一種新型節鎳型耐熱鋼的研究

劉　旭

一種新型節鎳型耐熱鋼的研究

劉旭

本文介紹了一種新型節鎳型耐熱鋼T709U的研究，該材料可用于替換水泥燒成設備中使用的ZG40Cr25Ni20Si2，來降低設備成本；通過高溫拉伸試驗、高溫氧化試驗、高溫腐蝕試驗以及高溫磨損試驗的對比，結果表明，新材料在高溫耐磨性能、高溫耐腐蝕性能方面均優于ZG40Cr25Ni20Si2，在水泥燒成設備中使用具有更大的優勢。

耐熱鋼；高溫；耐磨；耐腐蝕；降低成本

1　引言

目前，耐熱鋼ZG40Cr25Ni20Si2被廣泛應用于水泥燒成設備當中，諸如預熱器C4、C5內筒掛片、煙室喂料舌頭、回轉窯窯頭窯尾護板、篦冷機高溫段篦板等。該材料在900～1 000℃具有良好的抗氧化性能和耐熱性，但由于Ni含量較高，采購成本較高；同時其高溫耐磨性能、高溫耐氯化物腐蝕性能較差，尤其體現在入預熱器生料中Cl元素含量較高時，內筒掛片使用壽命急劇縮短。

基于上述問題，中材裝備集團有限公司研發了一款新型節鎳型耐熱鋼以降低采購成本，同時提高高溫耐磨性能和高溫耐腐蝕性能，以適應更惡劣的工況。

2　成分設計

在工況溫度為950℃的條件下，同時滿足以下三個要求：

（1）高溫抗氧化性能達到完全抗氧化級。

（2）高溫耐氯化物腐蝕性能與ZG40Cr25Ni20Si2相比，提高50%～100%。

（3）高溫耐磨損性能與ZG40Cr25Ni20Si2相比，提高30%～80%。

因此，在成分設計上設計一種碳化物強化奧氏體型耐磨耐腐蝕型耐熱鋼T709U。合金中大量的Ni元素形成并穩定奧氏體組織，使鋼獲得完全奧氏體組織，提高熱強性；微量的N元素，同樣起到形成并穩定奧氏體組織作用，并提高強度和耐蝕性；大量的Cr元素和一定量的Si元素，保證高溫抗氧化性能和耐腐蝕性［1、2］；添加一定量的Mo元素，能夠提高鋼的熱強性，生成碳化物，起到耐磨作用，同時能夠有效防止氯化物的熱腐蝕［3］；添加微量的Nb元素，形成碳化物產生彌散強化，改善抗晶間腐蝕能力，同時起到細化晶粒作用；微量的Re元素，對鋼液起到凈化作用，并細化晶粒。

圖1　兩種材料鑄態的金相組織200×

圖2　950℃連續100h的氧化動力學曲線圖

圖3　950℃連續100h的腐蝕增重動力學曲線圖

圖4　950℃連續100h的腐蝕減重動力學曲線圖

表1　高溫力學性能

表2　氧化級別評定表

表3　兩種材料的抗氧化性（950℃、100h）

表4　 950℃摩擦磨損試驗結果

3　組織與性能

3.1金相組織

由圖1可以看出，新材料和25-20（ZG40Cr25Ni20Si2簡稱）在鑄態時均為單一的奧氏體組織，新材料組織的晶粒大小明顯小于25-20，組織更加均勻。

3.2高溫力學性能

按照試驗標準GB/T4338-2006（金屬材料高溫拉伸試驗方法），測試新材料和25-20（ZG40Cr25Ni20Si2的簡稱）兩者的高溫力學性能，其結果見表1。

3.3高溫抗氧化性能

對試樣進行高溫抗氧化性能研究，氧化實驗在小型箱式電阻爐內進行，試驗溫度為950℃，連續100h，采用增重法測試其抗氧化性，見圖2。

由圖2可以清晰地看出：連續100h的高溫氧化后，25-20的氧化增重為0.744 5mg/cm2，新材料的氧化增重為0.898 4mg/cm2，25-20的抗氧化性能優于新材料。根據HB5258-2000（鋼及高溫合金的抗氧化性測定試驗方法）中的規定，通過氧化速率（g/m2·h）來判定其抗氧化級別，見表2。

通過表2、3可以看出，雖然新材料在抗氧化性能上略低于25-20，但依舊屬于完全抗氧化級別，能夠滿足使用要求。

3.4高溫抗腐蝕性能

對試樣進行高溫抗腐蝕性能研究，試驗在鹽霧氣氛下進行，鹽由5%NaCl+95%Na2SO4混合后，再加蒸餾水配制成鹽溶液，均勻噴涂在試樣表面，試驗溫度為950℃，連續100h，分別做兩組試驗，增重法和減重法測試其抗腐蝕性，見圖3、4。

通過圖3可以得出：連續100h腐蝕后，25-20腐蝕增重量為54.932 3 mg/cm2，新材料腐蝕增重量為30.005 4mg/cm2，前者腐蝕增重量比后者高83.1%。

通過圖4可以得出：連續100h腐蝕后，25-20腐蝕減重量為99.701 2 mg/cm2，新材料腐蝕減重量為60.871 2mg/cm2，前者腐蝕減重量比后者高63.8%。

上述結果表明：新材料的成分設計合理，在有氯化物腐蝕的環境中，無論腐蝕增重量還是減重量都低于25-20，能夠有效地減緩氯化物腐蝕速率，延長使用壽命。

在腐蝕試驗結束后，使用SEM掃描電鏡對腐蝕試樣進行分析，見圖5。通過圖5可以看出，在100h腐蝕后，新材料的氧化膜的完整程度明顯優于25-20，這表明新材料中的Mo元素，在防止氯化物的熱腐蝕過程中起到了有效的抑制作用。

3.5高溫抗磨損性能

圖5　試樣腐蝕試驗后的SEM掃描形貌

本磨損試驗在摩擦磨損試驗機上進行，摩擦磨損時間為30min，磨損溫度為950℃，失重稱量工具采用0.000 1g數顯分析天平，結果見表4。

4　結論

（1）新材料在950℃時能夠達到完全抗氧化級別，同時其高溫力學性能優于25-20。

（2）新材料在950℃的耐腐蝕性能優于25-20，前者比后者提高了60%～80%。

（3）新材料在950℃的摩擦磨損性能是25-20的1.34倍。

（4）新材料與25-20相比，成本降低，且高溫耐磨性能以及高溫耐腐蝕性能都有大幅提高，在水泥燒成設備中（尤其是預熱器內筒掛片）替換25-20，能夠適應更惡劣的工況需求。

［1］李鐵藩.金屬高溫氧化和熱腐蝕［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［2］李美栓.金屬的高溫腐蝕［M］.北京：冶金工業出版社，2001.

［3］馬海濤.高溫氯鹽環境中金屬材料的腐蝕［D］.大連：大連理工大學博士學位論文，2003.

Research of a New Typeof Saving NickelHeat-resistant Steel

LIU Xu
（Sinoma Technology&EquipmentGroup Co.，Ltd.，Tianjin 300400，China）

This article introduced the research of a new type of Ni saving heat-resistant steel T709U.This new material can replace ZG40Cr25Ni20Si2 which iswidely used in cement clinkerburning equipments and reduce the cost.The resultshows that the newmaterial's performance in high temperaturewear resistance，high temperature corrosion resistant is superior to ZG40Cr25Ni20Si2 by contrasting high temperature tensile test，high temperature oxidation test，high temperature corrosion test and high temperature wear test of twomaterials.So the newmaterialhasmoreadvantages in cementclinkerburningequipments.

heat-resistantsteel；high temperature；wear resistance；corrosion resistance；cost reduction

TG142.73

A

1001-6171（2015）05-0035-03

通訊地址：中材裝備集團有限公司，天津300400；2015-01-30；編輯：呂光