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超纯铁素体不锈钢(UP-FSS)的各种性能较普通铁素体不锈钢有了明显改善,但超纯化使铁素体不锈钢的凝固组织柱状晶异常长大,从而影响其成形性与抗皱性；另外,由于超纯化,焊接热循环过程中热影响区晶粒极易长大,影响焊接性能。本实验试图通过Ti、Nb微合金化技术,改善超纯铁素体不锈钢的凝固组织和焊接性能,并探寻其机理。
本文首先采用Thermal-talc热力学计算软件,研究了Ti、Nb、C、N等微量合金元素及含量对超纯铁素体不锈钢平衡相图的影响。计算结果表明,向17wt.％CrUP-FSS中添加微合金化元素Ti、Nb后,分别出现了TiN、MX和Laves等析出相,其中TiN在液固两相区析出,MX和Laves相在固相析出。保持C、N含量不变时,增加Ti或Nb的含量,则氮化物和碳化物的析出温度升高。当Ti、Nb含量保持不变时,随着C含量的增加,TiN的析出温度逐渐降低；随着N含量的增加,TiN的析出温度先迅速升高,而后缓慢升高。添加Ti和Nb使液、固相线均下降,但总体来看,会增大结晶温度范围。C含量的变化对液相线无明显的影响。但当[C]＜150ppm时,随着C含量的增加,会较显著地降低固相线温度,一旦[C]超过150ppm,又会使固相线温度有所回升。液、固相线随N含量的升高基本无明显变化。
在此基础上,设计并制备了四种不同Ti、Nb微合金化的UP-FSS,用扫描仪和扫描电镜观察分析了晶粒及析出相形貌特征。发现向钢中添加Ti和(或)Nb均会减小晶粒尺寸(D)并提高等轴晶比率(P),同时晶粒伸长率(E)和球化率(ξ)也会有所改善。数据表明,复合添加0.06％Ti-0.12％Nb的钢比单独添加0.08％Ti或0.18％Nb及不添加Ti、Nb的钢有更小的晶粒尺寸和更大的等轴晶比率。扫描电镜观察表明,向钢中添加Ti、Nb后,在相应的钢中出现了。TiN、MC(富含Nb)和Laves等析出相,TiN大多分布在晶内,MC在晶内和境晶界均有析出。通过对实验观察和热力学计算结果的综合分析可合理推断:在液-固两相区析出TiN和结晶温度范围ΔT增大是Ti、Nb微合金化改善铸态晶粒尺寸和形貌的两个主要因素。
对四种实验钢进行了TIG焊接试验,并对焊缝组织进行了观察分析。发现四种钢的焊缝组织均为柱状晶,它们始于半熔化的母材晶粒,晶粒生长方向先沿着原晶粒方向,然后转变为温度梯度方向,即平行于焊缝中心。其中,添加0.06％Ti-0.12％Nb的钢和添加0.18％Nb的钢焊缝中柱状晶较细小,添加0.08％Ti的钢和不添加Ti、Nb的钢焊缝晶粒较粗大。表明Nb具有细化焊缝组织的作用,而Ti的作用则不明显。
利用Gleeble-1500热模拟试验机对焊接热影响区的组织变化进行了研究,发现峰值温度低于1100℃时,四种成分的钢晶粒长大均不严重。当峰值温度达到1300℃时,四种钢晶粒有不同程度的长大,其中不添加Ti、Nb的钢晶粒长大最严重,添加0.08％Ti和0.06％Ti-0.12％Nb的钢次之,添加0.18％Nb的钢晶粒长大程度最小。另外,焊接热循环对添加微合金元素的钢中第二相粒子也有显著的影响。随峰值温度Tm的增大,添加0.06％Ti-0.12％Nb的钢中粒子平均尺寸d增大,单位面积内的粒子数量N减小,而且热循环后残余的粒子中立方形的大粒子数量有所增加；而添加0.18％Nb的钢中粒子d和N值都减小；添加0.08％Ti的钢中粒子则基本无变化。上述结果表明Nb对焊接热影响区的晶粒长大有明显的抑制作用,而Ti的作用则相对较小,其作用机理与析出相的种类、大小、分布及热稳定性等有关。