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耐蝕合金NS3102絲材中的夾雜物分析
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摘 要：NS3102合金絲中的夾雜物主要產(chǎn)生于中頻感應(yīng)熔煉和澆注過(guò)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(lèi)夾雜物都屬于脆性?shī)A雜物。對(duì)合金絲進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)表明合金具有良好的塑性和強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度為1600MPa，應(yīng)變?cè)?.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(xì)小的少量夾雜物對(duì)材料的加工性能和力學(xué)性能影響很小。
關(guān)鍵詞：NS3102 MgO·Al2O3 TiN 力學(xué)性能 夾雜物
NS3102是早期開(kāi)發(fā)和應(yīng)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(yīng)用于各工業(yè)部門(mén)。例如核燃料和石油化工、食品加工等工業(yè)部門(mén)。亦可應(yīng)用于熱處理設(shè)備和核燃料生產(chǎn)設(shè)備以及核動(dòng)力工業(yè)。耐蝕合金NS3102通常采用中頻感應(yīng)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(diǎn)的氮化物，以及硒化物、碲化物、磷化物，統(tǒng)稱(chēng)非金屬夾雜物。文獻(xiàn)資料表明[1，2，3]非金屬夾雜物的數(shù)量和類(lèi)型對(duì)合金的強(qiáng)度、塑性及斷裂韌性等都有極大的影響。隨著對(duì)合金質(zhì)量要求的日趨嚴(yán)格，進(jìn)一步降低合金熔液中夾雜物含量已經(jīng)成為當(dāng)前冶煉的主要目的之一。本文采用光學(xué)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(lái)源以及夾雜物的數(shù)量和類(lèi)型對(duì)合金力學(xué)性能的影響。
一、實(shí)驗(yàn)方法與材料
NS3102合金絲經(jīng)中頻感應(yīng)熔煉-鍛造-軋制-拉拔工藝試制。熔煉和澆注過(guò)程是產(chǎn)生夾雜物的主要來(lái)源，新坩堝熔煉前用同種材料或純鎳進(jìn)行洗爐，輔助小料(渣料和鋁石灰)在使用前要進(jìn)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(dāng)渣料，料熔80%時(shí)渣料全部加完。全熔后調(diào)好渣的流動(dòng)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(dòng)性良好5min后加Mn。出鋼前加混合稀土，海綿鈦，硅鈣。當(dāng)化學(xué)成分合格，鋼液脫氧情況良好，溫度為1620℃時(shí)即可出鋼。采用下注法澆注成鑄錠，因?yàn)橄伦⒎沧⒏欣谠纳细�。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(pán)條，盤(pán)條經(jīng)拉絲退火等工藝制成Φ4.0mm成品。
二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1 成分分析
取Φ4.0mm成品NS3102合金絲進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。合金的化學(xué)成分滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求。
2.2 夾雜物分析
取Φ4.0mm成品NS3102合金絲分別進(jìn)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(diǎn)狀的夾雜物，特點(diǎn)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。可以看出在晶界及晶內(nèi)少量析出物，這些析出物可能是合金的強(qiáng)化相。
對(duì)夾雜物進(jìn)行EPMA分析，EPMA分析圖譜如圖5所示�？芍獖A雜物主要為尖晶石氧化物MgO·Al2O3，棱狀的TiN，夾雜物非常細(xì)小，均在2μm左右。
2.3 力學(xué)性能
成品試樣的拉伸試驗(yàn)曲線(xiàn)如圖6所示。合金的抗拉強(qiáng)度為1600MPa，應(yīng)變?cè)?.20處發(fā)生斷裂。從拉伸實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)上可以看出，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力不斷增大，說(shuō)明合金在塑性變形的過(guò)程中不斷地發(fā)生加工硬化，因此加應(yīng)力必須不斷提高，才能使變形繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到某一值時(shí)，加工硬化達(dá)到一定程度，應(yīng)力不再增加，此時(shí)，出現(xiàn)了平衡階段，這時(shí)，硬化作用和軟化作用大致平衡，彼此相抵，應(yīng)力值增加緩慢，進(jìn)入了穩(wěn)定應(yīng)變階段，直至斷裂，說(shuō)明NS3102合金具有良好的塑性和強(qiáng)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(lèi)[4]：①簡(jiǎn)單氧化物，如A12O3，SiO2，F(xiàn)eO等;②復(fù)雜氧化物，包括尖晶石類(lèi)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(lèi)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(guò)程中產(chǎn)生的沉淀析出夾雜物。相關(guān)文獻(xiàn)均證實(shí)了這類(lèi)夾雜物的形成過(guò)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(yīng)，是典型的脫氧生成的夾雜物[5，6，7];出鋼、澆鑄過(guò)程中由于與空氣接觸，發(fā)生二次氧化，在這類(lèi)二次氧化過(guò)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(lèi)夾雜物都屬于脆性?shī)A雜物。這類(lèi)夾雜物在熱加工時(shí)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(tuán)聚狀的夾雜。
由于NS3102合金絲中的此類(lèi)夾雜物細(xì)小，均在2um以下，所以對(duì)合金的加工性能幾乎沒(méi)有影響，因?yàn)樵诤辖鸾z的橫縱截面金相組織中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)破裂成串的夾雜物，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)細(xì)小裂紋。對(duì)合金絲進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果表明，細(xì)小的夾雜物對(duì)材料的塑性和和力學(xué)性能幾乎沒(méi)有影響，NS3102合金具有良好的塑性和強(qiáng)度。
參考文獻(xiàn)：
[1]李代鍾.鋼中的非金屬夾雜物.北京：科學(xué)出版社，1983，331-339.
[2]孫茂才.金屬力學(xué)性能.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.
[3]長(zhǎng)谷川正義，竹下一彥.日本金屬學(xué)會(huì)會(huì)報(bào)，1976，15(7)：46-52.
[4]宋維錫.金屬學(xué).北京：冶金工業(yè)出版社，1980.
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