耐蝕合金NS3102絲材中的夾雜物分析
摘 要：NS3102合金絲中的夾雜物主要產(chǎn)生于中頻感應熔煉和澆注過程，其內(nèi)生夾雜物主要為尖晶石氧化物MgO·Al2O3和棱狀氮化物TiN，尺寸較小，約2um以下，這兩類夾雜物都屬于脆性夾雜物。對合金絲進行力學性能檢測，應力-應變曲線表明合金具有良好的塑性和強度，其抗拉強度為1600MPa，應變在0.20處發(fā)生斷裂。合金絲的橫縱截面金相組織中未發(fā)現(xiàn)裂紋和碎裂成串的夾雜物，表明細小的少量夾雜物對材料的加工性能和力學性能影響很小。
關(guān)鍵詞：NS3102 MgO·Al2O3 TiN 力學性能 夾雜物
NS3102是早期開發(fā)和應用的Ni-Cr耐蝕合金，因其具有耐蝕、耐熱和抗硫化性能和良好的工藝性能，廣泛應用于各工業(yè)部門。例如核燃料和石油化工、食品加工等工業(yè)部門。亦可應用于熱處理設(shè)備和核燃料生產(chǎn)設(shè)備以及核動力工業(yè)。耐蝕合金NS3102通常采用中頻感應熔煉。在目前的冶煉工藝技術(shù)條件下，非金屬夾雜物是合金中不可避免的一種必然組分。通常把合金中氧化物、硫化物和一些高熔點的氮化物，以及硒化物、碲化物、磷化物，統(tǒng)稱非金屬夾雜物。文獻資料表明[1，2，3]非金屬夾雜物的數(shù)量和類型對合金的強度、塑性及斷裂韌性等都有極大的影響。隨著對合金質(zhì)量要求的日趨嚴格，進一步降低合金熔液中夾雜物含量已經(jīng)成為當前冶煉的'主要目的之一。本文采用光學金相顯微鏡、電子探針等手段分析了NS3102合金中存在的非金屬夾雜物，分析了其夾雜物來源以及夾雜物的數(shù)量和類型對合金力學性能的影響。
一、實驗方法與材料
NS3102合金絲經(jīng)中頻感應熔煉-鍛造-軋制-拉拔工藝試制。熔煉和澆注過程是產(chǎn)生夾雜物的主要來源，新坩堝熔煉前用同種材料或純鎳進行洗爐，輔助小料(渣料和鋁石灰)在使用前要進行烘烤。原材料選用：電解鎳、JCr98.5-A、JMn96、微碳鉻鐵、混合稀土、硅鈣塊、海綿鈦。大功率送電熔化金屬料爐底出現(xiàn)鋼水加入適當渣料，料熔80%時渣料全部加完。全熔后調(diào)好渣的流動性和鋼液溫度1600℃，然后轉(zhuǎn)入精煉期。渣白或全熔換渣后取爐中分析料。繼續(xù)脫氧，調(diào)整成分，白渣且流動性良好5min后加Mn。出鋼前加混合稀土，海綿鈦，硅鈣。當化學成分合格，鋼液脫氧情況良好，溫度為1620℃時即可出鋼。采用下注法澆注成鑄錠，因為下注法澆注更有利于渣的上浮。鑄錠經(jīng)鍛造成方坯，方坯經(jīng)修磨處理后轉(zhuǎn)入軋制工序軋制成盤條，盤條經(jīng)拉絲退火等工藝制成Φ4.0mm成品。
二、實驗結(jié)果
2.1 成分分析
取Φ4.0mm成品NS3102合金絲進行化學成分分析，分析結(jié)果如表1所示。合金的化學成分滿足國標要求。
2.2 夾雜物分析
取Φ4.0mm成品NS3102合金絲分別進行橫縱截面夾雜物分析，分析結(jié)果如圖1、圖2所示。在未經(jīng)腐蝕的產(chǎn)品表面，橫縱截面發(fā)現(xiàn)有大量分布不均勻的非金屬夾雜物，夾雜物主要為黑色點狀的夾雜物，特點是：尺寸小，數(shù)量多。腐蝕后橫縱截面金相組織如圖3、4所示�？梢钥闯鲈诰Ы缂熬�(nèi)少量析出物，這些析出物可能是合金的強化相。
對夾雜物進行EPMA分析，EPMA分析圖譜如圖5所示。可知夾雜物主要為尖晶石氧化物MgO·Al2O3，棱狀的TiN，夾雜物非常細小，均在2μm左右。
2.3 力學性能
成品試樣的拉伸試驗曲線如圖6所示。合金的抗拉強度為1600MPa，應變在0.20處發(fā)生斷裂。從拉伸實驗曲線上可以看出，隨著應變的增加，應力不斷增大，說明合金在塑性變形的過程中不斷地發(fā)生加工硬化，因此加應力必須不斷提高，才能使變形繼續(xù)進行。當應變達到某一值時，加工硬化達到一定程度，應力不再增加，此時，出現(xiàn)了平衡階段，這時，硬化作用和軟化作用大致平衡，彼此相抵，應力值增加緩慢，進入了穩(wěn)定應變階段，直至斷裂，說明NS3102合金具有良好的塑性和強度。
三、結(jié)果討論
鋼中的夾雜物按夾雜物的成分可分為5類[4]：①簡單氧化物，如A12O3，SiO2，F(xiàn)eO等;②復雜氧化物，包括尖晶石類和各種鈣的鋁酸鹽;③硅酸鹽及硅酸鹽玻璃;④硫化物如MnS，CaS等;⑤氮化物如TiN，AIN等。NS3102合金絲中的夾雜物主要為尖晶石氧化物MgO·Al2O3，棱狀氮化物TiN。這種類型的夾雜物一般屬于內(nèi)生夾雜物，內(nèi)生夾雜物就是脫氧產(chǎn)物和鋼水冷卻和凝固過程中產(chǎn)生的沉淀析出夾雜物。相關(guān)文獻均證實了這類夾雜物的形成過程，如：低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼中的氧化鋁夾雜和硅鎮(zhèn)靜鋼中氧化硅夾雜，它們都產(chǎn)生于鋼中溶解氧和加入的鋁或硅脫氧劑之間的反應，是典型的脫氧生成的夾雜物[5，6，7];出鋼、澆鑄過程中由于與空氣接觸，發(fā)生二次氧化，在這類二次氧化過程中，脫氧元素如Al、Si和Ca等優(yōu)先氧化，氧化產(chǎn)物發(fā)展成為非金屬夾雜物。但這兩類夾雜物都屬于脆性夾雜物。這類夾雜物在熱加工時不變形，沿加工方向容易破裂成串，因此要特別避免產(chǎn)生大尺寸或團聚狀的夾雜。
由于NS3102合金絲中的此類夾雜物細小，均在2um以下，所以對合金的加工性能幾乎沒有影響，因為在合金絲的橫縱截面金相組織中沒有發(fā)現(xiàn)破裂成串的夾雜物，也沒有發(fā)現(xiàn)細小裂紋。對合金絲進行力學性能檢測結(jié)果表明，細小的夾雜物對材料的塑性和和力學性能幾乎沒有影響，NS3102合金具有良好的塑性和強度。
參考文獻：
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