TP347HFG不锈钢中碳化铌的液析分析报告

   浙江宏盛特钢有限公司通过计算TP347HFG不锈钢铸锭冷却凝固过程中Nb和C的溶度积分析了NbC的析出过程,并对杯状试样的组织进行了观察。结果表明，奥氏体的形核长大在先，只有当固液界面处有足够的Nb和C富集时才能析出NbC。消除树枝晶并细化铸锭心部的奥氏体晶粒，是细化液析NbC的有效方法。

   TP347HFG（18Cr-10Ni-Nb）是一种新型的铬镍铌碳奥氏体耐热钢，具有较高的高温持久强度和良好的抗氧化性能，主要用于制造大型锅炉的过热器和再热器，是650℃以上火电机组的首选材料之一。该钢在18Cr-10Ni钢的基础上添加了约0.8%的铌，改变了钢中M23C6和MX型碳化物相的成分，使铬尽可能多地保留在奥氏体基体中，维持基体的固溶强化效果和抗氧化性能曰同时还进一步提高了M23C6相的稳定性，抑制了M23C6相的长大和粗化，从而延长了TP347HFG不锈钢的持久寿命。此外，铌含量的增加也使MX相的数量增加，使得析出强化效果进一步加强，有利于提高钢的高温持久强度。

    TP347HFG不锈钢的大型铸锭冷凝结晶过程中，由于冷却速度较慢，容易在枝晶间形成一次碳化物（称为液析碳化物），它是偏析引起的伪共晶碳化物。这种碳化物很难消除，热加工时其被破碎成不规则碎块，沿压延方向呈链状或条状分布，其破坏性与点状不变形夹杂物和氧化物夹杂相当。浙江宏盛特钢有限公司计算了TP347HFG不锈钢铸锭凝固过程中铌和碳的溶度积，分析了NbC的析出特性，结合观察杯状试样的组织，提出了控制NbC尺寸和分布的措施，对TP347HFG不锈钢的生产具有一定的指导作用。

   NbC在TP347HFG不锈钢液中的溶解和析出是可逆的，钢液中碳和铌之间存在动态平衡。表示了铌和碳在钢液中的平衡溶度积。可见，在铸锭冷却凝固过程中，随着温度的降低，钢液中NbC的平衡溶度积逐步减小。在铸锭冷却凝固过程中，随着温度的降低，钢液中铌和碳的平衡溶度积会降低曰同时由于分凝作用的影响，固-液界面附近钢液中铌和碳浓度会升高，因此实际溶度积增大，当实际溶度积大于该处的平衡溶度积时，便具备析出NbC的条件。当温度降低到固-液两相区的温度时，钢液中的碳和合金元素发生偏析，此时钢液中碳和铌的含量用式表示，可见随着温度的降低，实际溶度积将逐渐增加，但平衡溶度积逐渐减小，当实际溶度积大于平衡溶度积时，便会析出NbC。

   由式可见，计算实际溶度积时需要知道液相线温度和固相线温度。合金元素的种类和含量对固相线温度和液相线温度都有重要的影响。合金元素对固相线和液相线温度的影响系数，即合金元素每提高1%，相线温度的改变量见表。由表可以计算出液相线和固相线的温度，得出TP347HFG不锈钢的液相线温度和固相线温度。在计算过程中，如果元素含量仅有上限要求时，其下限值按上限值的50%计算，例如锰的上限含量为2%，此时锰的下限含量按1%计算。钢液中的溶度积在凝固过程中，随着温度降低，铌和碳在固-液界面前面富集，实际溶度积上升，平衡溶度积却随温度的下降而降低。根据式计算出Nb和C的平衡溶度积和实际溶度积，如图所示。由图可以看出，钢液的成分对NbC的初始析出温度有较大的影响，钢液中开始析出NbC的最高温度为1626℃，此时仅有65%的钢液凝固了，最低温度为1598℃，此时99%的钢液都凝固了。由图还可以看出，在液相线温度下限1703℃时，钢液中铌和碳的实际溶度积依然小于平衡溶度积，此时铌和碳完全溶解，NbC不能稳定存在于钢液中，没有析出NbC，但奥氏体已经开始形核长大了，所以TP347HFG不锈钢液中的NbC很难成为奥氏体形核长大的核心。同时可以看出，即使在液相线温度，也只有钢液中的铌和碳富集到一定程度时，才有NbC析出。

   退火是消除液析碳化物的常用方法之一，这需要使NbC溶解在奥氏体中。铌和碳在奥氏体中的溶解度较小，可以用下式表示，。在固相线温度上限1596℃时，铌和碳在奥氏体中的溶度积达到最大值0.0180，由表可计算得到TP347HFG不锈钢中铌和碳的实际浓度积最小值为0.0288，可见平衡溶度积小于实际浓度积，这表明NbC不可能完全溶解在奥氏体中，所以不宜完全依靠退火来细化钢中的NbC。

为了探索细化NbC的方法，本文分析了杯状试样的组织。杯状试样上部有约15mm深的缩孔。观察表明，杯状试样的晶粒全部是等轴晶，没有出现柱状晶，在中心部位的晶界上可以观察到液析的NbC，且离底部约1/3高度附近的NbC较多。尽管杯状试样的尺寸较小，冷却速度很快，液析NbC比较细小，但NbC位于晶界上。这表明奥氏体晶粒形核长大在先，NbC析出在后，是在固液界面处中富集NbC和C之后析出的，这与图的结果是一致的。

   在实际生产中，铸锭都比较大，冷却速度较慢，由表到里形成的组织依次是细小的等轴晶、柱状晶和较粗大的等轴晶。由凝固理论可知，柱状晶区域和心部粗大等轴晶区域的偏析非常严重，容易形成大块的NbC，因此消除柱状晶、细化心部的等轴晶是细化液析NbC的有效方法。液相线温度以上，铌和碳可以完全溶解于TP347HFG不锈钢液中，凝固过程中，奥氏体晶粒的形核长大在先，NbC的析出在后。杯状试样中，液析NbC位于奥氏体晶界上，消除柱状晶、细化心部的等轴晶是细化液析NbC的有效方法。