耐磨双相不锈钢1.4475的开发

耐磨双相不锈钢1.4475的开发

董菁  吴玖  编译

除了广泛应用奥氏体钢之外，泵工业在很多地方使用双相不锈钢，用来满足离心泵这样的特有载荷，即腐蚀、风化、磨损、缩孔的需要以及与摩擦载荷有关的例如像机械、热和动态因素这样的机械工程的传统零件的需要。在工业上和工艺装备中，特别是在环境工程中，双相不锈钢的需求日益增长，对双相不锈钢的磨损、腐蚀性能以及由于寿命周期成本引起的设备零件的服务寿命问题使得一批新的经久耐用的双相不锈钢得到了开发。

本文介绍了1.4475耐磨耐腐蚀双相不锈钢GX150CrNiMoCuN41-6-2中应用的合金化技术，同时介绍了合金元素对力学性能以及腐蚀和磨损性能的影响，还通过试验证明了合金成分对改善铸造性能具有显著的影响。

1、合金化技术

普通铬铸铁由于其碳化物含量高，具有高耐磨性，因此，特别适合在高速流体磨损腐蚀介质下使用。

然而，即使在轻微腐蚀的情况下，其耐腐蚀性也很有限。相比之下，固溶退火的双相不锈钢具有高耐腐蚀性，但耐磨性常常不够好。提高双相不锈钢耐磨性的一种方法是析出硬的耐磨相。

在当前技术下，进一步提高双相不锈钢耐磨性能的惟一方法是应用合金化技术，它可以导致硬化相的形成。例如，以碳化物、氮化物、氧化物和硼化物为基础。而后者主要是用于表面硬化，碳化物特别适合体积硬化，碳化物形成不仅可以通过加入铬，还可以加入特殊的钛、钒、铌碳化物形成元素，其中钛的使用很有限，这是由于熔炼时钛与氧的亲和力很强。我们对铬、钒、铌碳化物形成元素，其中钛的使用很有限，这是由于熔炼时钛与氧的亲和力很强。我们对铬、钒、铌碳化物形成元素的碳化物结构以及它们对耐腐蚀双相不锈钢的耐腐蚀、耐磨、铸造性能的影响进行了分析。

2、耐磨耐腐蚀双相不锈钢的性能

为了评估腐蚀、磨损和铸造性能，熔炼了以下几种试验钢（见表1）。在确定合金成分时，添加的碳化物形成元素的理想加入量非常重要。目的是避免出现贫铬区以及要有足够高的含碳量来保证生成能降低磨损的足够数量的碳化物。

2.1 腐蚀

试验钢的耐腐蚀性能是借助于全浸试验和电化学试验检测的，并和表1列出的双相不锈钢相比较。试验介质使用0.1n和0.3n盐酸和烟气脱硫（FGD）溶液（由于FGD装置是耐腐蚀耐磨双相不锈钢的主要用途）。表2给出了全浸试验的结果。试验结果表明固溶退火的双相不锈钢1.4593在所有试验介质下都耐腐蚀（与所用碳化物形成元素的种类无关）。在所有介质条件下，腐蚀速率都在0.1mm/a以下。在扫描电镜下，对腐蚀试样断面进行的显微检查表明试样表面没有出现选择腐蚀，相比之下，在所有试验介质中，1.4464沿着铬碳化物，即在贫铬区出现了选择腐蚀。在0.3n盐酸中的电化学测试的极化曲线表明所研究合金的腐蚀行为特征。固溶退火双相钢1.4593的极化曲线几乎没有活化的峰值和范围很宽的钝化区，而含碳化物的1.4464双相钢在通常的试验条件下，由于贫铬，几乎没有显出钝化而是活化腐蚀。相比之下，含钒、铌和高铬试验钢显示的极化曲线特性同高耐腐蚀双相钢1.4593的极化曲线十分相似。这些材料在通常试验条件下的自腐蚀电位处于钝化区内。耐磨双相不锈钢的比较说明高铬改型（派生）钢种GX150CrNiMoCuN41-6-2获得的耐腐蚀性能最好。

表1  试验钢的主要合金成分/%

表2  不同测试溶液、温度60℃、120h的线腐蚀速率/mm?a^-1

2.2 磨损

为了确定表1所列合金的耐磨性能，在磨损试验回路中进行了试验，在这个特定的泵试验装置中，镶嵌在缓慢旋转的圆盘上的试样全浸在特定的有悬浮物的流体中。影响流体研磨性能的主要参数即流速、冲击角度、微粒尺寸和固体颗粒浓度都可以独立变化。引入一种和磨损速率有关的能量能使以不同试验参数获得的结果直接地进行比较，试验是在用二氧化硅/水悬浮，流速15、20、25m/s和冲击角15°、45°和90°的流速条件下完成的。中等粒度（23μm）的二氧化硅粉末与在烟道废气脱硫装置中使用的石灰粉末粒度类似。磨损分析表明，1.4464中碳化物含量低到接近占材料体积的10%已不足以使基体有效地防止磨损。然而，这种材料表明，同固溶退火低碳双相钢1.4593相比，在耐磨性能方面相对有稍许改进。曲线表明这两种材料的磨损增加和能量输入增加不成比例，也就是在流速增加时不成比例。

高碳化物与碳化物含量占体积25%-30%的双相钢的磨损速率相比，各自清楚地表明形成碳化物的组织对合金的耐磨性能有显著的影响。钒和高铬合金材料的显微组织显得致密、精细、呈网状共晶碳化物分布，而作为合金相分的铌由于其与碳的亲和力很高，在熔炼过程已形成铌的一次碳化物，由于偏析在显微组织中分布不均匀，因此，大量耐磨性很差的碳化物游离区（无碳化区）附近存在碳化物密集区。所以高铬材料GX150CrNiMoCuN41-6-2具有最低的磨损速率以及受二氧化硅粉末/水悬浮的流速影响最小。由于显微组织的原因，含钒合金GX150CrVNiMo26-8-8的耐磨性能和高铬合金的耐磨性能相同。

表3  标准磨损速率（二氧化硅/水悬浮，流速25m/s，冲击角度°，粒度=23μm）

表3表示了高铬碳化物GX150CrNiMoCuN41-6-2，在流速为25m/s和冲击角度为45°试验的标准磨损速率。从表3中可以看到，高铬碳化物双相不锈钢GX150CrNiMoCuN41-6-2的磨损速率相当于固溶双相不锈钢1.4593的16.7%。当铌作为碳化物形成元素加入时这种效果会明显地减少，在这种情况下，磨损速率相当于1.4593钢的41.7%。除了铬碳化物之外，含有铌碳化物的奥氏体碳化物合金有可能提高耐磨性能，相当于1.4464的磨损速率的一半，这些合金的磨损特性与含铌金GX150CrNbNiMo26-12-8同属一个数量级。

2.3 铸造性能

在使用铬、钒作为碳化物形成元素的基础上，从凝固和收缩性能的角度以及流动性的铸模填充能力的方面出发，对耐磨耐腐蚀双相合金的铸造性能进行研究，并和1.4593低碳双相不锈钢进行比较。淬火试样的分析表明，使用铬作为碳化物形成元素的合金GX150CrNiMoCuN41-6-2和1.4593双相不锈钢都在粗糙毛坯外部先凝固，即形成外部枝状晶。枝状晶随着铸件从表面向中心交互生长，在凝固过程中生成稳定的壳。接近60%的凝固时间之后，完成壳的形成。内部则呈现熔化的糊状层凝固，形成大量均匀晶粒。相反，含钒合金GX105CrVNiMo26-8-8在内部先进行凝固，形成许多细的弥散晶粒。由于钒的晶粒细化影响，这些晶粒仅仅在整个凝固时间的20%之后形成，包括整个试样的横断面，形成糊状层结晶。试验钢GX150CrNiMoCuN41-6-2和GX150CrVNiMo26-8-8的凝固行为显著地不同，对其收缩性、流动性和铸模填充能力有明显的影响。收缩试样的分析表明，含钒合金的收缩性和高铬合金的收缩性明显不同，由于从内部凝固，GX150CrVNiMo26-8-8合金显现出较小的肉眼GX150CrVNiMo26-8-8合金显现出较小的肉眼可见缩孔和一些较严重的内部缩松，使其补缩效果远不如高铬合金，出现了相当大的体积缩减。流动螺旋用来比较试验钢的流动性和铸模填充能力。结果说明，含钒合金的流动性和铸模填充能力远不如高铬材料。钒的高氧化亲和力在熔炼时引起了熔化金属很大的表面张力和无用的氧化物壳，这些氧化物壳在流动螺旋上产生了圆边。此外，由于明显的糊状层结晶使得表面螺旋折叠，缺乏稳定的表面层，使得铸模填充能力不足。

3、结论

所获得的试验结果表明，高铬碳化物双相不锈钢GX150CrNiMoCuN41-6-2在耐腐蚀、耐磨损和铸造性能这几个方面性能最好。1.4475的显微组织具有三相结构的特征，由铁素体-奥氏体基体和具有致密的网状结构占体积25%-30%的铬碳化物组成。

4、实际应用结果

耐磨耐腐蚀材料在烟气脱硫装置（FGD）中非常重要。这些装置在有酸、氯化物、洗涤悬浮物和高含量固体颗粒的环境下使用。在FGD装置的许多应用场合，使用沉淀硬化双相不锈钢Noridur DAS，由于材料在低磨损区内获得极好的使用寿命。特别是在苛刻条件下使用高铬碳化物双相不锈钢1.4475(Noricrom)。在Niederauβem发电厂取得的经验表明了这种材料的优越性。在这个电厂，固体颗粒含量高达25%。pH值≥4，最大氯化物含量5.5%，在Steinmüller工艺中处理石灰石悬浮物，安装了急需的再循环过滤泵和辅助泵KWP K 660-823和KWP K 125-400。在这种应用中用1.4475制造的叶轮比用沉淀硬化双相不锈钢Noridur DAS材料的叶轮使用寿命要长得多。在用1.4475制造的排气罩、叶轮盖也可获得类似的结果。