稀土耐热铸钢的研制

    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。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。大量的研究结果表明，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，对耐热铸钢加人稀土元素Ce或La热强性能的影响进行了试验研究，并利用试验结果，对Fe－Cr－Ni－AI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1250～1300℃，在室温下获取了优良的铸造性、可焊性，于高温下获得良好的力学性能和高温抗氧化性能。

    一、试验材料及方法

    试验材料采用Cr24Ni7N钢及Cr25Ni20铸造钢材，在铸造钢材中加人0.01%～0.10％金属元素La或Ce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BⅡ－2及RD－23试验机上进行的。铸造试样在试验温度下进行24h时效处理后，加工成M12mm×66mm的试样。用ELC－3133A型离子探针进行断口表面（即晶界面）稀土的深度分析。Fe－Cr－Ni－AI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合金；造渣材料用石灰和萤石；钢水出炉温度1550～1570℃；毛坯试棒采用对开石墨型烘干后浇铸。

    二、试验结果分析

    （一）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

    在不同应变率条件下，添加稀土元素La、Ce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。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Cr24Ni7N(RE)钢铸造材做了1000℃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。

    （二）稀土对蠕变性能的影响

    图1为 Cr24Ni7N(RE)钢铸态试样870℃高温蠕变的试验结果。钢中加入金属La后，使其蠕变速度由1.14×10^－3％／h降到3.6×10^－4％／h，并延长了断裂时间。这是因为稀土元素La和Ce的原子半径远比Fe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，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。

图1  Cr24Ni7N钢加入RE后对蠕变性能的影响

    三、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。我们对Cr24Ni7NLa钢1000℃的真空持久断口用ELC－3133A型离子探针方法进行了断口表面（即晶界面）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。

图2   Cr24Ni7NLa钢1000℃真空持久断口La的深度分布结果

    四、Fe－Cr－Ni－Al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Fe－Cr－Ni－Al耐热合金钢。试验合金成分（％）：c0.06、Cr 24、Ni 10、Al 3、Si 1.5、Re≤0.5、S≤0.03、P≤0.03。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（铁素体十奥氏体）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。

图3  合金铸态显微组织

图4  合金高温力学性能随温度的变化

    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1050～1300℃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1250℃时，合金短时抗拉强度值仍达到40 MPa。合金断面收缩率由图可知，在1150℃时出现峰值，在1250℃仍达到30％左右。根据钢的热塑性曲线，合金在1100～1200℃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1250℃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1300℃时呈现脆性断裂趋势；在低于1100℃时，合金处于低塑性区。

    按GB/T13303－91对合金进行了1250℃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200h斜率较大，在后300h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。由图中试验数据可计算出，试验合金1250℃氧化增重速率稳定在0.2g/ (m²·h)左右，具有优良的高温抗氧化性。

图5  合金氧化动力学曲线

    五、结论

    在钢中加入适量的金属Ce或La，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Fe－Cr－Ni－AI耐热合金1250℃时，合金短时抗拉强度达到40MPa以上，断面收缩率在30％左右，氧化增重速率稳定在0.2g/（m²·h>左右。