可以直接用来做电子探针的表征,测试是在EPMA-1600电子探针分析仪上进行。

 

  透射电镜(TEM)的分析:用线切割机将试样切成长1mm厚的薄片,将其粘在表面光滑平整的铁块上,将试样打磨光滑。先在400#的粗砂纸上将其中一面的划痕磨掉,然后在1500#、2000#的细砂纸上将该面磨至光亮即可,因为另外一面也需要同样进行打磨。在水砂纸上由粗到细手磨至0.05mm的厚度,然后将该试样连同铁块一同放入到丙酮溶液中浸泡2小时,即将试样与铁块分离开来。薄片试样在超声波内清洗后,用冲片器压成数个Φ3 mm的圆片,然后用双喷电解仪进行电解减薄,所用电解液为高氯酸酒精溶液,最后利用JEM2010透射电镜对2507不锈钢管的组织进行表征,透射的操作电压为200KV。


 二、实验结果


 1. 使用小炉子配比制备2507双相不锈钢


  图是使用小炉子配比反应生成的2507不锈钢管的XRD图谱,可以看出材料主要由两相组成,其中铁素体峰最强,根据XRD图谱可以测出它的半高宽为0.332,由谢乐公式可以计算出铁素体晶粒尺寸为31nm,由此可以计算出奥氏体晶粒尺寸为28nm,初步判断利用大炉子可以制备微纳结构2507双相不锈钢。图是使用小炉子配比反应生成的2507双相不锈钢的DES图谱,为了更加准确的测量元素的含量,减少其他因素的干扰,能谱测试的试样在砂纸打磨抛光后不进行腐蚀,能谱测试选择较大的区域进行测试。试样的主要合金元素铬、镍的质量分数分别为15.2%和6.75%,钼元素为5.56%,和合金的设计成分相比,铬元素的实际含量远离设计成分。钼元素稍高,其他合金元素含量满足设计要求。为了分析铬元素损耗的原因,对铝热发应生成的废渣和反应结束后炉壁上蒸发的粉体进行EDS分析。如图所示,可以看到炉壁上的粉体元素组成较多,主要由两部组成,一是引燃剂中的非金属元素,另外一部分是金属蒸发后在炉壁上结晶而成。由于铝热反应放出的巨大热量,使低熔点的非金属元素蒸发,有效的净化了钢的纯度。在生成的废渣中,主要元素为铬、铝和氧,主要是铝热反应生成的氧化产物。

 

  以上实验结果表明使用小炉子的反应物料配比不能得到设计成分的2507不锈钢管,主要的是铬元素严重偏离设计值。为了解决Cr元素的损耗,在反应物料中加入过量的铬元素,以抵消损耗的部分,根据损耗的比例及课题组前期实验探索,重新设计如表所示的反应物料配比,以上述相同的步骤,制备微纳结构2507双相不锈钢。

 


2. 使用改进配比制备2507双相不锈钢


  图是铬元素过量后制备铸态2507双相不锈钢的XRD图谱,铬元素过量50%和70%时,试样主要由奥氏体和铁素体两相组成。当铬元素过量100%时,试样完全由铁素相组成,不能得到双相组织,不符合设计要求,由谢乐公式计算出铬元素过量50%、70%和100%时铁素体晶粒尺寸分别为29、32和31nm,试样的晶粒尺寸都可以达到纳米级别。

 

  图是铬元素过量不同量后制备的铸态2507双相不锈钢的EDS结果,为了排除腐蚀剂对结果的影响,将试样表面打磨光滑后在抛光机下抛光至没有划痕,再用超声波清洗后在扫描电镜能谱仪上测试。可以看到随着铬元素的添加量增加,试样中的铬元素也随着增加,其他元素含量基本没有变化,锰元素由于设备的精度有限,未能测出,后续通过EPMA做进一步的分析。铬元素过量50%、70%和100%时试样中铬分别为20.87%、24.45%和27.81%,铬元素过量70%时,试样的全部由铁素体相组成,这主要是铬元素为铁素体形成元素,结合相图可知,在这种合金组成下只有铁素体相,这和XRD结果一致。结合XRD结果,铬元素过量70%时,可以获得既满足成分要求,又满足组织要求的2507双相不锈钢。

 

  图是铬元素过量70%制备铸态2507双相不锈钢的SEM组织,可以看出材料主要由亮的灰白色和灰色两相组成,还有少量的气孔。根据文献及课题组前期实验初步判断凸起相为奥氏体,凹下相为铁素体。根据测量可知铁素体体积分数为48%,奥氏体体积分数为52%。奥氏体和铁素体基本达到1:1分布,达到了设计要求。

 

  图是铸态2507双相不锈钢的TEM明场像、暗场像、选区电子衍射花样及纳米晶晶粒尺寸分布图,选区电子衍射花样为一系列连续的圆环,表明所选区域中有较多的纳米晶晶粒,除了完整的圆环,还有一些衍射斑点,说明所选区域内也有一部分大晶粒。对选取电子衍射环的标定发现衍射环由铁素体和奥氏体单独的衍射环镶嵌在一起,在明场像中亮的区域没有发生衍射,黑色的区域为发生衍射的区域,它们对应尺寸较大的亚微米晶或微米晶区域,明场像的灰色区域,对应暗场像白色的亮点区域,对应尺寸较小的纳米晶区域。通过软件统计10张暗场相中的纳米晶,求得它的平均体积分数为41%,平均晶粒尺寸为34 nm,这和XRD的结果基本一致,表明可以用XRD估算纳米晶粒尺寸。晶粒分布图如图所示。可以看到晶粒尺寸主要分布在20 ~45 nm区间,且从图可以看到纳米晶分布不均匀。


  相比于至德钢业前提用小炉子制备的微纳结构2507不锈钢管,在反应物料加大后,依然获得了微纳结构2507双相不锈钢,且晶粒尺寸和小炉子制备的几乎一致(小炉子制备的2507双相不锈钢晶粒尺寸为26 nm,体积分数为83%),纳米晶的体积分数有所降低,但依然是占到41%,通过后续处理可以调控纳米晶体积分数,因此充分证明了铝热反应法制备微纳结构合金有工业化放大生产的潜力。


至德微信.jpg

 


至德钢业微纳结构的2507不锈钢管制造工艺流程相关文章:

联系方式

公司地址:浙江省丽水市松阳县工业园区三期永宁路

仓库地址:浙江省温州市龙湾区海滨街道蓝田堆场

邮 编:323400 电子信箱:myzhide@126.com

联系人: 139 6707 6667 刘经理 (微信同号)

电 话:0577-28850550 传 真:0577-28909778

在线咨询
咨询手机
联系我们