一种新型节镍型耐热钢的研究

刘　旭

一种新型节镍型耐热钢的研究

刘旭

本文介绍了一种新型节镍型耐热钢T709U的研究，该材料可用于替换水泥烧成设备中使用的ZG40Cr25Ni20Si2，来降低设备成本；通过高温拉伸试验、高温氧化试验、高温腐蚀试验以及高温磨损试验的对比，结果表明，新材料在高温耐磨性能、高温耐腐蚀性能方面均优于ZG40Cr25Ni20Si2，在水泥烧成设备中使用具有更大的优势。

耐热钢；高温；耐磨；耐腐蚀；降低成本

1　引言

目前，耐热钢ZG40Cr25Ni20Si2被广泛应用于水泥烧成设备当中，诸如预热器C4、C5内筒挂片、烟室喂料舌头、回转窑窑头窑尾护板、篦冷机高温段篦板等。该材料在900～1 000℃具有良好的抗氧化性能和耐热性，但由于Ni含量较高，采购成本较高；同时其高温耐磨性能、高温耐氯化物腐蚀性能较差，尤其体现在入预热器生料中Cl元素含量较高时，内筒挂片使用寿命急剧缩短。

基于上述问题，中材装备集团有限公司研发了一款新型节镍型耐热钢以降低采购成本，同时提高高温耐磨性能和高温耐腐蚀性能，以适应更恶劣的工况。

2　成分设计

在工况温度为950℃的条件下，同时满足以下三个要求：

（1）高温抗氧化性能达到完全抗氧化级。

（2）高温耐氯化物腐蚀性能与ZG40Cr25Ni20Si2相比，提高50%～100%。

（3）高温耐磨损性能与ZG40Cr25Ni20Si2相比，提高30%～80%。

因此，在成分设计上设计一种碳化物强化奥氏体型耐磨耐腐蚀型耐热钢T709U。合金中大量的Ni元素形成并稳定奥氏体组织，使钢获得完全奥氏体组织，提高热强性；微量的N元素，同样起到形成并稳定奥氏体组织作用，并提高强度和耐蚀性；大量的Cr元素和一定量的Si元素，保证高温抗氧化性能和耐腐蚀性［1、2］；添加一定量的Mo元素，能够提高钢的热强性，生成碳化物，起到耐磨作用，同时能够有效防止氯化物的热腐蚀［3］；添加微量的Nb元素，形成碳化物产生弥散强化，改善抗晶间腐蚀能力，同时起到细化晶粒作用；微量的Re元素，对钢液起到净化作用，并细化晶粒。

图1　两种材料铸态的金相组织200×

图2　950℃连续100h的氧化动力学曲线图

图3　950℃连续100h的腐蚀增重动力学曲线图

图4　950℃连续100h的腐蚀减重动力学曲线图

表1　高温力学性能

表2　氧化级别评定表

表3　两种材料的抗氧化性（950℃、100h）

表4　 950℃摩擦磨损试验结果

3　组织与性能

3.1金相组织

由图1可以看出，新材料和25-20（ZG40Cr25Ni20Si2简称）在铸态时均为单一的奥氏体组织，新材料组织的晶粒大小明显小于25-20，组织更加均匀。

3.2高温力学性能

按照试验标准GB/T4338-2006（金属材料高温拉伸试验方法），测试新材料和25-20（ZG40Cr25Ni20Si2的简称）两者的高温力学性能，其结果见表1。

3.3高温抗氧化性能

对试样进行高温抗氧化性能研究，氧化实验在小型箱式电阻炉内进行，试验温度为950℃，连续100h，采用增重法测试其抗氧化性，见图2。

由图2可以清晰地看出：连续100h的高温氧化后，25-20的氧化增重为0.744 5mg/cm2，新材料的氧化增重为0.898 4mg/cm2，25-20的抗氧化性能优于新材料。根据HB5258-2000（钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法）中的规定，通过氧化速率（g/m2·h）来判定其抗氧化级别，见表2。

通过表2、3可以看出，虽然新材料在抗氧化性能上略低于25-20，但依旧属于完全抗氧化级别，能够满足使用要求。

3.4高温抗腐蚀性能

对试样进行高温抗腐蚀性能研究，试验在盐雾气氛下进行，盐由5%NaCl+95%Na2SO4混合后，再加蒸馏水配制成盐溶液，均匀喷涂在试样表面，试验温度为950℃，连续100h，分别做两组试验，增重法和减重法测试其抗腐蚀性，见图3、4。

通过图3可以得出：连续100h腐蚀后，25-20腐蚀增重量为54.932 3 mg/cm2，新材料腐蚀增重量为30.005 4mg/cm2，前者腐蚀增重量比后者高83.1%。

通过图4可以得出：连续100h腐蚀后，25-20腐蚀减重量为99.701 2 mg/cm2，新材料腐蚀减重量为60.871 2mg/cm2，前者腐蚀减重量比后者高63.8%。

上述结果表明：新材料的成分设计合理，在有氯化物腐蚀的环境中，无论腐蚀增重量还是减重量都低于25-20，能够有效地减缓氯化物腐蚀速率，延长使用寿命。

在腐蚀试验结束后，使用SEM扫描电镜对腐蚀试样进行分析，见图5。通过图5可以看出，在100h腐蚀后，新材料的氧化膜的完整程度明显优于25-20，这表明新材料中的Mo元素，在防止氯化物的热腐蚀过程中起到了有效的抑制作用。

3.5高温抗磨损性能

图5　试样腐蚀试验后的SEM扫描形貌

本磨损试验在摩擦磨损试验机上进行，摩擦磨损时间为30min，磨损温度为950℃，失重称量工具采用0.000 1g数显分析天平，结果见表4。

4　结论

（1）新材料在950℃时能够达到完全抗氧化级别，同时其高温力学性能优于25-20。

（2）新材料在950℃的耐腐蚀性能优于25-20，前者比后者提高了60%～80%。

（3）新材料在950℃的摩擦磨损性能是25-20的1.34倍。

（4）新材料与25-20相比，成本降低，且高温耐磨性能以及高温耐腐蚀性能都有大幅提高，在水泥烧成设备中（尤其是预热器内筒挂片）替换25-20，能够适应更恶劣的工况需求。

［1］李铁藩.金属高温氧化和热腐蚀［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［2］李美栓.金属的高温腐蚀［M］.北京：冶金工业出版社，2001.

［3］马海涛.高温氯盐环境中金属材料的腐蚀［D］.大连：大连理工大学博士学位论文，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

通讯地址：中材装备集团有限公司，天津300400；2015-01-30；编辑：吕光