碳化物和氮化物对奥氏体不锈钢组织的影响

  碳在Fe-Cr-Ni系奥氏体不锈钢基体y相中的溶解度是比较大的，常用奥氏体中的碳含量最高可达0.15％。图9.48为18Cr-8Ni奥氏体不锈钢的Fe-C垂直截面图，图中显示出奥氏体中碳的固溶度曲线。在高温下（1000℃以上），碳全部固溶于奥氏体中，在迅速冷却至室温时，碳会以过饱和的形式固溶于奥氏体中。若再加热至溶解度曲线以下适当温度（时效），过饱和的碳将以碳化物形式沉淀出来，并对钢的性能产生重大影响。

  在奥氏体不锈钢中最常见的碳化物是M₂₃C₆型，其次有MC、M₆C型，M₇C₃型及其他型较为少见。

  M₂₃C₆型碳化物在不含钛、铌等强碳化物形成元素的奥氏体不锈钢中是最主要的碳化物，常记做Cr₂₃C₆。由于铁、钼等元素常部分置换其中的铬，也可记做（Cr，Fe）₂₃C₆或（Cr，Fe，Mo）₂₃C₆。随时效温度的提高或时间的延长，M₂₃C₆型碳化物中的铬含量逐渐增加。

  M₂₃C₆型碳化物的沉淀温度范围为400～950℃，其沉淀动力学取决于钢的化学成分和先后的加工经历。钢的组织中出现M₂₃C。型碳化物沉淀是有一定顺序的，以06Cr19Ni10钢为例（图9.49），随着时效时间的延长，最先出现M₂₃C₆型碳化物的部位是a/y相界，依次是晶界、非共格孪晶界及非金属夹杂物边界、共格孪晶界，最后是晶内。M₂₃C₆型碳化物的沉淀时间受奥氏体化温度和时效前冷变形的影响，提高奥氏体化温度，增大了晶格中空穴密度，使晶粒长大并加剧溶质偏析，从而促进M₂₃C₆型碳化物的沉淀。时效前的冷变形对M₂₃C₆型碳化物的沉淀也有加速作用。

 钢的成分对M₂₃C。型碳化物沉淀有明显的影响，影响最大的是碳。碳含量降低将推迟M₂₃C₆的沉淀，并使碳化物沉淀的温度区间向低温方向移动，图9.50为碳含量对Cr18Ni9钢M₂₃C₆型碳化物沉淀的影响。

 图9.51为304（06Cr19Ni10）不锈钢750℃敏化144h后光学显微镜下M₂₃C₆型碳化物的析出形貌。图9.52为304不锈钢中M₂₃C₆型碳化物析出的SEM形貌。

 由于钛和铌的加入，形成TiC和NbC，降低了奥氏体中碳含量，实际上起到降低钢中碳含量的作用，抑制了M₂₃C₆型碳化物的沉淀。奥氏体稳定化元素镍、锰、钴含量的提高会增加碳的活度和扩散能力，因而加速M₂₃C₆型碳化物的沉淀。铬的作用则相反。氮的加入抑制M23C6型碳化物的沉淀，在含钼的钢中氮含量的增加明显使M₂₃C₆型碳化物的沉淀向更长时间方向移动，少量硼的加入也延缓M₂₃C₆型碳化物的沉淀，磷则加速M23C6型碳化物的沉淀。

 MC型碳化物主要出现在用钛或铌稳定化的奥氏体不锈钢中，如06Cr18Ni11Ti、06Cr18Ni11Nb和一些合金化程度更高的其他含钛或铌的奥氏体钢中，MC型碳化物为TiC或NbC。奥氏体不锈钢中不可避免地都含有一定数量的氮，氮和钛、铌的亲和力也非常强，因此在含钛和铌的钢中还会形成TiN或NbN。MC和MN的点阵类型相同，点阵常数相近，其中的碳、氮原子可以互相取代。实际上在钢中存在的是M（C，N）或M（N，C），其中以M（C，N）最为常见。

 图9.53示出了18Cr-8Ni奥氏体不锈钢中TiC的溶解度曲线，图中同时列人了M₂₃C₆的溶解度曲线。可以看出，TiC的溶解度比M₂₃C₆的溶解度小得多。在钢经过奥氏体化后的冷却过程中，TiC会首先沉淀出来，随之奥氏体基体中的碳含量大大降低，因而减少并推迟了M₂₃C₆的沉淀，从而提高了钢的抗敏化能力。为了充分发挥MC型碳化物固定碳的稳定化作用，对于稳定化钢种须进行稳定化处理。

 稳定化处理的温度和时间应合理地选择才能得到最佳的稳定效果。确定稳定化处理的一般原则是：高于Cr₂₃C的溶解温度而低于TiC的溶解温度（图9.53），如零件在T₁温度使用，则稳定化的温度应不高于T₂；若在T₂温度处理，然后在T₁温度下使用，则会有（X₁-X）％的碳仍会在工作温度下于晶界析出M₂₃C₆；当工作介质为强腐蚀性时，仍会引起微弱的晶间腐蚀。具体的稳定化处理工艺，通常采用850～900℃保温2～4h，生成的TiC或NbC，呈颗粒状在晶内均匀分布，不像M₂₃C₆主要集中在晶界。

M₆C型碳化物出现在含钼或铌以及钼十铌的奥氏体不锈钢中，而且是在其主要沉淀相处生成，其出现和消失常与主要沉淀相有关。

 316（06Cr17Ni12Mo2）钢在650℃长期时效（1500h），M₂₃C₆型碳化物可以转变为M₆C型碳化物：

 在含有大量Mo或Nb或Mo＋Nb时，可在较高温度下短时间形成M6C型碳化物。

18Cr-9Ni-0.09C-1Nb钢在550～950℃时效，长达500h，未发现有M₆C型碳化物，主要碳化物为NbC，有时会出现一些M₂₃C₆相。当铌含量增至2％时，则在所有的沉淀过程中，均生成M₆C型碳化物，而不出现M₂₃C₆型碳化物，还出现了拉弗斯相（n），M₆C型碳化物的具体表达式为Fe₃Nb₃C。低温沉淀的M₆C型碳化物中有铬的溶入，其具体表达式为（Fe，Cr）₃Nb₃C。

 研究了20Cr-33Ni-2.3Mo-3.25Cu-0.04C-0.8Nb合金的沉淀过程，发现在950℃附近，M₆C相迅速沉淀，在低于此温度时，则不会沉淀。在镍含量为28％时，M₆C型碳化物的沉淀量要少得多。M₆C型碳化物在1050℃以上又重新溶入，其具体表达式为（Mo，Nb）₃（Fe，Ni，Cr）₃C 。

 图9.54为Fe-18Cr-Ni-N系在900℃的相平衡图。该图适用于含钛、铌、钒及铝等强氮化物形成元素甚少的不锈钢，在不以上述诸元素为合金元素的大部分奥氏体不锈钢中的氮含量均小于0.20％，氮可以全部溶于奥氏体中，在18Cr-10Ni钢中，氮含量超过0.25％时才出现Cr₂N。由图9.54可见，镍减少氮的溶解度，锰和铬则增加氮的溶解度。如果钢中含有钛、铌、钒及铝等元素时，则可能生成MN型氮化物。在M₂₃C₆、MC、M₆C等碳化物中的部分碳原子也会被氮原子取代。