適用于汽車排氣歧管的含鈮鐵素體不銹鋼的組織與力學性能

趙天天 滕鋁丹 金洋帆 張家成 楊弋濤

(上海大學材料科學與工程學院, 上海 200444)

汽車排氣系統用鋼需具有良好的高溫強度、抗熱疲勞性能及抗氧化性能[1-5]。為了提高鋼的高溫強度，通常都是提高其含碳量。但較高含量的碳易與鉻結合形成碳化物，減少固溶的鉻，導致材料的抗氧化和耐腐蝕性能降低[6]。另外，碳、氮間隙原子會嚴重影響鐵素體不銹鋼的室溫加工性能，因此必須采用超低碳、氮的合金化模式[7]。鈮是強碳化物形成元素，在鋼中一般以碳氮化物的形式存在，彌散析出的NbC、NbN可細化晶粒，并有效提高材料的抗晶間腐蝕性能。已經證明，不銹鋼中固溶的鈮元素可提高其高溫強度和抗熱疲勞性能，這都是排氣歧管必須具備的重要特性[8]。

本文研究了含鈮量不同的鐵素體不銹鋼經過固溶處理和穩定化處理后的顯微組織和力學性能，揭示了鈮元素影響鐵素體不銹鋼組織和性能的機制，為企業的生產應用提供參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試樣的制備和熱處理

采用真空電弧爐熔煉試驗用鐵素體不銹鋼，用移動式直讀光譜儀(PMI- MASTER PRO)測定其化學成分，結果列于表1。5個鈕扣鑄錠直徑均為36 mm，質量約80 g，且鈮含量依次遞增。參照文獻[9]制定熱處理工藝，即1 100 ℃保溫2 h爐冷退火，以減少成分偏析，隨后1 050 ℃保溫1 h水冷固溶處理，最后900 ℃保溫1.5 h空冷穩定化處理。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical compositions of the tested steels (mass fraction) %

1.2 微觀組織和力學性能

將熱處理后的鈕扣錠通過電火花線切割加工成10 mm×10 mm×3 mm的試樣，打磨、拋光后采用成分為2.5 g FeCl3+25 ml HCl+50 ml H2O的氯化鐵鹽酸溶液腐蝕，采用尼康LV150正立式光學金相顯微鏡(OM)和HITACHI SU- 1500鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其組織。對試樣進行電解萃取碳化物，萃取液為16 g檸檬酸+125 ml鹽酸+375 ml水配制而成的檸檬酸溶液，干燥后對萃取前、后的試樣及萃取的碳化物稱重，并對碳化物進行X射線衍射(XRD)分析，掃描角度為10°～90°，掃描速度為4 (°)/min。采用布洛維光學硬度計(HBRVU- 187.5)測定布氏硬度，試驗力125 kg，壓頭直徑5 mm。在鈕扣錠最大橫截面處沿直徑方向切取厚度為1 mm的試樣，采用MTSCMT5205電子萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸速率為1.5 mm/min，試樣尺寸如圖1所示。采用掃描電鏡檢驗拉伸試樣的斷口形貌。

圖1 拉伸試樣簡圖Fig.1 Sketch drawing of the tensile test specimen

2 試驗結果與分析

2.1 熱力學相圖計算

圖2為利用Thermo- Calc熱力學軟件計算得到的5種不同含鈮量鋼的平衡相圖，可見試驗鋼從高溫到低溫均為單一的鐵素體組織，可能存在的析出相分別為(Ti,Nb)C、Laves相(不含鈮鋼Laves相為Fe2Ti，而含鈮鋼為Fe2Nb)、σ相及α- Cr相，在440 ℃時，σ相完全轉變為α- Cr相。鋼的含碳量極低，即使不含鈮，所含的鈦元素已足夠固定碳元素，因而能減少M23C6碳化物的形成，使更多的鉻元素固溶于基體，有利于改善鋼的抗氧化性能和耐腐蝕性能。根據相圖得到的各相的析出溫度如表2所示。可見鈮元素可顯著提高Laves相的析出溫度，即由490 ℃提高至930 ℃。添加鈮對MC型碳化物的析出也有一定的促進作用，使MC型碳化物的析出溫度從1 220 ℃升高至1 360 ℃。

2.2 微觀組織

經固溶和穩定化處理后鋼的顯微組織如圖3所示，與熱力學計算結果相符，均為單相鐵素體基體和彌散分布的顆粒狀和塊狀析出相。由于原子在鐵素體內擴散較快，其晶粒粗化溫度較低，通常在600 ℃以上晶粒就開始長大。而組織中析出的

圖2 不含鈮(a)和含0.1%(b)、0.3%(c)、0.5%(d)及0.7%(e)Nb的鐵素體不銹鋼的熱力平衡相圖Fig.2 Thermodynamic equilibrium phase diagrams of the ferritic stainless steels without (a) and with 0.1% (b), 0.3% (c), 0.5% (d) and 0.7% (e) Nb

表2 不同含鈮量鋼中幾種相的析出溫度Table 2 Precipitation temperatures of several phases in the steels containing different amounts of niobium ℃

細小碳化物等第二相可阻礙晶粒長大，提高晶粒粗化溫度。相比于1號鋼，2號鋼由于含0.1%Nb，易形成MC型碳化物釘扎晶界和促進異質形核，使鐵素體晶粒得以細化。含0.3%Nb的鋼，顆粒狀析出相數量急劇增多且彌散分布。含0.5%及0.7%Nb的鋼，晶界的析出相逐漸粗化并呈鏈狀和網狀，且5號鋼晶界的析出相更為密集。

試驗鋼中塊狀和顆粒狀析出相的形貌如圖4所示，圖4中標記區域的能譜點掃描分析結果列于表3。由圖4(a,b)可以看出，3號和4號鋼晶內有許多彌散分布的顆粒狀相，其尺寸均為微米級，且含0.5%Nb鋼的顆粒狀相更加細小。標記A的黑色塊狀組織為Ti(C,N)，Ti(C,N)粒子有釘扎作用，在運動的晶界與第二相粒子接觸過程中，第二相粒子會對晶界產生反向作用力，阻礙晶界運動，從而阻止晶粒長大。標記B處彌散分布的顆粒狀組織是一種富鉻相，僅含鐵和鉻，且鉻的原子分數達19.78%，彌散分布，尺寸大多小于5 μm，能產生析出強化和彌散強化效果。含0.5%Nb鋼中有兩種形態的含鈮碳化物，一種分布在晶界呈網狀(圖4(d)中標記C)，另一種呈不規則塊狀(圖4(d)中標記D)。侯雨陽等[10]研究發現:含0.56%Nb鑄態SUS430鐵素體不銹鋼中，晶界的顆粒狀析出物主要成分為Fe、Cr、C、Nb和Ti，EDS分析表明為(Ti,Nb)xCy，其形態和成分與本文含0.5%Nb的鋼中晶界析出的碳化物相近。

2.3 碳化物分析

萃取碳化物粉末的XRD圖譜如圖5所示。由圖5(a)可知，鈮會促進碳化物的析出，隨著鈮含量的增加，鋼中碳化物含量增加，其質量分數由1號鋼的0.503 4%增加到4號鋼的0.961 7%。含0.7%鈮鋼的碳化物含量有所下降。不含鈮鋼，由于其含碳量極低，且鈦是強碳化物形成元素，與碳的結合力大于鉻元素，所以不會形成鉻的碳化物，僅形成TiC；2號和3號鋼含有TiC和Nb6C5兩種碳化物，含0.3%Nb鋼中TiC的峰明顯低于含0.1%Nb鋼， 其原因是含鈮量增加，形成NbC的驅動力增大。含0.5%和0.7%鈮的鋼中TiC的峰顯著降低，且析出了Fe2Nb，鋼中的鈮和鈦已足夠固定碳，多余的鈮則與鐵結合形成金屬間化合物Fe2Nb，這與熱力學計算相圖一致，鈮元素能促進Laves相的析出。

圖3 不含鈮(a)和含0.1%(b)、0.3%(c)、0.5%(d)及0.7%(e)Nb的鐵素體不銹鋼固溶和穩定化處理后的顯微組織Fig.3 Microstructures of the ferritic stainless steel without (a) and with 0.1% (b), 0.3% (c), 0.5% (d) and 0.7% (e) Nb after solution and stabilization treatments

圖4 含0.3%(a,c)和0.5%(b,d)Nb鋼的SEM形貌Fig.4 SEM micrographs of the steels containing 0.3% (a,c) and 0.5% (b,d) Nb

表3 圖4(c,d)中標記區域的化學成分(原子分數)Table 3 Chemical compositions of the marked regions in Fig.4 (c,d) (atom fraction) %

2.4 力學性能

表4為不同鈮含量試驗鋼的力學性能。由表4可知，含鈮量低于0.5%的鋼的硬度和抗拉強度均隨著鈮含量的增加而提高，但硬度的提高幅度不大；而含0.7%Nb的鋼，其抗拉強度有所下降，斷后伸長率增加。鈮為強碳化物形成元素，在鋼中形成的細小碳化物能細化鐵素體晶粒，從而提高鋼的強度和塑性。根據Ashby- Orowan的第二相強化模型，鋼的強化程度與析出相的體積分數的平方根成正比，而與析出相的平均半徑成反比。從圖4可知，添加的鈮越多，鋼中顆粒狀的析出相更多、 更細小，抗拉強度更高。但在含0.7%Nb的鋼中，鈮的碳化物在晶界偏聚呈網狀(見圖3)，會降低鋼的力學性能。拉伸試驗結果表明：含鈮量為0.5%的4號鋼的力學性能優于含鈮量為0.3%的3號鋼，說明起主要作用的是析出強化，盡管形成的網狀碳化物會降低鋼的強度，但二者的綜合作用使4號鋼的抗拉強度最高。另外由圖3可見，含鈮量為0.7%的5號鋼中網狀碳化物明顯較多，但其尺寸小于4號鋼的，導致其強度降低而塑性提高。

圖5 鋼中碳化物含量(a)及其XRD圖譜(b)Fig.5 Contents (a) and XRD patterns (b) of carbides in the steels

表4 不同鈮含量鋼的力學性能Table 4 Mechanical properties of the steels containing different amounts of niobium

圖6為拉伸試樣斷口的掃描電鏡形貌。圖6表明：不同含鈮量鋼拉伸試樣斷口均由大量韌窩組成，屬于韌性斷裂，這與斷后伸長率結果一致。韌窩是材料在發生塑性變形時產生的顯微孔形核、長大、聚集后相互連接，導致材料斷裂后在斷口表面留下的痕跡，其數量和平均直徑與材料中的碳化物和第二相粒子的數量和大小有關。不含鈮鋼組織中僅有TiC，導致韌窩尺寸變化較大；隨著鈮含量的增加，鋼中存在更多細小的富鉻相和碳化物，導致韌窩平均直徑減小，鋼的塑韌性提高。從表3可知，含0.5%Nb鋼的抗拉強度和硬度最高，且斷后伸長率也足夠高，能滿足排氣歧管的使用要求，因此可以確定，鋼的最佳含鈮量為0.5%。

圖6 不含鈮(a)和含0.1%(b)、0.3% (c)、0.5% (d)及0.7%(e)Nb鋼的拉伸試樣斷口形貌Fig.6 Patterns of fractures of tensile specimen for the steels without (a) and with 0.1% (b),0.3% (c),0.5% (d) and 0.7%(e) Nb

3 結論

(1)不同鈮含量的不銹鋼均為單一的鐵素體組織，鈮元素使Laves相的析出溫度從490 ℃提高至930 ℃，使MC型碳化物的析出溫度從1 220 ℃提高至1 360 ℃。

(2)鈮能細化鐵素體晶粒，且隨著鈮含量的增加，富鉻相的數量增加、平均尺寸減小；含鈮量高于0.5%的鋼，鈮鈦碳化物在晶界偏聚長大呈網狀。

(3)含鈮量低于0.5%的鋼，隨著鈮含量的增加，碳化物類型由TiC轉變為Nb6C5和TiC；含鈮量高于0.5%的鋼中有Fe2Nb相析出。

(4)含鈮量為0.5%的鋼的析出強化效果最顯著，抗拉強度達405.4 MPa，斷后伸長率為18.2%，因此鋼的最佳含鈮量為0.5%。