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其他元素对Fe-Cr-Ni相图的影响(三)
2010/10/8 15:22:44 来源:51网络采购 点击:692次
内容摘要:其他元素对Fe-Cr-Ni相图的影响(三)
(9)钛的影响 钛与铌一样,也和碳有很强的亲合力,可以形成稳定的钛的碳化物。含钛钢被叫做“钛稳定钢”。钛与铌不同的是,钛和氧也有很强的亲合力,所以,在填充金属中,钛在电弧焊高温的熔滴过渡阶段就被大量地氧化。
Fe-Ti二元相图在图1-17中给出,该图表明,钛也是钢中α(δ)相形成元素,它将缩小γ相区,而扩大α(δ)相区。当钛含量为wTi13.2%时,形成共晶体。;钛含量约为近wTi30%时,会形成Laves相(Fe2Ti相)。


钛与碳能够形成具有高稳定性的钛的碳化物TiC,理论上钛与碳能够完全形成稳定性的钛的碳化物TiC所需要的比例是wTi=4wC。用钛稳定化只需铌的一半。由于钛也和氮有很强的亲合力,可以形成稳定的钛的氮化物,其所需要的比例是wTi=5wN,该式可用于实际。氮与碳同时加入时,,也可形成钛的碳氮化物Ti(CN)。加入镍后,可以形成Ni-Ti化合物Ni3Ti,它是重要的金属间化合物,单独存在时,即金属陶瓷。其中wTi为25%,在高镍钢和镍基合金中可形成沉淀强化。
钛对Fe-Ti二元相图的影响也与铌相似,钛具有缩小Fe-Cr-Ni三元相图中γ相区的作用。这种现象只有在钛含量过剩,即超过稳定化含量(wTi=5wN)时才能发生,即只有在有自由钛存在时这种作用才能发生。钛对γ相区的影响与Mo、Nb类似,在Fe-Cr-Ni三元相图中,含钛wTi1%可使γ相区的相界移到wCr=1.2%的位置;同样,钛也可使σ相的析出向铁角移动。当镍含量较高,而析出Ni-Ti化合物Ni3Ti时,钛对σ相的析出的影响消失。在含碳的Fe-Cr-Ni三元合金中,这种影响也只有钛含量超过稳定化含量(wTi=5wN)时才能发生。
在18-10型Cr-Ni钢中,由于钛的存在,可能形成低熔点相。熔化从1340℃开始, 主要是钛的碳氮化物,钛的碳氮化物还能够与γ相形成共晶。
(10)铜的影响 向不锈钢中加入wCu=3.5%的铜,可以通过沉淀作用而提高钢的硬度和抗拉强度,还可以改善耐腐蚀性。在1100℃的γ铁中可以溶解wCu=7.5%的铜;在835℃可以溶解wCu=3%的铜;在850℃的α铁中可以溶解wCu=2%的铜;降到850℃时可以溶解wCu=0.4%的铜;添加铜的合金钢的沉淀作用就是基于这个原因。镍铜可以完全互溶,而铜几乎不溶于铬。铜在Fe-Cr-Ni三元系中表现出比镍弱的奥氏体化作用。
(11)硅的影响 硅在不锈钢中作为合金元素,其wSi在4%~5%时就能够大大提高奥氏体Cr-Ni钢耐强硝酸的抗腐蚀性。在Cr及Cr-Ni耐热钢中,只要加入wSi=1%~3%的硅就可以提高抗氧化性。图1-18所示为Fe-Si二元相图。从图中可知,硅大大缩小γ相区,而扩大α(δ)相区。当有碳存在时,γ相区就向硅含量高的地方移动。当wSi在5%以上时,就根据硅含量的多少而形成一系列Fe-Si化合物(Fe3Si、Fe2Si、Fe5Si­3、FeSi、FeSi2等)。在Fe-Si二元相图中,当硅含量较低时,会出现金属间相。


此外,硅还对σ相区有重大影响,硅含量的提高,将使σ相区向铁方向移动,即扩大σ相区,也向低铬区扩大。在奥氏体Cr-Ni钢中,只有在温度超过620℃,经过10h退火后才会析出σ相。但当硅含量wSi>2.5%时,在550℃左右就会析出σ相。但朝相反的方向却不同,随着钢中硅含量的提高,必须在更高的温度下进行固溶处理,才能够使σ相完全溶解。
硅还能够提高碳的活性,因而硅可加速混合碳化物M23C6的析出。而如果同时钢中还含有氮,则当wSi>3%时,除形成M23C6之外,还将形成一种碳氮化合物π相,其分子式为M11(NC)2。由于M11(NC)2的析出,使得M23C6及σ相的析出减缓。所以,氮的增加会对焊硅的奥氏体Cr-Ni钢有积极的作用。
由于硅是铁素体形成元素,因而含硅的奥氏体Cr-Ni不锈钢的镍含量应有所提高。
硅对低熔点相的形成有促进作用,因而对焊接热裂纹的敏感性也有着重要影响。在Si-Fe、Si-Ni、Si-Cr等二元系合金中,所形成的共晶的熔点都比金属低得多。如Fe-Si共晶的熔点约为1200℃;Cr-Si之一个共晶的熔点约为1320℃。而Ni-Si共晶的熔点更低,含硅约为wSi=21%时,其共晶的熔点约为1150℃;而含硅约为wSi57%时,其共晶的熔点约为966℃,见图1-19。


(12)硫的影响 留在钢中一般是作为杂质而存在,会引起刚的脆性,即提高钢的焊缝金属热裂纹的敏感性。硫能引起焊缝金属热裂纹有两个原因:其一,硫容易形成低熔点的硫化物,在焊缝金属凝固时,以液态薄膜的形式,在新结晶的晶粒的晶间析出;其二、硫在焊缝金属中的溶解度很低,容易产生偏析。图1-20所示为Fe-S二元相图和Ni-   S二元相图。从图a中可以看到,在含硫约wS32%时,S-Fe低熔点共晶的熔点为988℃。这种共晶产物在γ铁中的溶解度很低,在988℃只有wS0.01%。这就意味着当超过wS0.01%这一极限之后,在冷却到熔点988℃之前一直处于液态。
 图1-20b所示为Ni-S二元相图。从该图中可以看到,在含硫约wS22%时,Ni-S低熔点共晶的熔点非常低,仅为637℃,而且硫几乎完全不溶于镍,所以,情况更加严重。据研究,这时硫在γ铁中的溶解度极低,在637℃只有wS0.006%。在含硫仅为wS0.0009%的极纯的Ni的晶界也能够发现硫化物。同样,铬也能够与硫形成几乎完全不溶于镍的硫化物,只是其熔点较高,在含硫wS32.5%时,共晶的熔点为1350℃。
在Fe-Cr-Ni三元合金中,随着Cr和Ni含量的提高,特别是镍含量的提高,不仅使硫在γ铁中的溶解度极低,而且硫的共晶的熔点也降低。
但是,如果在Fe-Cr-Ni三元合金中,一次结晶相为δ铁素体,硫对钢的焊缝金属热裂纹的敏感性比一次结晶相为γ相奥氏体要低。这也是由于δ铁素体对Si、S、P、Nb等的溶解度比γ相奥氏体要高所致。


锰可以使低熔点的Fe-S共晶体转变为高熔点的Mn-S共晶体。Mn-S共晶体的熔点为1620℃,而且锰对硫的亲合力比铁和镍大。因此,锰被人们成功地用来降低硫对钢的焊缝金属热裂纹敏感性的不良影响。由于锰也是缩小α(δ)相区、扩大γ相区的合金元素,曾被用来替代或部分替代镍来制造不锈钢。但是,锰不锈钢抗腐蚀性能比镍不锈钢差,且随着镍含量的提高,锰的有利作用下降。但对于焊接镍含量为wNi7%~25%的不锈钢来说,锰仍是一个非常好的合金元素。试验证明,当锰含量在wMn4%以上效果最好。
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