稀土耐热铸钢的研制.pdf

5 2 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 稀土耐热铸钢的研制 陈爱荣 商丘职业技术学院，河南商丘4 7 6 0 0 0 摘要采用C r 2 4 N i 7 N 钢及C r 2 5 N i 2 0 铸造钢材，加入0 ．0 1 ％～o ．1 0 ％金属元素L a 或C e 后，在中频炉中 进行冶炼。结果表明，在钢中加入适量金属C e 或L a ，可显著地提高各种耐热钢的蠕变强度，断裂时间 延长2 倍以上，研制的F e - C r _ N i _ A l 耐热合金钢种在l2 5 0 ℃时具有优良的力学性能和高温抗氧化性 能。 关键词C e 或L a ；耐热钢；力学性能；抗氧化性能 中图分类号T G 3 0 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 0 0 3 - - 0 0 5 2 - - 0 3 E x p e r i m e n tS t u d yo nR a r eE a r t hH e a t R e s i s t a n tC a s t i n gS t e e l C H E NA i r o n g S h a n g q i uV o c a t i o n a lT e c h n i c a lC o l l e g e 。H e r o nS h a n g q i u4 7 6 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t 0 ．0 1 ％～0 ．1 ％m e t a l l i ce l e m e n tL ao rC ei Sa d d e dt os t e e lC r 2 4 N i 7 Na n ds t e e lC r 2 5 N i 2 0a n d s m e l t e di nm e d i u mf e q u e n c yi n d u c t i o nf u r n a c e ．T h er e s u l ts h o w st h a ta f t e ra d d i n gm o d e r a t eC eo rL at o s t e e l ，t h ec r e e pr e s i s t a n c eo fh e a t r e s i s t i n gs t e e li m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y ，a n db r e a k i n gt i m ee x p a n dm o r e t h a nd o u b l e ．h e a t r e s i s t i n ga n da l l o ys t e e lF e C r - N i A ld e v e l o p e dh a se x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d r e s i s t a n tt oh e a ta n do x i d a t i o n p r o p e r t i e s ． K e y w o r d s C eo rL a ；H e a t r e s i s t i n gs t e e l ；M e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；R e s i s t a n tt oh e a ta n do x i d a t i o np r o p e r t i e s 锅炉、汽轮机、航空、石油化工等工业部门使用 的机械设备中的零部件大多在高温条件下工作，除 要求较高的氧化腐蚀性、足够的韧性以及一定的组 织稳定性外，还要求有较高的高温强度[ 1 ] 。稀土加 入钢中不仅可起到脱氧、脱硫、改变夹杂物形态等净 化和变质作用，在某些钢中还能有微合金化的作 用[ 2 ] 。大量的研究结果表明[ 3 _ 4 ] ，稀土元素可明显 改善耐热钢和电热合金的钢的抗氧化能力，高温强 度和塑性、疲劳寿命、耐腐蚀性及抗裂性等。为提高 铸钢材料的耐热性，扩大稀土的应用范围和数量，对 耐热铸钢加入稀土元素C e 或L a 热强性能的影响 进行了试验研究，并利用试验结果，对F e C r N i - A l 耐热合金钢进行了研制，结果表明，通过化学元素调 配，利用铸造方法优化筛选出一种成分合金，将合金 的耐热温度提高到12 5 0 ～13 0 0 ℃，在室温下获取 作者简介陈爱荣 1 9 6 9 - - ，女，河南商丘人。副教授． 了优良的铸造性、可焊性，于高温下获得良好的力学 性能和高温抗氧化性能。 1 试验材料及方法 试验材料采用C r 2 4 N i 7 N 钢及C r 2 5 N i 2 0 铸造 钢材，在铸造钢材中加入0 ．0 1 ％t 0 ．1 0 ％金属元素 L a 或C e 后，在中频炉中进行冶炼。每一种钢采用 同一炉钢水，一半不加稀土，另一半加稀土。持久与 蠕变试验分别是在B Ⅱ一2 及R 肛2 3 试验机上进行 的。铸造试样在试验温度下进行2 4h 时效处理后， 加工成M 1 2m m 6 6m m 的试样。用E L C - 3 1 3 3 A 型离子探针进行断口表面 即晶界面 稀土的深度分 析。F e - C r N i - A l 耐热合金钢的研制，用普通铸造方 法，所用炉料为工业纯铁、微碳铬铁、镍铁、铝线、工 业纯硅、1 号稀土硅铁合金。用中频感应电炉熔炼 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 5 3 合金；造渣材料用石灰和萤石；钢水出炉温度15 5 0 ～15 7 0 ℃；毛坯试棒采用对开石墨型烘干后浇铸。 2 试验结果分析 2 ．1 稀土对耐热铸钢性能的影响 表1 表1稀土对耐热铸钢性能的影响 T a b l e1E f f e c to fr a r ee a r t ho np r o p e r t y o fh e a t - r e s i s t i n gs t e e l 钢号丽沥丽篇等基丽而 在不同应变率条件下，添加稀土元素L a 、C e 的 合金的抗拉强度比未加稀土元素的合金的抗拉强度 都有较大幅度提高【5 ] 。钢的持久强度主要取决于钢 的组织特点及纯净度，但抗氧化较好的钢由于表面 烧蚀少也有好的作用。为了排除氧化影响的因素， 我们对C r 2 4 N i 7 N R E 钢铸造材做了10 0 0 ℃的真 空持久试验，结果表明铸钢中加入稀土后使同一应 力下的断裂时间延长2 倍以上。 2 ．2 稀土对蠕变性能的影响 图1 为C r 2 4 N i N R E 钢铸态试样8 7 0 ℃高温 蠕变的试验结果。钢中加入金属L a 后，使其蠕变 速度由1 ．1 4 1 0 - 3 ％／h 降到3 ．6 x 1 0 _ 4 ％／h ，并延 长了断裂时间。这是因为稀土元素L a 和C e 的原子 半径远比F e 大，他们溶解在铁中将会产生较大的 点阵畸变能。根据溶质原子平衡偏聚理论，将会使 它们偏聚在晶界上，这从我们的试验结果中得到了 证实。国内外的研究也发现稀土元素偏聚在钢的晶 界上[ 6 ] ，晶界上偏聚的稀土，趋于占据晶界中的空位 和畸变区，这样有可能降低基体原子的晶界扩散速 率，使由扩散控制的晶界滑动受到阻碍，使晶界裂纹 不易形成，晶界得到强化。稀土净化了晶界，减少了 晶界的杂质元素，改善了钢的热塑性，使晶界裂纹尖 端的应力集中容易因形变而松弛，裂纹难于扩展，从 而延长了断裂寿命。 3 稀土改善热强性能的因素分析 高温断裂、特别是高温持久断裂，一般是沿晶断 裂 在铸态下亦可是沿枝晶断裂 ，所以对耐热钢而 言，影响热强性的关键是晶界强度【7 】。我们对 C r 2 4 N i 7 N L a 钢10 0 0 ℃的真空持久断口用E L C - 3 1 3 3 A 型离子探针方法进行了断口表面 即晶界面 l 、 翻 蛰 锹 时间／h 图1C r 2 4 N i 7 N 钢加入R E 后对蠕变 性能的影响 F i g ．1 E f f e c to fa d d i n gR Et os t e e lo n c r e e pp r o p e r t i e s 稀土的深度分析，结果如图2 所示。随着溅射时间 的增长，远离断口表面 晶界面 稀土含量明显降低， 说明稀土富集于晶界。 魁 萎 翠 j 溅射时间I s 图2C r 2 4 N i 7 N L a 钢10 0 0 ℃真空持久断口L a 的深度分布结果 F i g ．2 T h er e s u l to fa n a l y s i so nt h ed e p t ho fL a o nt h ef r a c t u r eo fs t y a tl0 0 0 ℃a n dv a c u u m 4F e C r - N i A l 耐热合金钢的研制 用普通铸造方法，通过各元素合金配比来制取 F e - C r - N i A 1 耐热合金钢。试验合金成分 ％ C 0 ．0 6 、C r2 4 、N i1 0 、A l3 、S i1 ．5 、R e ≤O ．5 、S ≤O ．0 3 、 P ≤0 ．0 3 。 通过电镜对合金进行金相分析，可以看到合金 铸态基体组织由两相 铁素体 奥氏体 组成，在图 3 中可以观察到白色的铁素体与黑色的奥氏体，两 相相间分布，并可以观察到两相比例及显微组织特 征，这些因素决定了合金的高温力学性能和高温抗 氧化性能[ 8 ] 。 试验合金短时抗拉强度值与断面收缩率对应温 度曲线如图4 所示，图中每点值为三个试样的平均 值。从图4 可以看出，该合金在l0 5 0 ～13 0 0 ℃高 温区间，短时抗拉强度值随温度的升高而呈线性下 降趋势。在12 5 0 ℃时，合金短时抗拉强度值仍达到 万方数据 5 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 4 0M P a 。合金断面收缩率由图可知，在11 5 0 * C 时 出现峰值，在12 5 0 * C 仍达到3 0 ％左右。根据钢的 热塑性曲线，合金在l1 0 0 12 0 0 Y 为奥氏体化区 域，此时合金具有最佳的塑性和韧性；当温度超过 12 5 0 ℃时，晶粒急剧长大，基体组织恶化，晶界强度 降低，大部分合金在13 0 0 C 时呈现脆性断裂趋势； 在低于11 0 0 ℃时，合金处于低塑性区。 图3 合金铸态显微组织 F i g ．3 M i c r o s t r u c t u r eo fa l l o ya sc a s t 图4 合金高温力学性能随温度的变化 F i g ．4C h a n g eo fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w i t ht h et e m p e r a t u r e 按G B ／T 1 3 3 0 3 9 1 对合金进行了12 5 0 ℃高 温抗氧化试验，结果见图5 。试验合金在高温下氧 化增重速率曲线在开始2 0 0h 斜率较大，在后3 0 0h 随时间的增加斜率逐渐降低，曲线变得平滑，说明合 金氧化膜在高温下具有较高的稳定性，对合金内部 基体组织起到良好的保护作用凹] 。由图中试验数据 可计算出，试验合金12 5 0 ℃氧化增重速率稳定在 0 ．2g ／ m 2 h 左右，具有优良的高温抗氧化性。 5结论 在钢中加入适量的金属C e 或L a ，能明显地改 善耐热铸钢的持久强度，降低其蠕变速率。采用普 通铸造石墨型造型方法生产的F e - C r - N i A 1 耐热合 金12 5 0 ℃时，合金短时抗拉强度达到4 0M P a 以 上，断面收缩率在3 0 ％左右，氧化增重速率稳定在 毫 ● 望 栅 量 娶 t ，h 图5 合金氧化动力学曲线 F i g ．5D y n a m i c sc u r v eo fa l l o y 0 ．2g ／ m 2 h 左右。 参考文献 [ 1 3 胡宾伟．耐热钢的设计思想F J - ] ．装备制造技术，2 0 0 6 4 5 0 5 1 ． [ 2 ] 周惦武，彭平，徐少华，等．稀土元素在钢中的应用与研 究[ J ] ．铸造设备研究，2 0 0 4 3 3 8 4 1 ． [ 3 ] 林勤，宋波，郭兴敏，等．钢中稀土微合金化作用与应用 前景[ J ] ．稀土，2 0 0 1 4 3 3 3 8 ． [ 4 ] 王龙妹，杜挺，卢先利，等．稀土元素在钢中的热力学参 数及应用[ J 1 ．中国稀土学报。2 0 0 3 3 4 7 ． [ 5 ] 张朝晖，苗凯．王富耻．稀土元素L a 、c e 对9 3 W N i F e 合 金力学性能的影响[ J ] ．北京理工大学学报，2 0 0 6 2 1 0 4 1 0 6 ． [ 6 ] 黄晓锋。王渠东，卢晨，等．S i 对A M 5 0 力学性能和高温 蠕变性能的影响[ J ] ．材料研究学报．2 0 0 4 6 3 5 3 7 ． [ 7 ] 李春龙．稀土在钢中的应用及需注意的一些问题[ J ] ． 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期5 5 稀土，2 0 0 1 1 3 8 ． [ 8 ] 余式昌，吴申庆，燕纪全，等．稀土对2 1 4 N 钢显微组 织和力学性能的影响[ J ] ．机械工程材料，2 0 0 5 2 4 1 4 3 ，5 9 ． [ 9 ] 王守仁，张景春。王景泉．稀土元素提高F e - N i A I 系耐 热合金抗氧化性机理探讨口] ．山东建材学院学报，2 0 0 1 1 7 1 7 4 ． I - 接第3 6 页 4 ．2 实际样品的分离量的钯溶液，后面的萃取等步骤同样品测定，计算钯 取一定量含钯样品溶液，按动态法试验，测定样的回收率。并将分离分析结果与原子吸收分光光度 品中钯的含量。与此类似，往样品溶液中加入一定法测定结果相比较，结果见表3 。 表3 样品分析结果 n 5 T a b l e3R e s u l t so fa n a l y s i so fS a m p l e s n 5 5结论 利用悬浮聚合法技术，采用苯乙烯为功能单体， 二乙烯苯为交联剂，合成了二苄基亚砜树脂聚合物。 合成的树脂聚合物在很宽的酸度范围内对钯具有很 高的选择性和吸附容量，对铂及常见的贱金属基本 不吸附。 参考文献 [ 1 3 何敏，兰新哲。朱国才，等．D 2 9 6 阴离子交换树脂分离 富集原子吸收光谱法测定地质样品中的痕量金和钯 [ J ] ．稀有金属，2 0 0 4 ，2 8 6 1 0 3 8 1 0 4 2 ． [ 2 ] H u a n gzJ ，Y a n gGY ，H uQF ，e t a l ．S o l i dp h a s ee x t r a c t i o na n ds p e c t r o p h o t o m e t r i cd e t e r m i n a t i o no fs i l v e r w i t h2 一 2 一q u i n o l y l a z o 一5 一d i m e t h y l a m i n o p h e n o l [ J ] ．J o u r n a lo fA n a l y t i c a lC h e m i s t r y ，2 0 0 5 ，6 0 6 4 9 8 5 0 2 ． [ 3 ] 李华昌，周春山，符斌．萃淋树脂技术及其在湿法冶金 中的应用[ J ] ．有色金属，2 0 0 1 ，5 3 1 7 0 一7 2 ． [ 4 ] 董守安．现代贵金属分析[ M ] ．北京化学工业出版社， 2 0 0 7 ． [ 6 3 刘国诠，余兆楼．色谱柱技术[ M ] ．北京化学工业出版 社，2 0 0 6 ． [ 6 ] 容庆新，林尚鹏．亚砜萃淋树脂的合成及其在金分析中 的应用[ J ] ．理化检验一化学分册，1 9 9 3 ，2 9 2 8 1 8 2 ． [ 7 3 程德平。夏式均．D B C 萃淋树脂吸萃钯 I I 的性能及萃 合物组成的研究[ J ] ．湿法冶金，1 9 9 6 3 6 ． [ 8 3 陈金媛，周志瑞，汤福隆．2 一H B R 负载树脂分离富集 钯的研究及其分析应用[ J ] ．杭州大学学报 自然科学 版 ，1 9 9 2 ，1 9 2 1 7 9 1 8 0 ． [ 9 ] 中本一雄．无机和配位化合物的红外和拉曼光谱[ M ] ． 黄德如，江仁庆。译．北京化学工业出版社，1 9 8 4 3 6 ． 上接第4 5 页 Z i n cO x i d eb yH o m o g e n e o u sP e r c i p i t a t i o nM e t h o d [ J ] ． B u l l ．C h e m ．S o c ．J p n ，1 9 9 2 ，6 5 2 2 7 0 一2 2 7 ． [ 6 ] 赵新宇，郑柏存，李春忠．喷雾热解合成Z n O 超细粒子 工艺及机理研究[ J ] ．无机盐工业，1 9 9 6 ，1 1 4 6 1 1 6 1 6 ． [ 7 ] W A N GR u i - x i a n g 。T A N GM o - t a n g ，Y A N GS h e n g - h a i ， e ta 1 ．L e a c h i n gk i n e t i c so fl o wg r a d ez i n co x i d eo r ei n N H 3 一N H 4 C l H 2 0s y s t e m [ J ] ．J ．C e n t ．S o u t hU n i v ． T e c h n 0 1 ．．2 0 0 8 。1 5 5 6 7 9 6 8 3 ． [ 8 ] 刘广文．喷雾干燥实用技术大全[ M ] ．北京中国轻工 业出版社，2 0 0 1 ． 万方数据