合金元素及熱處理工藝對ZG40Cr25Ni20耐熱鋼組織和性能影響

孫榮敏 林澎 陸榮幸 馮樹強

1.柳州工學院機械工程學院 廣西柳州 545000； 2.柳州市金百匯激光技術(shù)有限責任公司 廣西柳州 545003

中圖分類號：TG113.1；TG174.4文獻標識碼：A

奧氏體型耐熱鋼，它是以鐵為基，以鉻、鎳、錳等為主要合金化元素，室溫下基體組織為奧氏體的鋼種，產(chǎn)量占不銹鋼總產(chǎn)量的50%～60%，由于產(chǎn)品長期在高溫、高壓、腐蝕性氣體或液體環(huán)境中服役，為了保證產(chǎn)品的服役壽命和安全運行，對材質(zhì)除了強度和塑性的要求外，耐高溫、耐腐蝕性能尤為重要。ZG40Cr25Ni20耐熱鋼是奧氏體型耐熱鋼的主要組成部分，近些年來，它以其相對良好的高溫力學性能及明顯的成本優(yōu)勢，在航空、航天、石油化工、冶金礦山、熱核反應(yīng)堆、大功率發(fā)電廠機組等行業(yè)和領(lǐng)域中的使用比例逐年遞增。目前的研究表明，對于提高此類奧氏體不銹鋼的高溫使用壽命的途徑，可以通過添加不同的合金成分和采取合理的熱處理工藝方式來實現(xiàn)。

1 ZG40Cr25Ni20耐熱鋼的失效機理與研究進展

ZG40Cr25Ni20耐熱鋼是一種性能優(yōu)異的高溫合金，它常常被用在既要高溫抗氧化，又要抗磨損的環(huán)境中，又由于其多在持續(xù)燃燒的工作環(huán)境中，使它高溫失效的情況時有發(fā)生。疲勞開裂是奧氏體耐熱鋼主要失效形式之一。金屬疲勞斷裂的眾多研究都表明，應(yīng)力或應(yīng)變集中是斷裂發(fā)生的主要原因，表現(xiàn)為材料的疲勞破壞和蠕變破壞。

材料的疲勞一般是由于材料局部發(fā)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生塑性變形，表現(xiàn)為由表及里的穿晶裂紋。蠕變破壞的發(fā)生一般是在高溫狀態(tài)下某一溫度時，材料承受應(yīng)力低于其屈服極限后，它會以緩慢的速度發(fā)生塑性變形，主要是由材料內(nèi)部孔洞在晶界形核長大引起，最終產(chǎn)生沿晶裂紋。沈保羅[1]以貴陽某水泥廠的活動篦板為研究對象，證實熱疲勞開裂是其溫度波動造成的，服役溫度越高，溫度波動越大，熱應(yīng)力也越大，當碳化物在晶界上以網(wǎng)狀形式分布時，不但使奧氏體中的碳和合金元素含量降低、合金組織熱穩(wěn)定性降低，而且使晶界脆性增加，導致材料的脆性增大，就更容易產(chǎn)生裂紋；馬小明等[2]對ZG40Cr25Ni20篦板進行掃描電鏡、金相、化學成分分析發(fā)現(xiàn)，當環(huán)境溫度高于750℃時，鑄態(tài)下的基體奧氏體晶界處有連續(xù)網(wǎng)狀的碳化物析出，這些碳化物不但極大地降低了篦板的抗氧化性和塑性，而且更易于萌生裂紋；當溫度上升到1000℃左右，共晶碳化物分解成游離的石墨分布在局部晶界處，由于石墨的強度很低，相當于在基體上形成孔洞，孔洞給微裂紋擴展創(chuàng)造了更有利的條件；梁偉成等[3]通過高溫顯微鏡原位觀察等實驗手段發(fā)現(xiàn)ZG40Cr25Ni20耐熱鋼中碳化物的溶解溫度為1030～1250℃，因此ZG40Cr25Ni20耐熱鋼發(fā)熱管的使用溫度盡可能保持在溫度1030℃以下，防止析出物的長大及溶解產(chǎn)生孔洞和微裂紋，引起構(gòu)件失效。張炎等[4]進一步研究表明，蠕變是否對材料形成最終破壞取決于碳化物的穩(wěn)定性，當沉淀型奧氏體耐熱鋼在高溫下長期工作時，耐熱鋼中沉淀的第二相碳化物易粗化、聚結(jié)，強化作用減弱，得到的組織不夠穩(wěn)定，當碳化物呈塊狀、網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)堆積分布時，是一種脆性相，將降低材料的性能，更容易發(fā)生材料失效，大連理工大學的許軍等[5]以服役兩年的25Cr35Ni型耐熱鋼為研究對象也證實了這一結(jié)論，研究發(fā)現(xiàn)服役后的材料性能惡化是由于材料晶界處的第二相出現(xiàn)網(wǎng)鏈狀，奧氏體基體碳化物粗化。由此可見，蠕變破壞是ZG40Cr25Ni20高溫合金發(fā)生失效的最主要原因之一，如果疲勞裂紋和析出碳化物石墨化同時產(chǎn)生，情況會更糟糕，二者相互促進，使構(gòu)件提前失效，使用壽命更短。

2 合金元素對ZG40Cr25Ni20耐熱鋼組織和性能的影響

為了迎合不同的環(huán)境和使用要求，人們在ZG40Cr25 Ni20耐熱鋼中添加不同的合金元素來達到使用目的。ZG40Cr25Ni20耐熱鋼是以Cr為主要合金元素，同時也可以復合添加Al、Si、W、Ti、Mo、Ni、Nb、Mn、V、Co等合金元素，它們可以增強奧氏體耐熱鋼在高溫服役過程中的組織穩(wěn)定性，提高材料使用壽命，更多的研究者通過優(yōu)化材料中合金成分和含量配比的方式來達到特殊的使用需求。

研究表明，Cr是鋼的高溫耐蝕性、抗氧化的關(guān)鍵性合金元素，除此之外，它不僅能固溶于基體中起到固溶強化的作用，還能形成沉淀型碳化物，起到沉淀強化的作用。畢繼鑫進一步研究表明[6]，奧氏體耐熱鋼要在1100℃以下抗氧化，需要添加以鉻元素為主，硅、鋁為輔的合金元素，并且隨著硅、鋁元素的添加量增多，鋼的抗氧化性能會越好，但加入太多的量后，鋼的力學性能和工藝性會變差；為了改善力學性能變差，楊洋等[7]在奧氏體鋼中添加Nb元素，一方面它能使奧氏體組織的晶粒細化，且細化程度取決于Nb含量，但當鈮含量達到1.5%時，組織中各類碳化物出現(xiàn)長大粘連的現(xiàn)象，塑性就開始變差，另外當溫度在1000℃和1200℃時，隨著Nb含量的增加和溫度繼續(xù)升高，耐熱鋼的抗氧化性能也急劇下降；劉銳卓[8]也發(fā)現(xiàn)當Al含量增加到5.34%時，材料很難發(fā)生加工硬化且抗蠕變性能急劇下降；北京科技大學的周德強[9]調(diào)整Nb/C比至7.7～10時，在1023K溫度時也能析出大量的納米NbC相，從而大幅度提高其高溫耐蠕變性能；張炎等[10]通過實驗詳細研究了合金元素添加量對材料力學性能的影響，得到最佳的鋁添加量為4.75%左右，此時材料抗氧化組織由最初的Fe抗氧化層和中間的細小尖晶石結(jié)構(gòu)B2-NiAl抗氧化層及內(nèi)層的Cr2O3抗氧化層的多層結(jié)構(gòu)統(tǒng)一轉(zhuǎn)變成單一致密的Al2O3氧化膜結(jié)構(gòu)，材料的高溫抗氧化性顯著提高；莊晟逸[11]對抗氧化性的機理進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)同時添加Mo、Nb、Mn、Al合金元素可以固溶于α-Cr2O3中形成的復合氧化物具有比α-Cr2O3更高的穩(wěn)定性，且在200～1000K范圍內(nèi)，隨溫度的增加Fe、Mo、Nb、Ni、Mn、Al、Si形成的復合氧化物穩(wěn)定性高于α-Cr2O3，尤其是Ni和Si形成的復合物，高溫時更為穩(wěn)定；王帥等[12]通過實驗在考慮抗氧化的組成、高溫下的氧化速率、氧化物的抗脫落性三種影響因素下發(fā)現(xiàn)，稀土元素也對材料的高溫抗氧化性有重要影響，其中含Y鋼抗氧化性最佳，含Ce鋼次之。韓成府等[13]在Al元素的基礎(chǔ)上又添加了Ti、W，當Al、Ti和W的含量分別為5.02%、0.61%和0.63%時，材料達到了完全抗氧化級別，耐磨性也比不添加合金元素的提高一倍，硬度隨著合金含量的增加也呈增大的趨勢，研究中還發(fā)現(xiàn)，Al與Ni易形成高硬度的Ni3Al相；Ti和W與C也易形成穩(wěn)定性高的TiC、WC碳化物微粒，使Cr不易形成Cr7C3型碳化物，而MC型碳化物的硬度遠高于M7C3型碳化物，并且這些硬度較高的MC型碳化物彌散分布在晶內(nèi)和晶界上與Ni3Al硬質(zhì)相共同作用，提高了材料的硬度。一般來說，硬度越高耐磨性就越好，由此可見，添加合金元素Ti、W有利于提高材料的耐磨性，文獻[14，17]也證實了這一結(jié)論。但張銀輝[15]研究發(fā)現(xiàn)，如果同時添加Mo、W時，雖然會顯著促進(Cr，F(xiàn)e)7C3、(Cr，F(xiàn)e)23C6、(Cr，F(xiàn)e)2(C，N)和χ相等富Cr相析出，但在1000℃高溫下，這些富Cr相會顯著粗化，也會降低合金的蠕變壽命；王蘭[16]在奧氏體耐熱鋼中同時添加W、Co元素，發(fā)現(xiàn)Co元素使基體組織的析出相的數(shù)量減少，W元素雖然能增加析出相的數(shù)量，但卻能使晶粒細化，當添加量合適時材料的抗拉強度和屈服強度可顯著改善；張立生[17]詳細研究了Ti含量對ZG40Cr25Ni20硬度的影響，證實一定量的Ti，也可使其基體組織得到細化，Ti含量為0.15wt%時，組織為細化效果最好的樹枝晶，當Ti含量1.5wt%時，硬度可達最大值。

綜上所述，除了主合金元素Cr是抗氧化和抗腐蝕外，Al、Mo、Co、W、Nb合金元素主要是通過晶粒細化來提高材料的力學性能，而Ti、Ni主要是形成硬質(zhì)合金相來提升硬度和高溫耐磨性。ZG40Cr25Ni20耐熱鋼很多情況下是通過復合添加多種合金元素來提升其整體使用性能，因為在鋼鐵材料的各種強化機制中，晶粒尺寸細化到一定程度時，強化效果很難再提升；固溶強化提高強度但效率便低；位錯、相變強化提高強度明顯，但對鋼材塑性、韌性損害較大；沉淀強化雖對塑性的損害較小，但沉淀量的增加有限且機理復雜，操控難度大。文獻[18]研究后認為，Ti-V-Mo是在奧氏體耐熱鋼中最佳微合金體系，可以得到最大沉淀量。由此可見，復合微合金化及其含量配比特別是高溫(超1000℃以上)下材料的變形機制仍是今后研究的熱點和重點方向。

3 熱處理方式對ZG40Cr25Ni20耐熱鋼組織和性能的影響

眾所周知，熱處理是材料改性的重要手段，適當?shù)臒崽幚硎侄慰梢詷O大提升材料的綜合性能，擴大材料的使用領(lǐng)域。早期對ZG40Cr25Ni20耐熱鋼主要是淬火處理，賈培剛[19]研究后認為回火溫度對性能的影響較大，隨回火溫度的升高，力學性能呈下降趨勢且析出的碳化物呈積聚粒狀。通過對ZG40Cr25Ni20耐熱鋼在高溫下失效機理研究，鑄態(tài)下的基體組織使用前應(yīng)該做固溶處理或者其他熱處理，消除網(wǎng)狀碳化物帶來的不利影響；孫曉霞[20]對ZG40Cr25Ni20某型號燃氣舵安裝殼，溫度1080℃，保溫時長90min，固溶處理后其抗拉強度比常溫和900℃高溫分別提高11%和14%，高溫下伸長率提高14%；楊亞杰[21]研究后認為，固溶處理是改善ZG40Cr25Ni20耐熱鋼晶間腐蝕最為重要的熱處理方式，但固溶溫度過高或過長會影響鈍化膜的形成速度，特別是過飽和的碳與鉻元素結(jié)合使基體“貧”鉻，會降低晶間的鈍化能力；岳增武等[22]研究發(fā)現(xiàn)，噴丸處理可以為Cr提供了額外的擴散驅(qū)動力，誘發(fā)基體產(chǎn)生馬氏體相變，馬氏體彌散分布于奧氏體中，提供了更多的晶界和相界，加快Cr的擴散，能夠保證富Cr氧化層的穩(wěn)態(tài)生長；張弘等[23]在不同溫度下固溶處理發(fā)現(xiàn)，細小、均勻可溶于基體組織的晶粒和第二強化相對材料的抗拉強度提升有利但會降低硬度。郝紅元等[24]研究認為，復合添加Cr、Ni、W、Mo等合金元素的奧氏體耐熱鋼的最佳處理工藝為1160℃×2h(水冷)固溶+760℃×5h(空冷)時效，可獲得彌散分布的M6C、Laves相、M23C6、M2C、σ相等，具有很好的熱強性、熱穩(wěn)定性和抗氧化性。

綜上可知，熱處理工藝特別是溫度對處理的效果影響較大，要想獲得好的性能，需要控制處理后的組織，特別是沉淀型碳化物的形態(tài)、數(shù)量、大小對其使用性能起著決定性作用。激光表面改性技術(shù)與傳統(tǒng)熱處理工藝相比具有綠色、環(huán)保、清潔、無污染，過冷度大的特性，劉副廣等[25]、劉立君等[26]已經(jīng)將激光熔覆技術(shù)用于高溫耐熱鋼的修復強化，并取得了一定的成果。由此可見，激光表面改性技術(shù)具有廣闊的市場前景，但因其工藝的不可移植性，值得更多研究者對其深入研究。

4 ZG40Cr25Ni20耐熱鋼發(fā)展前景展望

隨著全球氣候變暖越演越烈，為了應(yīng)對碳排放量增多問題，ZG40Cr25Ni20等奧氏體型耐熱鋼必然將會面對更大的挑戰(zhàn)和更嚴苛的使用環(huán)境，相信隨著材料工作者對ZG40Cr25Ni20等奧氏體型耐熱鋼性能的深入研究，特別是多種合金元素添加后在高溫下相互作用的機理研究，ZG40Cr25Ni20等奧氏體型耐熱鋼將為現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展提供更好的零部件原材料，助力現(xiàn)代工業(yè)向更高的水平攀登。