渗碳热处理炉镍铬钢电热合金管失效课件.ppt

* * * * * * * * * * * 图14 迎渗碳方向自由表面上的六棱柱碳化物露头 ◆丝状结焦和碳的持续渗入是CrNiNRE钢失效进程的控制因素 钢在高温渗碳环境下长期停留时，Cr2O3膜的破坏引起的催化丝状结焦，催生碳化物形核和随后的持续长大，并引起合金元素的重新分布是CrNiNRE钢的内部组织结构发生变化的主因。 在无外来成分时，高温长期停留只会发生晶粒长大，不会发生成分变化，材料的耐热性能基本可以得到保障。当有外来成分渗入时，尤其是当原组成相发生变化和重组时，若不采取措施阻断其入侵，成分改变、相构成的种类和比例改变以及晶粒长大将同时发生, 从而会改变材料的原设计性能。 结 论 (1) 铸态CrNiNRE耐热钢在长期高温服役条件下，沿奥氏体晶界珠光体首先消失，使之成为一种单相高合金奥氏体耐热钢。但渗碳作用使单相奥氏体中形成第二相M7C3，M7C3碳化物不断长大，挤占原奥氏体区域，造成钢的组织损伤。随后内部微观组织结构由单一的奥氏体逐渐转化为M7C3碳化物和奥氏体两相，主合金元素铬和镍产生两极分化, 使奥氏体基体中Cr严重贫化，随着基体中合金元素的减少，钢的耐热性能退化。 (2) CrNiNRE钢制辐射管的外壁在经受长期高温单边渗碳作用后, 形成大量富铬碳化物，促使镍的富集并起泡，催化含碳气体的分解，而且表层大量的富镍瘤状物使辐射管表层疏松，表面积扩张，加快碳向基体的渗入；辐射管内壁由于铸态疏松使氧气易于侵入材料内部，因新相与金属的比容差而发生管壁膨胀, 且在内壁产生大量空洞。 (3) 辐射管的几何损伤包括管外壁表面瘤化积碳、管壁膨胀增厚而影响传热设计；管材内部沿碳化物周边的裂隙，管内壁的氧化空洞，最终孔洞相连导致辐射管内外壁贯通而失效。 (4) 在连续高温渗碳条件下, CrNiNRE 钢组织变化是一个源于催化丝状结焦、碳原子持续渗入及随后借助材料内部碳原子和合金元素扩散而适应化学位的过程，从而使高镍铬含量的奥氏体钢组织稳定的优点难以发挥，耐热性不能持久，故对高温渗碳环境下长期使用的耐热钢，提高外表面的抗渗碳性和管内壁的抗氧化性是延长辐射管使用寿命的关键因素。 敬请批评指正！ 谢 谢！ * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 渗碳炉电热辐射管的组织演变与几何损伤 江苏大学材料科学与工程学院 罗新民 陈康敏 潘 励 2014年1月31日 摘 要 应用SEM 电镜分析和EDS能谱分析及X 射线衍射等方法分析研究了高镍铬含氮和稀土的奥氏体型耐热钢电热辐射管在长期高温渗碳环境运行中组织演变和几何损伤特点。试验结果表明，铸态组织的微观不均匀性、长期高温单边渗碳和碳化物持续长大促进了沿碳化物周边开裂；合金元素的重新分布造成基体严重贫铬，奥氏体区域严重萎缩；氧的侵入形成内部氧化空洞和膨胀疏松，最终导致构件穿孔失效。对高温渗碳环境下长期使用的高合金耐热钢，提高迎渗碳面的抗渗碳性能和其内壁面的抗氧化性能非常重要。 研究背景 电热辐射管是先进渗碳炉的关键部件，在我国仍主要沿用奥氏体型耐热钢，它具有较高的持久热强度，良好的抗氧化性能，和较好的加工性能，以取代昂贵的进口超耐热合金辐射管或APMT管。 CrNiNRE钢是用于制造辐射管的新钢种，但在长期930℃高温渗碳环境运行中，钢的基体和其中的碳化物相会随着运行时间的延长而发生巨大变化，引起组织演变致使构件几何损伤而失效。 图1 电热辐射管工作示意图 试验材料与试验方法 试验用钢为低碳高合金奥氏型体耐热钢， 其化学成分见表1。 表1 　试验用钢的化学成分( Wt%) C Cr Ni Si Mn N RE ≤0.1 29.0-32.0 19.0-21.0 ≤2.0 ≤2.0 0. 2 ≤0. 04 试验材料取自实际生产中的离心铸造钢管，规格为Φ110×6.5mm。失效试件取自经使用达15000小时后失效的辐射管。 运行环境：渗碳气氛成分：23%CO + ≤0.6 %CH4 + 32 % H2 +少量O2 +≤0.4%CO2，载气为纯度99.5%的N2，温度为930oC。 原材料的组织状态 离心铸造钢管的冷却条件不同于砂型铸造，明显可见内外壁的结晶区别。其外壁冷却较快，故其靠近外壁的组织呈细密等轴晶；内层为粗等轴晶，随后为粗大柱状晶组织。且柱状晶组织沿管径方向由外壁向内壁逐渐变宽增大，这是因为结晶过程受到模型高速旋转离心力及内壁正温度梯度的联合作用。 图2 奥氏体呈现明显的枝晶组织，枝晶间弥散分布有少量细小质点，为初生碳化物，晶簇间隙中的凝固收缩在凝固末期得不到补偿而产生一