自蔓延离心法制备不锈钢内衬复合钢管的显微结构

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.03.015 第21卷第3期 北京科技大学学报 Vol.21 No.3 1999年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1999 自蔓延离心法制备不锈钢 内衬复合钢管的显微结构 席文君 般声 赖和怡 北京科技大学材料科学与工程系，北京100083 摘要用扫描电镜和透射电镜研究了自蔓延离心法制备的不锈钢内村(C,Ni分别为 13%14%和14%~16%)复合钢管不锈钢层的结晶特点和组织结构.研究表明，不锈钢熔体主要 以柱状晶形式结晶，柱状晶由奥氏体组成，柱状晶间有一薄层铁素体，铁素体区有ANi金属间 化合物析出相，在奥氏体和铁素体相界的铁素体区一侧有σ相析出， 关键词不锈钢；钢管；显微结构；燃烧合成 分类号TG142.25 自蔓燃-离心法（简称SHS-离心法）是一种 CrO,+2Al=Cr+Al2O,,AH=-1094kJ 制造复合钢管的新技术3)，该法工艺简单，成 根据不锈钢的成分调整铝热剂各成分的含 本低，具有广泛的应用前景.但由于SHS过程 量.实验研究的不锈钢成分Cr,Ni(质量分数)分 较快，液相停留时间较短，且离心铸造过程还伴 别为13%~14%和14%~16%，其余为Fe 随熔融金属与渣相的相互分离，因此SHS-离心 1,2不锈钢内衬组织结构分析 法与传统离心铸造工艺有很大区别.研究这种 用扫描电镜观察不锈钢层的组织形貌和结 工艺获得的不锈钢内衬的组织结构特点，对制 晶特点，用透射电镜分析形貌和结构. 定合理工艺，制备高性能的不锈钢复合管材具 有重要的指导意义， 2结果与讨论 1实验方法 图1为不锈钢内衬的背散射电子像：(a)为 内衬层的整体形貌，左侧为内表面，右侧为靠近 1.1复合钢管的制备 碳钢钢管-一侧的外表面.可以看出：内衬层主要 将含有FeO3,NiO,CrO,CrO,和Al粉（按 由近似与钢管内表面垂直的柱状晶组成；(b)为 化学计量比混合，质量为350g)的铝热剂粉末装 柱状晶区的放大像；（©）为不锈钢与碳钢之间的 入普通碳钢钢管内(20钢，外径76mm,长100 过渡区，左侧为不锈钢层，右侧为碳钢基体，中 mm),把装有铝热剂的钢管装在离心机上，使其 间为过渡区· 高速旋转(1500rmin),之后点燃铝热剂，发生氧 自蔓延离心铝热法制备复合钢管的关键是 化还原反应，放出大量的热，反应产物Fe,Ni,Cr 使熔融燃烧产物的凝固时间长于金属与渣相分 和A1O,都呈熔融状态.由于产物密度不同，在 离的时间，这样才能保证得到纯净的金属层. 离心力作用下发生分离，密度较小的A1O浮于 不锈钢熔体的结晶形态与SHS离心法的 内表面，密度较大的金属分布于和基体碳钢接 工艺特点有关.铝热剂点火后，燃烧产物为熔融 触的外表面，形成合金.化学反应如下： 的Al,O,和金属熔体.由于金属熔体与Al,O熔 Fe2O,+2Al-2Fe+Al:O3,AH=-836 kJ 体的密度差别，在离心力作用下，A1O熔体浮 Cr20+2A1=2Cr+Al,03,△H=-530kJ 于圆周内表面，并先于金属熔体结晶，这相当于 3NiO+2Al=3Ni+Al2O,,AH=-928kJ 在熔融的液态金属表面加了一层保温层：而与 熔融金属接触的外层钢管温度较低，且导热系 1998-07-15收稿席文君男，34岁，博上生

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 自蔓延 离 心 法 制 备 不 锈钢 内衬 复合钢 管 的显 微 结构 席文君 殷 声 赖 和 怡 北京科技大学 材料科学 与工 程系 ， 北京 摘 要 用 扫 描 电镜 和 透 射 电镜 研 究 了 自蔓延 离心 法 制 备 的 不 锈 钢 内衬 ， 分 别 为 和 协 复合 钢 管 不 锈钢 层 的结 晶特点和 组 织 结构 研 究表 明 ， 不 锈钢 熔体 主 要 以柱状 晶形 式 结 晶 ， 柱 状 晶 由奥 氏 体组成 ， 柱状 晶 间有 一 薄层 铁 素 体 ， 铁素 体 区 有 金 属 间 化 合物 析 出相 ， 在 奥 氏体和 铁 素 体 相 界 的铁 素体 区 一 侧有 相 析 出 关键 词 不 锈钢 钢 管 显 微 结构 燃烧合成 分 类号 自蔓燃一 离心 法 简称 一 离心 法 是一 种 制造 复合钢 管 的新技术 〔卜， ’ ， 该 法 工 艺 简 单 ， 成 本低 ， 具 有广泛 的应用 前景 但 由于 过程 较快 ， 液相 停 留 时间较短 ， 且离心铸造过程还伴 随熔融金属 与渣相 的相 互分离 ， 因此 一离心 法与传统离心铸造工 艺 有很 大 区 别 研 究这种 工艺 获得 的不 锈钢 内衬 的组 织 结 构特 点 ， 对制 定合理工 艺 ， 制备 高性能 的不锈钢 复合管材具 有重 要 的指导意义 十 ， △产了 一 根据不 锈 钢 的成 分 调 整 铝 热 剂各 成 分 的含 量 实验研 究的不 锈 钢 成 分 ， 质量 分 数 分 别 为 一 和 一 ， 其 余 为 不 锈钢 内衬 组 织 结 构 分 析 用扫描 电镜 观 察不 锈钢 层 的组 织形 貌 和 结 晶特 点 ， 用 透 射 电镜 分 析 形 貌 和 结构 实验方法 复合钢 管的制 备 将含 有 场 ， ， 儿 ， 旧 ， 和 粉 按 化学计量 比混合 ， 质量为 的铝 热 剂粉末 装 入普通碳钢钢 管 内 “ 钢 ， 外 径 ， 长 ， 把装有铝热 剂 的钢 管装在 离心 机上 ， 使其 高速旋转 ， 之 后 点燃铝 热剂 ， 发 生 氧 化还原反应 ， 放 出大量 的热 ， 反应产物 ， ， 和 取 都呈熔 融状态 由于 产物 密度 不 同 ， 在 离心 力作用下 发生分 离 ， 密度较小 的 。 浮于 内表面 ， 密度较大 的金 属 分 布于 和 基 体 碳 钢 接 触 的外表 面 ， 形 成 合金 化 学 反 应 如 下 ， △月三 一 几 ， △万 一 二 十 ， △万 一 一 一 收稿 席 文君 男 ， 岁 ， 博 士 生 结果 与讨 论 图 为不 锈钢 内衬 的背 散射 电子像 为 内衬 层 的整 体形 貌 ， 左 侧 为 内表 面 ， 右 侧 为靠近 碳钢 钢 管 一 侧 的外表 面 可 以看 出 内衬层 主 要 由近似 与钢 管 内表 面 垂 直 的柱状 晶 组 成 为 柱 状 晶 区 的 放 大 像 为 不 锈 钢 与 碳钢 之 间 的 过 渡 区 ， 左 侧 为 不 锈 钢 层 ， 右 侧为碳 钢 基 体 ， 中 间 为过 渡 区 自蔓延 离心 铝 热法 制 备 复合钢 管 的关键 是 使熔融燃烧 产物 的凝 固 时间长 于 金 属 与渣相 分 离 的 时 间 ， 这 样 才 能保 证 得 到 纯 净 的金 属 层 不 锈 钢 熔 体 的结 晶形 态 与 一 离心 法 的 工 艺特 点有 关 铝 热 剂 点火 后 ， 燃烧产 物 为熔融 的 ， 和 金 属 熔 体 由于 金 属 熔 体 与 熔 体 的密 度差 别 ， 在 离心 力 作用 下 ， ， 熔 体 浮 于 圆周 内表面 ， 并 先 于 金 属 熔体 结 晶 ， 这 相 当于 在熔 融 的液 态 金 属 表 面 加 了 一 层 保温层 而 与 熔 融 金 属 接 触 的外层 钢 管温度较低 ， 且 导 热 系 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．03．015

·270, 北京科技大学学报 1999年第3期 数大于AO,陶瓷层，因此，不锈钢熔体的结 体的品格常数接近(0.287m),析出相与基体之 先从钢管的内表面开始，并沿轴心方向生长.热 间完全共格.两相的取向关系为： 量通过结晶后形成的不锈钢固体层和钢管峰传 (I10)A∥(110)e:[001]m∥[002]. 出.由此可见，不锈钢熔体的结品是沿正温度梯 图2(c)为在奥氏休与铁素体相界面上析出 度方向进行的，靠近陶瓷层一侧的不锈钢熔体 物的形貌及衍射图谱.经标定，析出物为σ相， 最后结晶，这种结品特点有利于金属熔体中火 是I种Fe和Cr形成的金属间化合物，可近似表 杂物的排除，可避免形成缩孔， 小成FeCr,其有简单正方品格.品格常数为：a= 从图1(b)可看出，不锈钢层中没有大块 0.8799nm:c=0.4556nm.g相从相界面的铁素 金属夹杂，说明熔融金属与A1,O,渣的分离比较 休一侧析出，与铁素体基体的位向关系为： 完全， (110),∥(110).；[002].∥[002] 形成σ相所需的C:在铁素体中富集较多， C在铁素中的扩散和富集比在奥氏体中容易， 因此，σ相的晶核易在铁素中形核和长大， 在普通的铸造不锈钢中常可发现σ相，如 18-8+Ti铸钢(Cr18%,Ni8%),含Si较高的18-8， 钢：但普通铸造过程中形成的0相尺寸较大，如 含Si2.95%的18-8铸钢g相约为6.25mM,而 SHS-离心法形成o相约为0.25m,尺寸约为普 通铸造过程形成▣相的125， 一般认为σ相的析出会使钢的冲击韧性降 低，同时，由于。相富集了大量的Cr,造成晶界 附近贫C,引起品间腐蚀.由于复合钢管对力 学性能要求不高，而对腐蚀性能却有严格要，本 文规察到的σ相析出是否引起不锈钢内衬的晶 间蚀，还有待进一步研究 研究中发现，燃烧合成后，在不锈钢层与碳 钠之间形成过渡区，过渡区宽约10m(图1 (c).透射电镜研究表明（图2(d》,过渡区为具有 体心立方结构的板条马氏体.马氏体区及碳钢 基体的成分分析如表2和表3所示. 表1过渡区成分 元素 Al Si Cr Fe Ni Cu 原子数分数%4.2092.9167.48079.4454.2891.660 表2碳钢基体成分 图】不锈钢内村的背散射电子像.()为内村的整体形 貌：)为不锈钢柱状晶区：（©）为过渡区A一不锈钢层， 元素 Al Si Cr Fe Ni Cu B一过波层（区），C-碳钢层 原了数分数%1.1030.5360.62096.3360.0001.405 形成马氏体过渡区的原因是，在熔融金属 透射电镜分析表明（图2(a),(b),不锈钢出 与A1,O,渣分离之前，铝热剂的燃烧已对钢管加 两相组成，即柱状晶为奥氏体，柱状品间分布着 热，随若熔融金属与A1O,渣的分离，钢管温度 一薄层铁素体，奥氏体中含有平直的位错线. 进一步升高，表面一薄层培化并与不锈钢溶体 铁素体区内有第2相析出物，析物的形 混合扩散：因此，最表层的不锈钢熔体被碳钢熔 貌及选区衍射谱如图2(b)所示.在析出物的周 体稀释，C,Ni等合金元素降低，从而使马氏体 围有位错环形成，经标定此析出物为其有简单 点M升高，冷却时转变成马氏体. 立方结构的AINi,晶格常数为0286nm,与铁素

VoL21 No.3 席文村等：自蔓延离心法制备不锈倒内村复合钢管的显微结构 271 。。。 。220·3T1。 °000‘1° 025m ●1I09200 0007 。●100。。 025m 。10 200 :fo1201 9:odi01o 前··意··金 025m 2001→271 °0000i1 025m 图2不锈铜内村层的显微形貌及电千衍射图(a)奥氏体(~F),(b)铁豪体(@ Fc十ANi,(C相界析出物a相.(d)过渡区马氏体

·272· 北京科技大学学报 1999年第3期 3结论 参考文献 1SHS-离心法制备不锈钢(Cr为13%~14%， 1 Merzhanov A G,Yukhvid V I.In:Proceeding of the First Ni为14%~16%，质量分数)内衬复合钢管时，不 US-Japanese Workshop of Combustion Synthesis.To- 锈钢熔体以柱状晶形式结晶，柱状晶为奥氏体， kyo:National Research Institute for Metal,1990.1 2 Odawara O.Long Ceramic-lined Pipes Produced by a 柱状晶之间为一薄层铁素体 Centrifugal-Thermit Process.J Am Ceram Soc,1990,73 2SHS-离心法制备的不锈钢中有AINi和σ (3),629 相析出物，ANi在铁素体基体上析出，而σ相在 3段辉平.离心铝热法制备不锈钢内衬复合钢管的研 奥氏体和铁素体相界上靠近铁素体一侧析出， 究：[学位论文].北京：北京科技大学，1996 3不锈钢层与基体碳钢之间形成一层马氏 4陈德和.不锈钢的组织与性能.北京：机械工业出版 社，1977.176 体过渡区. 5肖纪美.不锈钢的金属学问题.北京：冶金工业出版 杜，1983.230 Microstructure of Stainless Steel Composite Pipe Pruduced by SHS-Centrifugal Process Xi Wenjun,Yin Sheng,Lai Hoyi Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The microstructure and solidification behaviour of stainless steel layer in composite pipe were investigated by means of TEM and SEM.The results show that the crystal of stainless steel layer grows in columnar grains.The columnar grains consists of austenite.A thin layer of ferrite exists between the col- umnar grains.The intermetallic compound AlNi precipitates in ferrite zone.The o phase precipitates at the phase boundaries between austenite and ferrite. KEY WORDS stainless steels;steel pipe;microstructure;combustion synthesis

， 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 结 论 一 离心 法 制备不 锈 钢 为 一 ， 为 一 ， 质 量分 数 内衬 复 合钢 管 时 ， 不 锈钢 熔体 以柱状 晶 形式结 晶 ， 柱状 晶 为奥 氏体 ， 柱 状 晶之 间 为 一 薄层 铁 素 体 一 离心 法 制 备 的 不 锈 钢 中有 和 。 相 析 出物 ， 在铁 素体基 体 上 析 出 ， 而 相 在 奥 氏体和 铁素体相 界 上 靠近 铁 素 体 一 侧析 出 不 锈钢 层 与基 体碳钢 之 间形 成 一 层 马 氏 体 过渡 区 参 考 文 献 ， 一 匕 冲。 ， 一 妙 一 ， ， ， 段辉 平 离心 一 铝热法制备不锈钢 内衬 复合钢管的研 究 学位 论 文 北 京 北 京科技 大学 ， 陈德和 不锈钢 的组织 与性 能 北 京 机械工 业 出版 社 ， 肖纪美 不 锈钢 的金属学 问题 北 京 冶金 工 业 出版 社 ， 如 一 肿’ ， 枷 月 ， ， ， 币