铝热反应法制备微纳结构2507双相不锈钢放大化生产的影响

浙江宏盛特钢有限公司使用铝热法制备微纳结构双相不锈钢主要是利用铝元素和其他金属氧化物之间发生氧化还原反应，将铁元素从氧化物中还原为单质，利用铝热反应放出的热量，使金属粉末熔化，合金元素在高温熔体中得以充分扩散�？翁庾榍捌谑笛橐脖砻�，当以化学方程式计算的理论配比制备合金时，在高压釜内铝热反应发生时，反应没有完全进行，在合金中残留这一定量的铝元素，影响了合金的相组成。解决的的办法是增大Fe2O3的物料量，使铝充分反应完全，剩余的Fe2O3由于密度小，和反应生成的Al2O3一起上浮，凝固后与合金分离。

根据宏盛特钢特材部研究人员前期在小炉子中的实验确定在制备微纳结构2507双相不锈钢时，Fe2O3在原基础上多加入20%，实验结果表明成功的制备出符合成分和相组成的微纳结构2507双相不锈钢。在大炉子放大化生产时，反应物料量增大，铝热反应放出的热量也成倍增加，使得熔体的温度可以达到2700℃左右。局部温度更高，使得所有元素有不同程度的蒸发，对铝热反应生成的渣和炉壁上的粉体的EDS结果证实了这一点。

铬元素不过量时，生成的微纳结构2507双相不锈钢块体中，铬元素的成分偏离理论设计值，这主要是由于两个方面的原因。第一是铬元素的蒸发，在炉壁的粉体中含有7.56%的铬元素，证明铬元素主要是以蒸发形式从熔体挥发，使得铬元素的含量低于设计值。另外一个原因是根据元素周期表可以得知，参与反应的几种金属的金属性顺序为铝>锰>铬>铁>镍，当Fe2O3过量时，铝热反应结束后剩余的Fe2O3与锰和铬有可能发生氧化还原反应，由于锰的沸点较低和含量少，剩余的Fe2O3与铬发生氧化还原反应，生成三氧化二铬，这和反应结束后生成的渣的EDS分析结果相一致。通过适当补充铬元素的方法，弥补铬元素的蒸发，使生成的微纳结构块体合金的成分到达设计要求。

一、微纳结构形成原理

相比与小炉子制备的微纳结构2507双相不锈钢，大炉子一次可以制备更大的块体微纳结构合金，每次反应物料为1500g，是小炉子的5倍，在反应物料增加这么多的情况下，依然可以制备出微纳结构合金，这主要是因为铝热反应能够放出大量的热，使合金所有的合金元素都能充分熔化，且这个过程很短，高温使得合金中的非金属元素得以蒸发和熔化上浮，有效的净化了熔体，在过冷的金属液体中形成固态晶核时，可能有两种形核方式，一种是均匀形核，一种是非均匀形核。由于熔体中几乎没有杂质，因此主要以均匀形核为主，在过冷熔体中形成一个半径为r的晶核所引起的自由能变化为体积自由能的变化与晶胚半径的立方成正比，而表面能的变化与半径的平方且正比。总的自由能是体积自由能和表面能的代数和，由式可知，体系的吉布斯自由能有最大值，当晶核半径大于时，体系的自由能为负，晶核可以稳定长大，对式求微分并引入过冷度，可得的值为。

由式可知临界晶核半径和过冷度成反比，因此过冷度越大，临界晶核半径越小，在铝热反应结束后，由于反应完成后熔体和铜底材有很大的温差，形成大的过冷度，所以临界晶核半径小，由于相起伏和温度起伏的作用，在较高温度下有部分晶核形成，随着温度的下降逐渐长大，并最终形成微米晶。

熔体的结晶不仅与临界形核半径有关，还和形核率有关，形核率是指在单位时间单位体积液体中形成的晶核数目，用N表示，形核率主要受到过冷度的影响，随着过冷度的增加，晶核的临界形核半径和形核功都随之减小，使熔体更容易形成晶核，形核率提高，把这种因素记为N1。但增加过冷度也使得熔体原子的扩散能力降低，不利于液态原子向晶核的迁移，使得晶核半径不易达到临界晶核半径，而且原子扩散能力低不利于晶核的进一步长大，把这种因素记为N2，那么过冷度对形核率总的影响为N=N1N2，图是形核率与温度和过冷度之间的关系，可以看到当过冷度在0.2Tm时形核率最大。

铝热反应结束后，随着熔体温度的降低，少量晶粒首先在钢熔体中成核并逐渐长大为微米晶体，当温度降低到有效成核温度时出现高的成核速率，且由于铜底材具有较高的导热系数，可以提供大的过冷度和较高的冷却速率（约为150 K/s），使剩余液态不锈钢中的晶粒大量成核且来不及长大，这部分晶粒在凝固后变成纳米晶，最终获得既有微米晶又有纳米晶的微纳结构2507双相不锈钢。

浙江宏盛特钢有限公司用铝热反应法成功制备了微纳结构2507双相不锈钢，但通过金相观察可以看到组织中存在一些小的气孔，TEM观察发现纳米晶分布不是很均匀，因此这种微纳结构合金加工性能差，由于有纳米晶和少量气孔的存在，合金塑性差，不利于后续加工，因此需要进一步改善合金组织，消除气孔，改善纳米晶分布，为后续加工做好准备工作。

二、结论

1. 在小炉子制备微纳结构2507双相不锈钢的基础上，利用大炉子制备不能得到设计成分的2507双相不锈钢，主要是铬元素在反应时有损耗，使合金中铬含量少于设计成分，其他元素基本符合设计要求。

2. 在小炉子制备2507双相不锈钢的基础上添加过量的铬元素以补充损耗，铬过量50%时，合金中铬元素含量依然低于设计值，铬过量100%时，合金中铬元素含量超过设计要求，合金全部由铁素体相组成，铬过量70%时，铬元素含量为24.45%，由铁素体和奥氏体两相组成，达到设计要求。

3. 铬过量70%时的微纳结构2507双相不锈钢奥氏体和铁素体之比基本为1:1，纳米晶的体积分数为41%，平均晶粒尺寸为34 nm，使用大炉子成功制备了微纳结构2507双相不锈钢，验证了铝热反应具有放大化生产的潜力。

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