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耐蝕合金NS3102絲材中的夾雜物分析
摘 要：NS3102合金絲中的夾雜物主要產生于中頻感應熔煉和澆注過程，其內生夾雜物主要為尖晶石氧化物MgO·Al2O3和棱狀氮化物TiN，尺寸較小，約2um以下，這兩類夾雜物都屬于脆性夾雜物。對合金絲進行力學性能檢測，應力-應變曲線表明合金具有良好的塑性和強度，其抗拉強度為1600MPa，應變在0.20處發生斷裂。合金絲的橫縱截面金相組織中未發現裂紋和碎裂成串的夾雜物，表明細小的少量夾雜物對材料的加工性能和力學性能影響很小。
關鍵詞：NS3102 MgO·Al2O3 TiN 力學性能 夾雜物
NS3102是早期開發和應用的Ni-Cr耐蝕合金，因其具有耐蝕、耐熱和抗硫化性能和良好的工藝性能，廣泛應用于各工業部門。例如核燃料和石油化工、食品加工等工業部門。亦可應用于熱處理設備和核燃料生產設備以及核動力工業。耐蝕合金NS3102通常采用中頻感應熔煉。在目前的冶煉工藝技術條件下，非金屬夾雜物是合金中不可避免的一種必然組分。通常把合金中氧化物、硫化物和一些高熔點的氮化物，以及硒化物、碲化物、磷化物，統稱非金屬夾雜物。文獻資料表明[1，2，3]非金屬夾雜物的數量和類型對合金的強度、塑性及斷裂韌性等都有極大的影響。隨著對合金質量要求的日趨嚴格，進一步降低合金熔液中夾雜物含量已經成為當前冶煉的主要目的之一。本文采用光學金相顯微鏡、電子探針等手段分析了NS3102合金中存在的非金屬夾雜物，分析了其夾雜物來源以及夾雜物的數量和類型對合金力學性能的影響。
一、實驗方法與材料
NS3102合金絲經中頻感應熔煉-鍛造-軋制-拉拔工藝試制。熔煉和澆注過程是產生夾雜物的主要來源，新坩堝熔煉前用同種材料或純鎳進行洗爐，輔助小料(渣料和鋁石灰)在使用前要進行烘烤。原材料選用：電解鎳、JCr98.5-A、JMn96、微碳鉻鐵、混合稀土、硅鈣塊、海綿鈦。大功率送電熔化金屬料爐底出現鋼水加入適當渣料，料熔80%時渣料全部加完。全熔后調好渣的流動性和鋼液溫度1600℃，然后轉入精煉期。渣白或全熔換渣后取爐中分析料。繼續脫氧，調整成分，白渣且流動性良好5min后加Mn。出鋼前加混合稀土，海綿鈦，硅鈣。當化學成分合格，鋼液脫氧情況良好，溫度為1620℃時即可出鋼。采用下注法澆注成鑄錠，因為下注法澆注更有利于渣的上浮。鑄錠經鍛造成方坯，方坯經修磨處理后轉入軋制工序軋制成盤條，盤條經拉絲退火等工藝制成Φ4.0mm成品。
二、實驗結果
2.1 成分分析
取Φ4.0mm成品NS3102合金絲進行化學成分分析，分析結果如表1所示。合金的化學成分滿足國標要求。
2.2 夾雜物分析
取Φ4.0mm成品NS3102合金絲分別進行橫縱截面夾雜物分析，分析結果如圖1、圖2所示。在未經腐蝕的產品表面，橫縱截面發現有大量分布不均勻的非金屬夾雜物，夾雜物主要為黑色點狀的夾雜物，特點是：尺寸小，數量多。腐蝕后橫縱截面金相組織如圖3、4所示。可以看出在晶界及晶內少量析出物，這些析出物可能是合金的強化相。
對夾雜物進行EPMA分析，EPMA分析圖譜如圖5所示。可知夾雜物主要為尖晶石氧化物MgO·Al2O3，棱狀的TiN，夾雜物非常細小，均在2μm左右。
2.3 力學性能
成品試樣的拉伸試驗曲線如圖6所示。合金的抗拉強度為1600MPa，應變在0.20處發生斷裂。從拉伸實驗曲線上可以看出，隨著應變的增加，應力不斷增大，說明合金在塑性變形的過程中不斷地發生加工硬化，因此加應力必須不斷提高，才能使變形繼續進行。當應變達到某一值時，加工硬化達到一定程度，應力不再增加，此時，出現了平衡階段，這時，硬化作用和軟化作用大致平衡，彼此相抵，應力值增加緩慢，進入了穩定應變階段，直至斷裂，說明NS3102合金具有良好的塑性和強度。
三、結果討論
鋼中的夾雜物按夾雜物的成分可分為5類[4]：①簡單氧化物，如A12O3，SiO2，FeO等;②復雜氧化物，包括尖晶石類和各種鈣的鋁酸鹽;③硅酸鹽及硅酸鹽玻璃;④硫化物如MnS，CaS等;⑤氮化物如TiN，AIN等。NS3102合金絲中的夾雜物主要為尖晶石氧化物MgO·Al2O3，棱狀氮化物TiN。這種類型的夾雜物一般屬于內生夾雜物，內生夾雜物就是脫氧產物和鋼水冷卻和凝固過程中產生的沉淀析出夾雜物。相關文獻均證實了這類夾雜物的形成過程，如：低碳鋁鎮靜鋼中的氧化鋁夾雜和硅鎮靜鋼中氧化硅夾雜，它們都產生于鋼中溶解氧和加入的鋁或硅脫氧劑之間的反應，是典型的脫氧生成的夾雜物[5，6，7];出鋼、澆鑄過程中由于與空氣接觸，發生二次氧化，在這類二次氧化過程中，脫氧元素如Al、Si和Ca等優先氧化，氧化產物發展成為非金屬夾雜物。但這兩類夾雜物都屬于脆性夾雜物。這類夾雜物在熱加工時不變形，沿加工方向容易破裂成串，因此要特別避免產生大尺寸或團聚狀的夾雜。
由于NS3102合金絲中的此類夾雜物細小，均在2um以下，所以對合金的加工性能幾乎沒有影響，因為在合金絲的橫縱截面金相組織中沒有發現破裂成串的夾雜物，也沒有發現細小裂紋。對合金絲進行力學性能檢測結果表明，細小的夾雜物對材料的塑性和和力學性能幾乎沒有影響，NS3102合金具有良好的塑性和強度。
參考文獻：
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[2]孫茂才.金屬力學性能.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2003.
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[4]宋維錫.金屬學.北京：冶金工業出版社，1980.
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