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1、氮含量对氮含量对 Cr18Mn18NCr18Mn18N 无磁不锈钢无磁不锈钢力学性能、磁导率和组织的影响力学性能、磁导率和组织的影响易邦旺 胡 燕 郎文运 杨志勇(钢铁研究总院)摘摘 要要 探讨了 Cr18Mn18N 无磁不锈钢中氮含量对钢的力学性能、磁导 性能以及组织状态的影响。研究结果表明，Cr18Mn18N 钢中氮含量大于 0.31 %时，组织才为全奥氏体状态，该钢氮含量的最佳区间为 0.4 %0.6 %。 关键词关键词 氮 奥氏体 磁导率EFFECT OF CONTENT ON MECHANICAL PROPERTIES，MAGNETICOF Cr18Mn18N CONDUCTIVIT
2、Y AND MICROSTRUCTUREYI Bangwang HU Yan LANG Wenyun YANG Zhiyong(Central Iron and Steel Research Institute)ABSTRACT The effect of N content on mechanical properties and magnetic conductivity and microstructure of Cr18Mn18N non-magnetic stainless steel is studied.The result shows that the microstructu
3、re is fully austenite when the N content is more than 0.31 %,the best content range of N is 0.4 %0.6%. KEY WORDS nitrogen(N),austenite,magnetic conductivity氮是强烈的奥氏体形成元素，可以节约奥氏体不锈钢中的镍；氮又 是间隙固溶的元素，可有效地提高奥氏体不锈钢的强度，还可提高不锈 钢的耐蚀性1，2。经济型 Cr-Mn-N 或 Cr-Mn-Ni-N 不锈钢被广泛地使用 在化工、建筑、轻工等行业中。通常奥氏体不锈钢中的氮含量控制在 0.4 %以下
4、，然而，Cr18Mn18N 不锈钢中氮含量的下限值为 0.4 %，在大 气下冶炼钢中氮含量的极限值为 0.67 %。1Cr18Mn18N 高氮不锈钢作为 第二代大型火力发电机护环材料，它是常压状态冶炼所有含氮不锈钢中 氮含量最高的一个钢种。本文旨在研究氮含量对 Cr18Mn18N 无磁不锈钢 的力学性能、磁导率及组织状态的影响。1 1 实验材料及方法实验材料及方法本实验采用 30 kW 非真空感应炉及真空感应炉加电渣重熔冶炼。钢中主要元素碳、铬、锰含量不变，加入不同含量的氮，其成分见表 1。 钢锭经锻造后，试样经 1 050 40 min 固溶处理。对试样进行力学 性能试验，采用磁天平法测定其
5、磁导率，通过金相观察测定奥氏体量的 变化。表 1 试验钢的主要成分 % Table 1 Chemical composition of experimental steels % 炉号CMnCrN冶炼工艺040.09 19.20 18.32 0.150非真空050.09 19.20 18.26 0.260非真空060.10 18.90 18.32 0.528非真空070.08 19.30 18.32 0.630非真空080.08 19.30 18.59 0.607非真空090.07 19.40 18.59 0.670非真空100.08 19.30 17.44 0.640非真空110.08 19
6、.20 18.59 0.650非真空170.10 17.54 17.10 0.310真空+电渣 180.12 18.92 18.29 0.390真空+电渣 190.17 19.90 19.34 0.400真空+电渣 2 2 实验结果与讨论实验结果与讨论2.12.1 氮含量对力学性能的影响从图 1 可以看到随氮含量增加，b、0.2提高。当钢中氮含量达 到 0.31 %0.60 %时，b、0.2约稳定在一个定值上；当氮含量超过 0.6 %时，氮作为强间隙固溶元素，使强度又有所增高。不同氮含量的 钢，其伸长率与断面收缩率没有呈现明显规律性的变化，伸长率数据在 45.4 %51.9 %波动，断面收缩率
7、数据在 69 %74 %波动，都有较高的 值。冲击韧性都很高，均在 294 J/cm2以上。表 2 显示出 Cr18Mn18N 钢 具有良好塑性和韧性。 综上所述，Cr18Mn18N 无磁不锈钢的强度随着钢中氮含量的增加而 提高，钢的塑性和韧性都有一个较高值，从强度考虑，该钢的氮含量控 制在 0.4 %0.6 %为宜。前苏联卡拉廖夫指出，当钢中铬、锰进行适当 配比后，在常压下冶炼，钢中氮含量可以达到 0.65 %3。钢铁研究总 院的实验结果表明，图 1 氮含量对钢的强度的影响 Fig.1 The effect of N content on the strength表 2 氮含量对塑、韧性的影
8、响 Table 2 The effect of N content on plasticity and ductivity 炉号0405171819060807101109 N/%0.150 0.260 0.310 0.390 0.400 0.528 0.607 0.630 0.640 0.650 0.670 5/% 48.20 45.90 53.25 53.00 54.80 51.90 47.90 51.90 49.40 45.40 46.30 /%74.876.172.475.270.879.674.277.772.369.074.3aK/ J*cm-2316362323346305294
9、 (未断)294 (未断)294 (未断)294 (未断)294 (未断)294 (未断)注：表中数据为平均值，试样经 1 050 40 min 固溶处理。Cr18Mn18N 钢在常压下冶炼，钢中氮含量的极限值可以达到 0.67 %。德国正在研究通过加压电渣精炼，可把 Cr18Mn18N 钢中的氮含量增 加到 1.0 %，该钢只需经过 5 %温变形，就获得强度高于 1 000 MPa 的 第三代护环材料4。 3.23.2 氮含量对磁导率的影响氮作为奥氏体强烈形成元素，钢中氮含量的多少对奥氏体量的影响 较大。如何控制钢中氮含量的合理区间，确保 Cr18Mn18N 钢的抗磁性能， 对高抗磁性护环材
10、料是一个关键。从图 2 可以看出，钢中氮含量低于 0.31 %时，在低磁场强度(3 9794 475 A/m)条件下就显示出高的磁 导率；当钢中氮含量大于 0.31 %时，磁场强度高达 98.68103 A/m，Cr18Mn18N 钢仍显示出高的抗磁性能。随着钢中氮含量的增高，磁 场强度增大，钢的磁导率变化不大，可稳定在 1.001 4 以下的低水平。实验表明，Cr18Mn18N 钢中的氮含量不低于图 2 氮含量对 Cr18Mn18N 钢磁导率的影响 Fig.2 The effect of N content on magnetoconductivity0.31 %，才能保持高的抗磁性。当钢中
11、氮含量大于 0.31 %时随钢中氮含 量的增高，磁导率稳定在同一低水平上，再提高氮含量对抗磁性意义不 大。钢中氮含量区间从抗磁性能来说，在 0.4 %0.6 %之间较为合理。 3.33.3 不同氮含量的钢的组织状态氮元素为强烈的奥氏体形成元素。钢中氮含量不但对磁导率有影响， 对钢的组织状态也有影响。采用金相法，同时用计算机(LECO QA0-6)测 定钢中铁素体含量。实验选择了氮含量为 0.15 %、0.20 %、0.31 %、0.39 %和 0.53 %五种不同的钢进行组织观察，测定 10 个视场的铁素 体量，求平均值。结果表明，当钢中氮含量为 0.15 %时，钢中铁素体量 平均为 19.3
12、7 %；氮含量为 0.26 %时，钢中铁素体量平均为 17.47 %； 氮含量大于 0.31 %时，钢中未发现铁素体，即全部奥氏体化。其金相组 织见图 3。因此，Cr18Mn18N 无磁不锈钢若要全奥氏体图 3 氮含量对 Cr18Mn18N 钢显微组织的影响 Fig.3 The effect of N content on the microstructure(a)0.15 %N，1 050 30 min 固溶；(b)0.26 %N，1 050 30 min 固溶；(c)0.53 %N，1 050 30 min 固溶化，钢中氮含量的下限值必须0.31 %。4 4 结论结论(1) Cr18Mn1
13、8N 无磁不锈钢的强度，随钢中氮含量增加而提高；钢 中氮含量对伸长率、断面收缩率以及冲击韧性影响不大，可保持良好的 塑性和韧性。(2) 钢中的氮含量低于 0.31 %时，钢的磁导率随钢中氮含量的降低 急剧增大；当钢中氮含量达 0.31 %以上时，随钢中氮含量的增高磁导率 无变化，稳定在一个低水平上(r1.001 4)，呈现出良好的抗磁性能。(3) 钢中氮含量低于 0.31 %时，钢的组织状态为奥氏体加铁素体状 态，只有钢中氮含量大于 0.31 %时，钢的组织状态才为全奥氏体组织。(4) 从力学性能、磁导率、组织状态三者综合考虑，Cr18Mn18N 钢 作为第二代护环材料，钢中的最佳氮含量区间为 0.4 %0.6 %。参参 考考 文文 献献1 长谷川正义.钢便览.东京日刊工业新闻社，1960，54. 2 陆世英，张廷凯，杨长强，等.不锈钢.北京：原子能出版社， 1995.202203.3 M ， ，1961.7. 4 Stein G.Manufacture and Mechanical Properties of High-NiCrogen- Alloyed Steels.I & SM,1989,16(11):5157.联系人：易邦旺，高级工程师（教授级），北京（100081）钢铁研究总 院合金钢部
