合金元素及热处理工艺对ZG40Cr25Ni20耐热钢组织和性能影响

孙荣敏 林澎 陆荣幸 冯树强

1.柳州工学院机械工程学院 广西柳州 545000； 2.柳州市金百汇激光技术有限责任公司 广西柳州 545003

中图分类号：TG113.1；TG174.4文献标识码：A

奥氏体型耐热钢，它是以铁为基，以铬、镍、锰等为主要合金化元素，室温下基体组织为奥氏体的钢种，产量占不锈钢总产量的50%～60%，由于产品长期在高温、高压、腐蚀性气体或液体环境中服役，为了保证产品的服役寿命和安全运行，对材质除了强度和塑性的要求外，耐高温、耐腐蚀性能尤为重要。ZG40Cr25Ni20耐热钢是奥氏体型耐热钢的主要组成部分，近些年来，它以其相对良好的高温力学性能及明显的成本优势，在航空、航天、石油化工、冶金矿山、热核反应堆、大功率发电厂机组等行业和领域中的使用比例逐年递增。目前的研究表明，对于提高此类奧氏体不锈钢的高温使用寿命的途径，可以通过添加不同的合金成分和采取合理的热处理工艺方式来实现。

1 ZG40Cr25Ni20耐热钢的失效机理与研究进展

ZG40Cr25Ni20耐热钢是一种性能优异的高温合金，它常常被用在既要高温抗氧化，又要抗磨损的环境中，又由于其多在持续燃烧的工作环境中，使它高温失效的情况时有发生。疲劳开裂是奥氏体耐热钢主要失效形式之一。金属疲劳断裂的众多研究都表明，应力或应变集中是断裂发生的主要原因，表现为材料的疲劳破坏和蠕变破坏。

材料的疲劳一般是由于材料局部发生应力集中，产生塑性变形，表现为由表及里的穿晶裂纹。蠕变破坏的发生一般是在高温状态下某一温度时，材料承受应力低于其屈服极限后，它会以缓慢的速度发生塑性变形，主要是由材料内部孔洞在晶界形核长大引起，最终产生沿晶裂纹。沈保罗[1]以贵阳某水泥厂的活动篦板为研究对象，证实热疲劳开裂是其温度波动造成的，服役温度越高，温度波动越大，热应力也越大，当碳化物在晶界上以网状形式分布时，不但使奥氏体中的碳和合金元素含量降低、合金组织热稳定性降低，而且使晶界脆性增加，导致材料的脆性增大，就更容易产生裂纹；马小明等[2]对ZG40Cr25Ni20篦板进行扫描电镜、金相、化学成分分析发现，当环境温度高于750℃时，铸态下的基体奥氏体晶界处有连续网状的碳化物析出，这些碳化物不但极大地降低了篦板的抗氧化性和塑性，而且更易于萌生裂纹；当温度上升到1000℃左右，共晶碳化物分解成游离的石墨分布在局部晶界处，由于石墨的强度很低，相当于在基体上形成孔洞，孔洞给微裂纹扩展创造了更有利的条件；梁伟成等[3]通过高温显微镜原位观察等实验手段发现ZG40Cr25Ni20耐热钢中碳化物的溶解温度为1030～1250℃，因此ZG40Cr25Ni20耐热钢发热管的使用温度尽可能保持在温度1030℃以下，防止析出物的长大及溶解产生孔洞和微裂纹，引起构件失效。张炎等[4]进一步研究表明，蠕变是否对材料形成最终破坏取决于碳化物的稳定性，当沉淀型奥氏体耐热钢在高温下长期工作时，耐热钢中沉淀的第二相碳化物易粗化、聚结，强化作用减弱，得到的组织不够稳定，当碳化物呈块状、网状的结构堆积分布时，是一种脆性相，将降低材料的性能，更容易发生材料失效，大连理工大学的许军等[5]以服役两年的25Cr35Ni型耐热钢为研究对象也证实了这一结论，研究发现服役后的材料性能恶化是由于材料晶界处的第二相出现网链状，奥氏体基体碳化物粗化。由此可见，蠕变破坏是ZG40Cr25Ni20高温合金发生失效的最主要原因之一，如果疲劳裂纹和析出碳化物石墨化同时产生，情况会更糟糕，二者相互促进，使构件提前失效，使用寿命更短。

2 合金元素对ZG40Cr25Ni20耐热钢组织和性能的影响

为了迎合不同的环境和使用要求，人们在ZG40Cr25 Ni20耐热钢中添加不同的合金元素来达到使用目的。ZG40Cr25Ni20耐热钢是以Cr为主要合金元素，同时也可以复合添加Al、Si、W、Ti、Mo、Ni、Nb、Mn、V、Co等合金元素，它们可以增强奥氏体耐热钢在高温服役过程中的组织稳定性，提高材料使用寿命，更多的研究者通过优化材料中合金成分和含量配比的方式来达到特殊的使用需求。

研究表明，Cr是钢的高温耐蚀性、抗氧化的关键性合金元素，除此之外，它不仅能固溶于基体中起到固溶强化的作用，还能形成沉淀型碳化物，起到沉淀强化的作用。毕继鑫进一步研究表明[6]，奥氏体耐热钢要在1100℃以下抗氧化，需要添加以铬元素为主，硅、铝为辅的合金元素，并且随着硅、铝元素的添加量增多，钢的抗氧化性能会越好，但加入太多的量后，钢的力学性能和工艺性会变差；为了改善力学性能变差，杨洋等[7]在奥氏体钢中添加Nb元素，一方面它能使奥氏体组织的晶粒细化，且细化程度取决于Nb含量，但当铌含量达到1.5%时，组织中各类碳化物出现长大粘连的现象，塑性就开始变差，另外当温度在1000℃和1200℃时，随着Nb含量的增加和温度继续升高，耐热钢的抗氧化性能也急剧下降；刘锐卓[8]也发现当Al含量增加到5.34%时，材料很难发生加工硬化且抗蠕变性能急剧下降；北京科技大学的周德强[9]调整Nb/C比至7.7～10时，在1023K温度时也能析出大量的纳米NbC相，从而大幅度提高其高温耐蠕变性能；张炎等[10]通过实验详细研究了合金元素添加量对材料力学性能的影响，得到最佳的铝添加量为4.75%左右，此时材料抗氧化组织由最初的Fe抗氧化层和中间的细小尖晶石结构B2-NiAl抗氧化层及内层的Cr2O3抗氧化层的多层结构统一转变成单一致密的Al2O3氧化膜结构，材料的高温抗氧化性显著提高；庄晟逸[11]对抗氧化性的机理进行了深入研究，发现同时添加Mo、Nb、Mn、Al合金元素可以固溶于α-Cr2O3中形成的复合氧化物具有比α-Cr2O3更高的稳定性，且在200～1000K范围内，随温度的增加Fe、Mo、Nb、Ni、Mn、Al、Si形成的复合氧化物稳定性高于α-Cr2O3，尤其是Ni和Si形成的复合物，高温时更为稳定；王帅等[12]通过实验在考虑抗氧化的组成、高温下的氧化速率、氧化物的抗脱落性三种影响因素下发现，稀土元素也对材料的高温抗氧化性有重要影响，其中含Y钢抗氧化性最佳，含Ce钢次之。韩成府等[13]在Al元素的基础上又添加了Ti、W，当Al、Ti和W的含量分别为5.02%、0.61%和0.63%时，材料达到了完全抗氧化级别，耐磨性也比不添加合金元素的提高一倍，硬度随着合金含量的增加也呈增大的趋势，研究中还发现，Al与Ni易形成高硬度的Ni3Al相；Ti和W与C也易形成稳定性高的TiC、WC碳化物微粒，使Cr不易形成Cr7C3型碳化物，而MC型碳化物的硬度远高于M7C3型碳化物，并且这些硬度较高的MC型碳化物弥散分布在晶内和晶界上与Ni3Al硬质相共同作用，提高了材料的硬度。一般来说，硬度越高耐磨性就越好，由此可见，添加合金元素Ti、W有利于提高材料的耐磨性，文献[14，17]也证实了这一结论。但张银辉[15]研究发现，如果同时添加Mo、W时，虽然会显著促进(Cr，Fe)7C3、(Cr，Fe)23C6、(Cr，Fe)2(C，N)和χ相等富Cr相析出，但在1000℃高温下，这些富Cr相会显著粗化，也会降低合金的蠕变寿命；王兰[16]在奥氏体耐热钢中同时添加W、Co元素，发现Co元素使基体组织的析出相的数量减少，W元素虽然能增加析出相的数量，但却能使晶粒细化，当添加量合适时材料的抗拉强度和屈服强度可显著改善；张立生[17]详细研究了Ti含量对ZG40Cr25Ni20硬度的影响，证实一定量的Ti，也可使其基体组织得到细化，Ti含量为0.15wt%时，组织为细化效果最好的树枝晶，当Ti含量1.5wt%时，硬度可达最大值。

综上所述，除了主合金元素Cr是抗氧化和抗腐蚀外，Al、Mo、Co、W、Nb合金元素主要是通过晶粒细化来提高材料的力学性能，而Ti、Ni主要是形成硬质合金相来提升硬度和高温耐磨性。ZG40Cr25Ni20耐热钢很多情况下是通过复合添加多种合金元素来提升其整体使用性能，因为在钢铁材料的各种强化机制中，晶粒尺寸细化到一定程度时，强化效果很难再提升；固溶强化提高强度但效率便低；位错、相变强化提高强度明显，但对钢材塑性、韧性损害较大；沉淀强化虽对塑性的损害较小，但沉淀量的增加有限且机理复杂，操控难度大。文献[18]研究后认为，Ti-V-Mo是在奥氏体耐热钢中最佳微合金体系，可以得到最大沉淀量。由此可见，复合微合金化及其含量配比特别是高温(超1000℃以上)下材料的变形机制仍是今后研究的热点和重点方向。

3 热处理方式对ZG40Cr25Ni20耐热钢组织和性能的影响

众所周知，热处理是材料改性的重要手段，适当的热处理手段可以极大提升材料的综合性能，扩大材料的使用领域。早期对ZG40Cr25Ni20耐热钢主要是淬火处理，贾培刚[19]研究后认为回火温度对性能的影响较大，随回火温度的升高，力学性能呈下降趋势且析出的碳化物呈积聚粒状。通过对ZG40Cr25Ni20耐热钢在高温下失效机理研究，铸态下的基体组织使用前应该做固溶处理或者其他热处理，消除网状碳化物带来的不利影响；孙晓霞[20]对ZG40Cr25Ni20某型号燃气舵安装壳，温度1080℃，保温时长90min，固溶处理后其抗拉强度比常温和900℃高温分别提高11%和14%，高温下伸长率提高14%；杨亚杰[21]研究后认为，固溶处理是改善ZG40Cr25Ni20耐热钢晶间腐蚀最为重要的热处理方式，但固溶温度过高或过长会影响钝化膜的形成速度，特别是过饱和的碳与铬元素结合使基体“贫”铬，会降低晶间的钝化能力；岳增武等[22]研究发现，喷丸处理可以为Cr提供了额外的扩散驱动力，诱发基体产生马氏体相变，马氏体弥散分布于奥氏体中，提供了更多的晶界和相界，加快Cr的扩散，能够保证富Cr氧化层的稳态生长；张弘等[23]在不同温度下固溶处理发现，细小、均匀可溶于基体组织的晶粒和第二强化相对材料的抗拉强度提升有利但会降低硬度。郝红元等[24]研究认为，复合添加Cr、Ni、W、Mo等合金元素的奥氏体耐热钢的最佳处理工艺为1160℃×2h(水冷)固溶+760℃×5h(空冷)时效，可获得弥散分布的M6C、Laves相、M23C6、M2C、σ相等，具有很好的热强性、热稳定性和抗氧化性。

综上可知，热处理工艺特别是温度对处理的效果影响较大，要想获得好的性能，需要控制处理后的组织，特别是沉淀型碳化物的形态、数量、大小对其使用性能起着决定性作用。激光表面改性技术与传统热处理工艺相比具有绿色、环保、清洁、无污染，过冷度大的特性，刘副广等[25]、刘立君等[26]已经将激光熔覆技术用于高温耐热钢的修复强化，并取得了一定的成果。由此可见，激光表面改性技术具有广阔的市场前景，但因其工艺的不可移植性，值得更多研究者对其深入研究。

4 ZG40Cr25Ni20耐热钢发展前景展望

随着全球气候变暖越演越烈，为了应对碳排放量增多问题，ZG40Cr25Ni20等奥氏体型耐热钢必然将会面对更大的挑战和更严苛的使用环境，相信随着材料工作者对ZG40Cr25Ni20等奥氏体型耐热钢性能的深入研究，特别是多种合金元素添加后在高温下相互作用的机理研究，ZG40Cr25Ni20等奥氏体型耐热钢将为现代工业的快速发展提供更好的零部件原材料，助力现代工业向更高的水平攀登。