耐蚀合金NS3102丝材中的夹杂物分析
摘 要：NS3102合金丝中的夹杂物主要产生于中频感应熔炼和浇注过程，其内生夹杂物主要为尖晶石氧化物MgO·Al2O3和棱状氮化物TiN，尺寸较小，约2um以下，这两类夹杂物都属于脆性夹杂物。对合金丝进行力学性能检测，应力-应变曲线表明合金具有良好的塑性和强度，其抗拉强度为1600MPa，应变在0.20处发生断裂。合金丝的横纵截面金相组织中未发现裂纹和碎裂成串的夹杂物，表明细小的少量夹杂物对材料的加工性能和力学性能影响很小。
关键词：NS3102 MgO·Al2O3 TiN 力学性能 夹杂物
NS3102是早期开发和应用的Ni-Cr耐蚀合金，因其具有耐蚀、耐热和抗硫化性能和良好的工艺性能，广泛应用于各工业部门。例如核燃料和石油化工、食品加工等工业部门。亦可应用于热处理设备和核燃料生产设备以及核动力工业。耐蚀合金NS3102通常采用中频感应熔炼。在目前的冶炼工艺技术条件下，非金属夹杂物是合金中不可避免的一种必然组分。通常把合金中氧化物、硫化物和一些高熔点的氮化物，以及硒化物、碲化物、磷化物，统称非金属夹杂物。文献资料表明[1，2，3]非金属夹杂物的数量和类型对合金的强度、塑性及断裂韧性等都有极大的影响。随着对合金质量要求的日趋严格，进一步降低合金熔液中夹杂物含量已经成为当前冶炼的'主要目的之一。本文采用光学金相显微镜、电子探针等手段分析了NS3102合金中存在的非金属夹杂物，分析了其夹杂物来源以及夹杂物的数量和类型对合金力学性能的影响。
一、实验方法与材料
NS3102合金丝经中频感应熔炼-锻造-轧制-拉拔工艺试制。熔炼和浇注过程是产生夹杂物的主要来源，新坩埚熔炼前用同种材料或纯镍进行洗炉，辅助小料(渣料和铝石灰)在使用前要进行烘烤。原材料选用：电解镍、JCr98.5-A、JMn96、微碳铬铁、混合稀土、硅钙块、海绵钛。大功率送电熔化金属料炉底出现钢水加入适当渣料，料熔80%时渣料全部加完。全熔后调好渣的流动性和钢液温度1600℃，然后转入精炼期。渣白或全熔换渣后取炉中分析料。继续脱氧，调整成分，白渣且流动性良好5min后加Mn。出钢前加混合稀土，海绵钛，硅钙。当化学成分合格，钢液脱氧情况良好，温度为1620℃时即可出钢。采用下注法浇注成铸锭，因为下注法浇注更有利于渣的上浮。铸锭经锻造成方坯，方坯经修磨处理后转入轧制工序轧制成盘条，盘条经拉丝退火等工艺制成Φ4.0mm成品。
二、实验结果
2.1 成分分析
取Φ4.0mm成品NS3102合金丝进行化学成分分析，分析结果如表1所示。合金的化学成分满足国标要求。
2.2 夹杂物分析
取Φ4.0mm成品NS3102合金丝分别进行横纵截面夹杂物分析，分析结果如图1、图2所示。在未经腐蚀的产品表面，横纵截面发现有大量分布不均匀的非金属夹杂物，夹杂物主要为黑色点状的夹杂物，特点是：尺寸小，数量多。腐蚀后横纵截面金相组织如图3、4所示。可以看出在晶界及晶内少量析出物，这些析出物可能是合金的强化相。
对夹杂物进行EPMA分析，EPMA分析图谱如图5所示。可知夹杂物主要为尖晶石氧化物MgO·Al2O3，棱状的TiN，夹杂物非常细小，均在2μm左右。
2.3 力学性能
成品试样的拉伸试验曲线如图6所示。合金的抗拉强度为1600MPa，应变在0.20处发生断裂。从拉伸实验曲线上可以看出，随着应变的增加，应力不断增大，说明合金在塑性变形的过程中不断地发生加工硬化，因此加应力必须不断提高，才能使变形继续进行。当应变达到某一值时，加工硬化达到一定程度，应力不再增加，此时，出现了平衡阶段，这时，硬化作用和软化作用大致平衡，彼此相抵，应力值增加缓慢，进入了稳定应变阶段，直至断裂，说明NS3102合金具有良好的塑性和强度。
三、结果讨论
钢中的夹杂物按夹杂物的成分可分为5类[4]：①简单氧化物，如A12O3，SiO2，FeO等;②复杂氧化物，包括尖晶石类和各种钙的铝酸盐;③硅酸盐及硅酸盐玻璃;④硫化物如MnS，CaS等;⑤氮化物如TiN，AIN等。NS3102合金丝中的夹杂物主要为尖晶石氧化物MgO·Al2O3，棱状氮化物TiN。这种类型的夹杂物一般属于内生夹杂物，内生夹杂物就是脱氧产物和钢水冷却和凝固过程中产生的沉淀析出夹杂物。相关文献均证实了这类夹杂物的形成过程，如：低碳铝镇静钢中的氧化铝夹杂和硅镇静钢中氧化硅夹杂，它们都产生于钢中溶解氧和加入的铝或硅脱氧剂之间的反应，是典型的脱氧生成的夹杂物[5，6，7];出钢、浇铸过程中由于与空气接触，发生二次氧化，在这类二次氧化过程中，脱氧元素如Al、Si和Ca等优先氧化，氧化产物发展成为非金属夹杂物。但这两类夹杂物都属于脆性夹杂物。这类夹杂物在热加工时不变形，沿加工方向容易破裂成串，因此要特别避免产生大尺寸或团聚状的夹杂。
由于NS3102合金丝中的此类夹杂物细小，均在2um以下，所以对合金的加工性能几乎没有影响，因为在合金丝的横纵截面金相组织中没有发现破裂成串的夹杂物，也没有发现细小裂纹。对合金丝进行力学性能检测结果表明，细小的夹杂物对材料的塑性和和力学性能几乎没有影响，NS3102合金具有良好的塑性和强度。
参考文献：
[1]李代锺.钢中的非金属夹杂物.北京：科学出版社，1983，331-339.
[2]孙茂才.金属力学性能.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.
[3]长谷川正义，竹下一彦.日本金属学会会报，1976，15(7)：46-52.
[4]宋维锡.金属学.北京：冶金工业出版社，1980.
[5]A.D.Wilson.Advances in the production and Use of Steel with Improved Internal Cleanliness，J.K.Mahaney，eds.In：Ameican Society for Testing and Materials(ASTM)，West Conshohocken， USA， 1999，73-88.
[6]J.P.Bettembourg et.al.International Conference on Production and Application of Clean Steels.In：The Iron and Steel Institute， London，Ralatnnfured，Hungary，1970， 59-67.
[7]E.Crethrn，I_Philipe，Intematinnal Conferrnce on Production and Application of Clean Steels.In：The Iron and Steel Institute，London，Balatonfured Hungary.1970，29-34.
【耐蚀合金NS3102丝材中的夹杂物分析】相关文章：
9.藕夹肉的做法