第11期 房菲等：含氨不锈钢凝固模式及显微组织研究 ·1491· 固模式，随着N质量分数由0.018%增加至 2实验结果与讨论 0.088%,实验钢的凝固模式由FA模式转变为AF 模式.刘国平m指出成分为8.5%~10.0%Mn, 2.1N对18Mnl8Cr实验钢凝固模式的影响 15.0%~16.0%Cr,Ni≤1.2%和Cu≤2.0%实验 从表1可以看出，四种实验钢的Cr、Mn和C含 钢，当N质量分数0.12%增加至0.16%时，凝固模 量基本相同，而N元素的质量分数从0.07%增加至 式由FA模式转变为AF模式.对于本文研究的 0.72%.从图1所示铁素体测量结果可知，随着N 18Mnl8CrN奥氏体不锈钢而言，关于N含量对其凝 含量的增加，钢中铁素体相体积分数由45.9%降至 固模式和显微组织形貌的研究较少.不过普遍认 0,说明钢的显微组织由y+δ双相组织转变为单 为，奥氏体不锈钢的凝固模式对热塑性有直接的影 相奥氏体组织 响2-)，而18Mnl8CrN钢作为近年来广泛使用的 56 新型结构材料之一4-，其热塑性是控制其成型的 48 关键因素，因此对于18Mnl8CrN钢的凝固模式的研 40 究具有重要意义 32 本文拟通过改变18Mn18Cr实验钢中N含量， 采用金相显微镜、X射线衍射仪和电子探针显微分 24 析仪研究N含量对18Mnl8Cr钢凝固模式、显微组 16 为 织形貌和元素分布的影响，特别是奥氏体相形貌和 元素分布，并采用Thermo-Calc软件计算实验钢的 Fe-N伪二元相图，进一步分析N含量对实验钢凝 0 0.1 0.2 0.30.4050.6 0.7 氮质量分数% 固模式及相变经历的影响. 图1铁素体相含量与N含量的关系 1 实验材料及方法 Fig.I Relationship between nitrogen content and ferrite content 实验钢为常压熔炼l8Mnl8CrN不锈钢，成分如 从图2可以看出，随着N含量的增加，钢的显 表1所示.冶炼所用原材料为氮化铬铁、电解M、 微组织存在很大区别.当N的质量分数为0.07% 金属C及工业纯铁，其中氮化铬铁的化学成分（质 时，1·试样为两相组织（图2(a)),即白色针状或板 量分数)为Cr62.2%,N4.57%,C0.096%,Si 状的第二相以一定角度斜插于黑色基体晶粒内部 0.87%,P0.028%,余量为Fe,其他原料的纯度均在 根据图3(a)所示l8Mnl8C0.07N钢的X射线衍射 99%以上. 物相分析结果可以看出，该钢包含奥氏体和铁素体 铸态试样经机械预磨和抛光后，进行化学侵蚀. 两相，没有马氏体相，因此铁磁性体仅为铁素体相 侵蚀剂为HNO3、HCI和甘油混合液，其体积比为 白色针状、板条状组织为奥氏体魏氏组织(Aw),是 1:2:2.侵蚀后通过光学显微镜观察明场和微分干 由初晶铁素体相在冷却过程中通过固态相变产生的 涉状态下的显微组织.采用X射线衍射仪分析物相 一种奥氏体组织.由此可确定1"实验钢的凝固模式 种类.利用电子探针显微分析仪观察各组织中的元 为F模式，即以L→δ进行凝固.然后，部分铁素体 素分布.采用铁素体测量仪测量钢中铁素体相含 相转变为Aw. 量，并通过Thermo-Cale软件分析计算18%Mn一 图2(b)为N质量分数0.24%的2"试样的显微 18%Cr0.020%C(质量分数)合金系的Fe-N伪二 组织.显微组织由衬度不同的两相组成，颜色较深 元相图. 的相以块状或骨架状等不规则形貌围绕于颜色较浅 的基体相周围.此时钢中铁素体相的体积分数为 表1实验钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of tested steels 22.8%(图1)，可以判断出较深相为铁素体相.当 钢中N的质量分数增加至0.34%时(3"试样， 编号 目标成分 Cr Mn N C Fe 1 图2（©）)，钢中铁素体相的体积分数进一步降至 18Mn-18Cr0.07N17.717.50.070.013余量 6.33%,并且不规则形貌的铁素体相转变为树枝晶 2# 18Mn-18Cr0.24N17.618.20.240.020余量 3 状或蠕虫状，基体为奥氏体相.由此可见，2和3"实 18Mn-18Cr0.34N 17.617.90.340.021余量 验钢的显微组织仍由奥氏体和铁素体两相组成，但 18Mn-18C0.72N19.018.80.720.020余量 其形貌明显不同于1实验钢，可推测其凝固模式不第 11 期 房 菲等: 含氮不锈钢凝固模式及显微组织研究 固模 式，随 着 N 质 量 分 数 由 0. 018% 增 加 至 0. 088% ，实验钢的凝固模式由 FA 模式转变为 AF 模式． 刘国平［11］指出成分为 8. 5% ～ 10. 0% Mn， 15. 0% ～ 16. 0% Cr，Ni≤1. 2% 和 Cu≤2. 0% 实验 钢，当 N 质量分数 0. 12% 增加至 0. 16% 时，凝固模 式由 FA 模式转变为 AF 模式． 对于本文研究 的 18Mn18CrN 奥氏体不锈钢而言，关于 N 含量对其凝 固模式和显微组织形貌的研究较少． 不过普遍认 为，奥氏体不锈钢的凝固模式对热塑性有直接的影 响［12--13］，而 18Mn18CrN 钢作为近年来广泛使用的 新型结构材料之一［14--15］，其热塑性是控制其成型的 关键因素，因此对于 18Mn18CrN 钢的凝固模式的研 究具有重要意义． 本文拟通过改变 18Mn18Cr 实验钢中 N 含量， 采用金相显微镜、X 射线衍射仪和电子探针显微分 析仪研究 N 含量对 18Mn18Cr 钢凝固模式、显微组 织形貌和元素分布的影响，特别是奥氏体相形貌和 元素分布，并采用 Thermo-Calc 软件计算实验钢的 Fe--N 伪二元相图，进一步分析 N 含量对实验钢凝 固模式及相变经历的影响． 1 实验材料及方法 实验钢为常压熔炼 18Mn18CrN 不锈钢，成分如 表 1 所示． 冶炼所用原材料为氮化铬铁、电解 Mn、 金属 Cr 及工业纯铁，其中氮化铬铁的化学成分( 质 量分 数) 为 Cr 62. 2% ，N 4. 57% ，C 0. 096% ，Si 0. 87% ，P 0. 028% ，余量为 Fe，其他原料的纯度均在 99% 以上． 铸态试样经机械预磨和抛光后，进行化学侵蚀． 侵蚀剂为 HNO3、HCl 和甘油混合液，其体积比为 1∶ 2∶ 2． 侵蚀后通过光学显微镜观察明场和微分干 涉状态下的显微组织． 采用 X 射线衍射仪分析物相 种类． 利用电子探针显微分析仪观察各组织中的元 素分布． 采用铁素体测量仪测量钢中铁素体相含 量，并 通 过 Thermo-Calc 软 件 分 析 计 算 18% Mn-- 18% Cr--0. 020% C ( 质量分数) 合金系的 Fe--N 伪二 元相图． 表 1 实验钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of tested steels % 编号 目标成分 Cr Mn N C Fe 1# 18Mn--18Cr--0. 07N 17. 7 17. 5 0. 07 0. 013 余量 2# 18Mn--18Cr--0. 24N 17. 6 18. 2 0. 24 0. 020 余量 3# 18Mn--18Cr--0. 34N 17. 6 17. 9 0. 34 0. 021 余量 4# 18Mn--18Cr--0. 72N 19. 0 18. 8 0. 72 0. 020 余量 2 实验结果与讨论 2. 1 N 对 18Mn18Cr 实验钢凝固模式的影响 从表 1 可以看出，四种实验钢的 Cr、Mn 和 C 含 量基本相同，而 N 元素的质量分数从 0. 07% 增加至 0. 72% ． 从图 1 所示铁素体测量结果可知，随着 N 含量的增加，钢中铁素体相体积分数由 45. 9% 降至 0，说明钢的显微组织由 γ + δ 双相组织转变为单 相奥氏体组织． 图 1 铁素体相含量与 N 含量的关系 Fig． 1 Ｒelationship between nitrogen content and ferrite content 从图 2 可以看出，随着 N 含量的增加，钢的显 微组织存在很大区别． 当 N 的质量分数为 0. 07% 时，1# 试样为两相组织( 图 2( a) ) ，即白色针状或板 状的第二相以一定角度斜插于黑色基体晶粒内部． 根据图 3( a) 所示 18Mn18Cr0. 07N 钢的 X 射线衍射 物相分析结果可以看出，该钢包含奥氏体和铁素体 两相，没有马氏体相，因此铁磁性体仅为铁素体相． 白色针状、板条状组织为奥氏体魏氏组织( Aw) ，是 由初晶铁素体相在冷却过程中通过固态相变产生的 一种奥氏体组织． 由此可确定 1# 实验钢的凝固模式 为 F 模式，即以 L→δ 进行凝固． 然后，部分铁素体 相转变为 Aw． 图 2( b) 为 N 质量分数 0. 24% 的 2# 试样的显微 组织． 显微组织由衬度不同的两相组成，颜色较深 的相以块状或骨架状等不规则形貌围绕于颜色较浅 的基体相周围． 此时钢中铁素体相的体积分数为 22. 8% ( 图 1) ，可以判断出较深相为铁素体相． 当 钢中 N 的质量分数增加至 0. 34% 时 ( 3# 试 样， 图 2( c) ) ，钢中铁素体相的体积分数进一步降至 6. 33% ，并且不规则形貌的铁素体相转变为树枝晶 状或蠕虫状，基体为奥氏体相． 由此可见，2# 和 3# 实 验钢的显微组织仍由奥氏体和铁素体两相组成，但 其形貌明显不同于 1# 实验钢，可推测其凝固模式不 · 1941 ·