硅对铁素体耐热不锈钢韧脆转变行为的影响

张英波^1,2，邹德宁¹，李雨浓¹，王勇²，徐冉²，王帆¹

(1. 西安建筑科技大学冶金工程学院， 陕西 西安 710055；2. 陕西省特种设备检验检测研究院， 陕西 西安 710048)

摘要：铁素体耐热不锈钢18Cr-Al-Si具有优良的导热性能及良好的耐高温气体腐蚀性能，同时复合添加铝和硅元素又确保了其具有优异的抗高温氧化性，该钢是应用于超(超)临界电站锅炉连接件的一种新型耐热钢材料。以往，对于连接件材料的加工主要采用传统的水切割加工成型方法，但生产效率较低且成本较高；采用室温冲压加工成型的方法时，由于该类铁素体耐热不锈钢板脆性较大，容易在钢板厚度中心处产生裂纹；而采用带温冲压加工(即在韧性温度区间加工)时，则可避免钢板中心开裂的问题。为了提高连接件材料的生产效率，需要优化和确定该钢带温加工工艺参数。采用系列温度夏比冲击试验方法并借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)及能谱仪(EDS)，研究了硅含量(质量分数为0%~0.9%)对18Cr-Al-Si钢韧脆转变行为的影响。结果表明，随着硅含量的增加，各试验温度下的冲击吸收功逐渐降低、韧脆转变温度(DBTT)升高、微观断口中解理面数量增多、韧窝面积逐渐减少。硅元素对退火后的18Cr-Al-Si钢微观组织及析出物影响较大，随着硅含量的增加，钢中铁素体晶粒尺寸逐渐增加，M₂₃C₆碳化物由小尺寸的条状或块状逐渐变为长条状或大块状；较大的铁素体晶粒尺寸以及长条状或大块状M₂₃C₆碳化物的析出是恶化该钢冲击韧性的主要因素。

关键词：18Cr-Al-Si钢；硅含量；韧脆转变温度；M₂₃C₆碳化物；铁素体；耐热钢

1 引言

铁素体耐热不锈钢18Cr-Al-Si是欧洲开发的一类新型钢种，钢中较高的铬含量以及添加的铝和硅元素可在高温下形成致密的铬-铝-硅复合氧化膜，可大幅提高该钢的抗高温氧化性。目前，该钢主要作为炉膛内部承载和支撑数百吨过热器和再热器管的连接件材料应用于超(超)临界锅炉中。以往，对于连接件材料的加工主要采用传统的水切割加工成型方法，但生产效率较低且成本较高；采用室温冲压加工成型的方法时，由于该类铁素体耐热不锈钢板脆性较大，容易在钢板厚度中心处产生裂纹；而采用带温冲压加工(即在韧性温度区间加工)时，则可避免钢板中心开裂的问题。

此外，由于钢中添加的硅元素为铁素体形成元素，其含量超过一定范围时会影响韧脆转变温度，不利于冲压加工成型，同时为保证钢的抗高温氧化性，需综合考虑钢中硅元素的内控范围。因此，研究硅对该钢韧脆转变行为的影响，不仅可为该钢带温冲压加工工艺提供参考，提高锅炉连接件的生产效率，同时可为该钢成分优化提供数据支撑。本文以铁素体耐热不锈钢18Cr-Al-Si为基础成分，通过调控钢中的硅含量得到试验所需材料。采用系列温度夏比冲击试验的方法并借助扫描电子显微镜及装配的能谱仪(SEM-EDS)和透射电子显微镜(TEM)等表征手段，探究硅含量对该钢韧脆转变行为的影响，进而阐明硅元素对韧脆转变行为的作用机制。

2 精选图表

3 结论

(1)随着18Cr-Al-Si耐热钢中硅含量的增加，试验钢的韧脆转变温度逐渐升高。0Si试验钢韧脆转变温度为60.2 ℃，而0.9Si试验钢韧脆转变温度已经升至75.3 ℃。

(2)各硅含量试验钢冲击断口的断裂方式为韧脆混合型断裂，且随着硅含量的增加，微观断口中解理面面积占比逐渐增加、韧窝所占面积逐渐减少。0Si试验钢在20和90 ℃时断口中韧窝占比分别为53.3%和81.7%，而在0.9Si试验钢中韧窝占比分别为23.5%和67.7%。

(3)随着硅含量的增加，18Cr-Al-Si耐热钢中铁素体晶粒尺寸逐渐增加，M₂₃C₆碳化物由小尺寸的条状或块状逐渐变为长条状或大块状。较大的铁素体晶粒尺寸以及长条状或大块状M₂₃C₆碳化物的析出是恶化该钢冲击韧性的主要因素。