不锈钢低熔点元素微合金化机理与偏析行为控制技术

Lacking of nickel and chromium resources is leading China's stainless steel industries to being non-sustainable. Therefore, development of resource-saving and high performance products has become the most urgent task to at the present time. The most recent result has pointed out that addition of low melting point element (LMPE) such as tin can greatly improve the corrosion resistance, which can potentially reduce chroumum content by 2-5wt%, showing promising applications. However, LMPE can be deteriating to the mechanical properties at both high and room temperatures. Therefore, the optimized microalloying, which is able to improve the corrosion resistance but not deterioating mechanical performances, is believed to be the key point for the successful application of this technology. However, no systematic investigation has been carried out. In order to resolve these problems, in the present project, the mechanisms of LMPE microalloying for typical stainless steels such as 430 ferritic stainless steel and 304 austenitic stainless steel will be clarified. The newest technologies to control LMPE segregation will be explored to change the segregation behavior from centre segregation to inversed surface segregation for further improvement of corrosion resistance. Finally, theoretical and experimental data will be provided to support the industrialization of LMPE stainless steel products.

镍和铬资源匮乏导致我国不锈钢产业面临着难以持续发展的困境，开发资源节约型高性能产品是当前最为紧迫的任务。研究发现，在不锈钢中添加低熔点元素（Low-melting point elements－LMPE）如Sn等可大幅提高耐蚀性，降低铬含量达2－5wt％，展现了良好的前景。但LMPE对钢材高温和室温力学性能均会造成破坏性影响，合理微合金化即不破坏其力学性能又可有效提高耐蚀性，是此项技术能否成功的关键，目前国际国内还没有就此开展详细研究。在本项目中，首先要阐明典型铁素体和奥氏体不锈钢（如430和304）LMPE微合金化的作用机理，提出合理的不锈钢LMPE微合金化设计原则；其次，探索出控制不锈钢中LMPE偏析行为的新技术，改变中心偏析状态并促进表面逆偏析，以充分发挥其提高耐蚀性的作用并消除对力学性能的破坏性影响；最终，为现场实际生产LMPE微合金化不锈钢产品提供理论和实验支撑。

面对我国缺镍、贫铬且不锈钢废钢资源严重匮乏的现状，开发资源节约型高性能产品是当前最为紧迫的任务。有研究表明，在不锈钢中添加Cu、Sn可有效提高其耐蚀性能，从而节约Ni、Cr的添加量，展现了良好的前景。但过量的低熔点元素对钢材高温和室温力学性能均会造成破坏性影响，因此合理微合金化是此项技术成功的关键，也正是本课题的研究目标。. 本项目首先就Sn微合金化对铁素体不锈钢的耐蚀行为的影响机理以及成型性能的影响进行了深入的研究。研究表明，适量的Sn能够促进钝化膜生长，形成更密实的钝化膜，从而提高耐点蚀性能。Sn2+对活性位点的阳极基本反应有抑制作用，而Sn4+会发生强烈的水解，促进点蚀坑的酸化，反而加速点蚀的生长。因此Sn含量控制在0.1 wt%附近为宜，点蚀电位可提高9.3%。此外，元素Sn能大幅提高铁素体不锈钢的析氢过电位，极大地抑制阴极析氢反应，从而抑制阳极溶解过程，最终大幅降低其在酸性介质中的腐蚀速率。其次，项目组就Cu-Sn复合添加微合金化对铁素体不锈钢的耐蚀行为的影响机理以及成型性能的影响进行了深入的研究。研究表明，在超纯铁素不锈钢中适量地添加Cu、Sn元素有利于提高耐点蚀性能。Cu+Sn总含量较低时，有利于进一步提高实验钢的耐腐蚀性能。Cu、Sn都约为0.25 wt%时的超纯铁素体不锈钢，耐蚀性能远高于不含两元素的同级铁素体不锈钢。在腐蚀初期，腐蚀产生的Sn4+水解会促进点蚀的生长。在腐蚀后期，钢中裸露的析出物以及Cu2+增多，基体表面Cu还原沉积导致阴极活化，促进阳极基体发生钝化反应，使腐蚀过程得到抑制。此外，铁素体不锈钢晶粒尺寸过小或过大都将使含Cu、Sn铁素体不锈钢的腐蚀速率增大，一般控制在39 μm为宜。. 通过上述研究工作，本项目阐明了Cu、Sn微合金化对典型不锈钢的耐蚀性能及力学性能的影响规律，获得了Cu、Sn合理的微合金化含量配比，为企业新钢种开发提供最直接的理论依据。课题组共发表论文15篇，获批专利6项（发明专利5项），培养硕士研究生3名，博士研究生4名（在读博士生3名），其中一名博士研究生获得2014年辽宁省优秀博士论文奖。