稀土不銹鋼合金材料研制與性能測(cè)試及其應(yīng)用

沈 峰　封余賢　黃景明　侯向華　王勁松 卓志昊 陳 瑜 鐘永麗 藍(lán)麗紅

稀土不銹鋼合金材料研制與性能測(cè)試及其應(yīng)用

沈 峰1封余賢2黃景明3侯向華2王勁松1卓志昊3陳 瑜2鐘永麗2藍(lán)麗紅2

（1.柳州酸王泵制造股份有限公司，廣西 柳州 545006；2.廣西產(chǎn)研院新型功能材料研究所有限公司，廣西 南寧 530200；3.廣西壯族自治區(qū)科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，廣西 南寧 530022）

稀土不銹鋼合金材料是鋼鐵、環(huán)保、電力、冶煉、化工、造紙等多個(gè)行業(yè)技術(shù)設(shè)備急需的耐腐耐磨材料，需求量大，使用壽命長(zhǎng)。過(guò)流部件是離心泵重要的組成部分，其質(zhì)量決定了離心泵的使用性能和壽命。使用鑄鐵、304和316L不銹鋼等材料制造的離心泵過(guò)流部件使用壽命僅有短短的2～3個(gè)月，國(guó)外耐腐耐磨離心泵核心過(guò)流部件壽命一般能達(dá)到1年以上。基于此，開(kāi)展了新型稀土不銹鋼合金材料研制，對(duì)研制的稀土不銹鋼合金材料耐腐、耐磨損、機(jī)械性能等進(jìn)行了測(cè)試，并用于離心泵過(guò)流部件的制造。

稀土；不銹鋼；合金材料；研制；性能測(cè)試

引言

耐腐耐磨離心泵是鋼鐵、環(huán)保、電力、冶煉、化工、造紙等行業(yè)中腐蝕性液體工作介質(zhì)輸送的關(guān)鍵設(shè)備[1-4]，過(guò)流部件是離心泵重要的組成部分，其質(zhì)量決定了離心泵的使用性能和壽命。目前，我國(guó)離心泵行業(yè)使用的離心泵過(guò)流部件材料品種多達(dá)上百種，大部分企業(yè)缺乏耐腐耐磨材料研發(fā)能力，普遍使用鑄鐵、304和316L不銹鋼等材料作為制造離心泵的過(guò)流部件[5]，加上缺乏對(duì)腐蝕性液體工作介質(zhì)深入研究，未能掌握各種腐蝕性液體工作介質(zhì)的腐蝕特性和磨損之間的差異和特征，導(dǎo)致離心泵過(guò)流部件過(guò)早出現(xiàn)漏漿和磨穿等損壞現(xiàn)象，使離心泵產(chǎn)品使用壽命僅有短短的2～3個(gè)月，應(yīng)用企業(yè)不得不過(guò)早進(jìn)入維修階段，給腐蝕性液體輸送帶來(lái)很大的困擾和影響，由此直接和間接地造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失，降低了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

國(guó)外耐腐耐磨離心泵核心過(guò)流部件壽命一般能達(dá)到1年以上。原因是國(guó)外生產(chǎn)企業(yè)通常對(duì)用戶的使用工況介質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，按照工況實(shí)際情況確定耐腐耐磨材料的種類，根據(jù)工況的揚(yáng)程、砂液比重等設(shè)計(jì)離心泵的葉輪和泵體等。國(guó)外企業(yè)在合金材料選用和性能設(shè)計(jì)方面的針對(duì)性很強(qiáng)，產(chǎn)品使用效果好。我國(guó)耐腐耐磨離心泵產(chǎn)品在可靠性、使用壽命等方面與國(guó)外產(chǎn)品存在著較大差距，技術(shù)差距是制約我國(guó)耐腐耐磨離心泵產(chǎn)品發(fā)展的一個(gè)瓶頸。

稀土不銹鋼合金材料是鋼鐵、電力、化工、冶煉等多個(gè)行業(yè)技術(shù)設(shè)備急需的耐腐耐磨材料，需求量大，使用壽命長(zhǎng)[6-10]。過(guò)流部件的材料質(zhì)量一直是困擾耐腐耐磨離心泵行業(yè)多年的難題?；诖?，開(kāi)展了新型稀土不銹鋼合金材料研制，對(duì)研制的稀土不銹鋼合金材料耐腐、耐磨、機(jī)械性能等進(jìn)行了測(cè)試，并用于離心泵過(guò)流部件的制造。

1　稀土不銹鋼合金材料研制

1.1　工作介質(zhì)樣本的建立

稀土不銹鋼合金材料的研制緊密結(jié)合客戶實(shí)際應(yīng)用需要。研發(fā)小組前期廣泛開(kāi)展了客戶工作介質(zhì)收集、取樣、化驗(yàn)及分析研究工作，初步建立了工作介質(zhì)化學(xué)物理數(shù)據(jù)庫(kù)。

1#工作介質(zhì)：（1）CaSO4·2H2O（20～100 ）g/kg，CaCO3（3～20）g/kg，MgCO3（5～20）g/kg，雜質(zhì)（3～15）g/kg；（2）工作溫度（45～55）℃；（3）pH值4～8；（4）密度（1 000～1 300）kg/m3；（5）含固量5%～25%；（6）Cl-（40 000～50 000）mg/L。

2#工作介質(zhì)：（1）硫酸銨（50～400）g/kg，亞硫酸銨（50～300）g/kg；（2）工作溫度（30～60）℃；（3）pH值4～7.5；（4）密度（1 000～1 400）kg/m3；（5）含固量5%～25%；（6）Cl-（5 000～50 000）mg/L。

3#工作介質(zhì)：（1）H2SO4（100～150）g/L，Cl-（10～50）g/L；（2）工作溫度（30～70）℃；（3）pH值3.5～6.0；（4）密度（1 050～1 500）kg/m3；（5）含固量＜30%。

4#工作介質(zhì)：（1）硫酸鋅礦漿，含硫酸（10～70）g/L；（2）工作溫度（60～80）℃；（3）pH值3.0～6.0；（4）密度（1 300～1 650）kg/m3；（5）含固量＜25%；（6）Cl-（45 000～50 000）mg/L。

5#工作介質(zhì)：Cl-、SO42-含量較多，少量F-離子；含固量20%～40%；工作溫度（50～85）℃。

1.2　稀土不銹鋼合金材料研制配方設(shè)計(jì)研究

基于前期的基礎(chǔ)研究與工作介質(zhì)的建立，開(kāi)展了稀土不銹鋼合金材料研制配方設(shè)計(jì)研究，建立了1#稀土不銹鋼合金材料配方、2#稀土不銹鋼合金材料配方、3#稀土不銹鋼合金材料配方、4#稀土不銹鋼合金材料配方、5#稀土不銹鋼合金材料配方，詳見(jiàn)表1至表5。

表1　1#稀土不銹鋼合金材料配方

化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% C≤0.035Mn≤2.50S≤0.03Cr14.00～19.50Ce≤0.25 Si≤1.80P≤0.050Ni8.00～15.00Mo1.50～4.00Fe其余

表2　2#稀土不銹鋼合金材料配方

化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% C≤0.035Mn≤2.00S≤0.03Cr19～25N0.08～0.20Fe其余 Si≤1.50P≤0.050Ni4.5～6.5Mo2.0～3.7Ce≤0.30

表3　3#稀土不銹鋼合金材料配方

化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% C≤0.035Mn≤1.20S≤0.030Cr23.0～27.0Cu≤0.50Ce≤0.32 Si≤1.20P≤0.050Ni5.0～8.0Mo3.0～5.0N0.24～0.32Fe其余

表4　4#稀土不銹鋼合金材料配方

化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% C≤0.010P≤0.05Cr14.5～16.05V0.38Fe其余 Si≤0.08S≤0.03Mo15.0～17.0W3.00～4.50 Mn≤1.0Ni≤61.6Fe4.0～7.0Co≤0.08

表5　5#稀土不銹鋼合金材料配方

化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% C≤0.050Mn≤1.5Cr22.0～25.5Cu1.25～4.0Ce≤0.26 Si≤1.20Ni4.0～8.0Mo1.50～3.10N0.1～0.15Fe其余

根據(jù)上述1#配方至5#配方進(jìn)行熔煉、鑄造、熱處理等多道工序研制出多種稀土不銹鋼鑄件材料，對(duì)研制出的稀土不銹鋼鑄件材料進(jìn)行性能測(cè)試。

2　稀土不銹鋼鑄件材料性能測(cè)試

2.1　稀土不銹鋼鑄件材料金相組織分析

采用金相顯微鏡分別對(duì)1#配方至5#配方研制的稀土不銹鋼鑄件材料進(jìn)行金相組織檢查。

2.1.11#稀土不銹鋼合金金相組織

對(duì)在1 100℃溫度下進(jìn)行固溶熱處理后的不銹鋼合金鑄件取樣，進(jìn)行金相組織檢查，奧氏體比例為57%，如圖1所示。從圖1可知，經(jīng)過(guò)1 100℃溫度下進(jìn)行固溶熱處理后，金相組織致密，孔隙少，無(wú)夾雜物，顆粒大小分布較均勻。

圖1　1# 稀土不銹鋼合金金相組織

2.1.22#稀土不銹鋼合金金相組織

對(duì)在1 090℃溫度下進(jìn)行固溶熱處理后的不銹鋼合金鑄件取樣，進(jìn)行金相組織檢查，奧氏體比例為55%，如圖2所示。從圖2可知，經(jīng)過(guò)1 090℃溫度下進(jìn)行固溶熱處理后，金相組織呈類枝晶狀特征。

圖2　2# 稀土不銹鋼合金金相組織

2.1.33#稀土不銹鋼合金金相組織

對(duì)在1 100℃溫度下進(jìn)行固溶熱處理后的不銹鋼合金鑄件取樣，進(jìn)行金相組織檢查，奧氏體比例為53%，如圖3所示。從圖3可知，經(jīng)過(guò)1 100℃溫度下進(jìn)行固溶熱處理后，金相組織枝晶特征突出，枝晶間距較大。

圖3　3# 稀土不銹鋼合金金相組織

2.1.44#稀土不銹鋼合金金相組織

對(duì)在1 100℃溫度下進(jìn)行固溶熱處理后的不銹鋼合金鑄件取樣，進(jìn)行金相組織檢查，奧氏體比例為90%，如4所示。從圖4可知，經(jīng)過(guò)1 100℃溫度下進(jìn)行固溶熱處理后，金相組織出現(xiàn)方向各異的晶粒取向分布，存在板條狀形貌的晶粒。

圖4　4# 稀土不銹鋼合金金相組織

2.1.55#稀土不銹鋼合金金相組織

對(duì)在（800～950）℃溫度下進(jìn)行退火處理后的不銹鋼合金鑄件取樣，進(jìn)行金相組織檢查，鐵素體和碳化物的比例為47%，如圖5所示。從圖5可知，5#稀土不銹鋼合金金相組織為奧氏體+鐵素體+粒狀共晶碳化物。5#稀土不銹鋼合金腐蝕的形式是晶界腐蝕和小孔腐蝕。

圖5　5# 稀土不銹鋼合金金相組織

2.2　稀土不銹鋼鑄件材料靜態(tài)腐蝕中金相組織分析

按照ISO 3651—1:1998不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法，將耐腐耐磨離心泵應(yīng)用工程的工作介質(zhì)的腐蝕性提高10%～30%，對(duì)不銹鋼材料進(jìn)行2個(gè)月的靜態(tài)腐蝕性試驗(yàn)，對(duì)比金相組織可以檢查鑄造質(zhì)量對(duì)耐腐蝕性的影響。

對(duì)靜態(tài)腐蝕性試驗(yàn)后的試件進(jìn)行金相檢查，發(fā)現(xiàn)除了試件表面的腐蝕外，在金相中顯示的深度腐蝕主要發(fā)生在存在裂紋、夾雜、疏松等地方，如圖6、圖7、圖8所示。由圖6可知，靜態(tài)腐蝕性試驗(yàn)后的金相組織出現(xiàn)了細(xì)微裂紋，細(xì)微裂紋呈河流狀擴(kuò)展。由圖7可知，靜態(tài)腐蝕性試驗(yàn)后的金相組織出現(xiàn)了大面積聚集的非金屬氧化物夾雜。由圖8可知，靜態(tài)腐蝕性試驗(yàn)后的金相組織σ相在沿晶界連續(xù)析出并呈現(xiàn)球化趨勢(shì)。

圖6　裂紋

圖7　夾雜

圖8　5%的σ相析出

試驗(yàn)反映了1#、2#、3#、4#等雙相不銹鋼中的Cr、Ni、Mo、Cu等合金元素可以發(fā)生組合作用，在金屬表面形成致密抗氧化膜，從而提高了材料耐腐蝕性能。

5#試件表面有全面的、較深的腐蝕坑，主要原因是材料組織中存在的碳化物耐腐蝕性差，基體與碳化物間存在的電位差引起相界腐蝕。5#試件比1#、2#、3#、4#試件的腐蝕表面嚴(yán)重。1#、2#、3#、4#試件腐蝕的主要形式是小孔腐蝕，致密抗氧化膜是雙相不銹鋼材料表面耐化學(xué)浸泡腐蝕性能優(yōu)越的主要原因。

2.3　稀土不銹鋼鑄件材料腐蝕磨損性動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，由于工作介質(zhì)不斷沖刷過(guò)不銹鋼合金材料的表面，具備磨損性，因此所產(chǎn)生的金屬表面的鈍化現(xiàn)象比靜態(tài)腐蝕性試驗(yàn)中產(chǎn)生的要弱很多，而且靜態(tài)腐蝕性試驗(yàn)不能模擬磨損性試驗(yàn)。本文選擇了典型客戶應(yīng)用項(xiàng)目來(lái)進(jìn)行不銹鋼合金材料的腐蝕磨損性動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

以1#稀土不銹鋼材料為過(guò)流部件的離心泵作為材料試驗(yàn)載體，工作介質(zhì)為Cl-9 000 mg/L，pH值為4.0，密度為1 400 kg/m3。

在某客戶處進(jìn)行動(dòng)態(tài)腐蝕磨損性試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)3個(gè)月。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各過(guò)流零部件完好，腐蝕磨損量少，試驗(yàn)后的離心泵零件如圖9所示。過(guò)流部件材質(zhì)滿足現(xiàn)場(chǎng)使用工況要求，年腐蝕磨損量測(cè)算為0.2/106*300=0.566（mm），泵使用壽命（主要過(guò)流部件表面腐蝕磨損量達(dá)到2 mm時(shí)達(dá)到壽命期）：2 mm/0.566 mm=3.533 5（年）。

圖9　試驗(yàn)后的離心泵過(guò)流部件

2.4　稀土不銹鋼鑄件材料機(jī)械性能、晶粒度、非金屬夾雜物

按照1#至5#配方研制的稀土不銹鋼鑄件材料經(jīng)柳州市質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)研究中心權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到（260-917）MPa，內(nèi)部晶粒等級(jí)≤12.0級(jí)（500×），內(nèi)部組織A、B、C、D、DS各類夾雜物均小于1.5i（級(jí)），符合柳州酸王泵制造股份有限公司企業(yè)技術(shù)指標(biāo)要求。

3　結(jié)論

研制的1#至5#稀土不銹鋼合金材料通過(guò)金相組織分析、靜態(tài)腐蝕中金相組織分析、腐蝕磨損性動(dòng)態(tài)試驗(yàn)以及機(jī)械性能、晶粒度、非金屬夾雜物檢驗(yàn)檢測(cè)表明：

（1）1#、2#、3#、4#等雙相不銹鋼中的Cr、Ni、Mo、Cu 等合金元素可以發(fā)生組合作用，在金屬表面形成致密抗氧化膜，從而提高了材料耐腐蝕性能。

（2）5#試件比1#、2#、3#、4#試件的腐蝕表面嚴(yán)重。1#、2#、3#、4#試件腐蝕的主要形式是小孔腐蝕，致密抗氧化膜是雙相不銹鋼材料表面耐化學(xué)浸泡腐蝕性能優(yōu)越的主要原因。

（3）以1#稀土不銹鋼材料為過(guò)流部件的離心泵作為材料試驗(yàn)載體，在具體應(yīng)用工況下試驗(yàn)3個(gè)月后，過(guò)流零部件完好、腐蝕磨損量少，過(guò)流部件材質(zhì)滿足現(xiàn)場(chǎng)使用工況要求，使用壽命經(jīng)測(cè)算達(dá)到3.533 5年。

（4）1#至5#配方研制的稀土不銹鋼鑄件材料經(jīng)柳州市質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)研究中心權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)，機(jī)械性能、晶粒度、非金屬夾雜物符合柳州酸王泵制造股份有限公司企業(yè)技術(shù)指標(biāo)要求。

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Development and Performance Testing of Rare Earth Stainless Steel Alloy Materials and Its Application

Rare earth stainless steel alloy material is a corrosion-resistant and wear-resistant material urgently needed for technical equipment in various industries such as steel, environmental protection, electricity, smelting, chemical industry, papermaking, etc., with a high demand and long service life. The flow passage component is an important component of a centrifugal pump, and its quality determines its performance and lifespan. The service life of the flow passage components of centrifugal pumps made of materials such as cast iron, 304, and 316L stainless steel is only 2 to 3 months, while the service life of the core flow passage components of foreign corrosion-resistant and wear-resistant centrifugal pumps can generally reach over 1 year. Based on this, the development of a new type of rare earth stainless steel alloy material was carried out, and the corrosion resistance, wear resistance, mechanical properties, etc. of the developed rare earth stainless steel alloy material were tested, and used in the manufacturing of centrifugal pump flow components.

rare earth; stainless steel; alloy material; preparation; performance test

TH142

A

1008-1151(2023)07-0109-05

2023-01-28

沈峰（1984－），男，江蘇靖江人，柳州酸王泵制造股份有限公司工程師，從事功能材料研發(fā)及生產(chǎn)。

封余賢（1986－），男，廣西欽州人，廣西產(chǎn)研院新型功能材料研究所有限公司高級(jí)工程師，碩士，從事新型功能材料技術(shù)研究及成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化工作。