310S不锈钢HK40)是美国铸造学会(ACI)的H系列Cr-Ni奥氏体耐热不起皮铸钢。

我国于1987年将310S不锈钢纳入耐热钢铸件国家标准GB8492287,牌号为ZG40Cr25Ni20。该钢为全奥氏体,含Ni高,抗氧化性好,在石油化工中,常用作制氢转化炉管、乙烯裂解炉管等,通常为铸态不经热处理使用。

ZG40Cr25Ni20。该钢为全奥氏体,含Ni高,抗氧化性好,在石油化工中,常用作制氢转化炉管、乙烯裂解炉管等,通常为铸态不经热处理使用。

通常把持续工作于650℃以上的铸件划归为耐热铸件。用于这类铸件的合金主要有铁-铬、铁--镍、铁--铬、镍基和钻基合金。在耐热合金的应用中,需要考虑以下三个问题:1)高温下的耐腐蚀性能;2)稳定性(耐扭曲、开裂或热疲劳性能);3)蠕变强度(耐塑性流变)。这类钢与其它高温合金(主要指锻造形变合金)的主要区别是碳含量的不同。锻造和铸造耐蚀级合金的碳含量范围为0.01~0.25%,而铸造耐热合金的碳含量范围为0.3~0.6%。碳含量的不同导致合金性能上有很大的不同,尤其是铸造耐热钢有更高的断裂强度。

自上世纪60年代以来,高温合金材料Cr25Ni20由于其较低的成本和良好的机械性能,开始被广泛应用于石化装置的高温部件上,如转化炉管、辐射管和乙烯裂解炉管以及其它关键部件。其突出的优点是具备良好的蠕变特性以及在富O、富C和富S条件下的耐高温耐腐蚀性能。通常,强化这种钢的方式有两种:一是初生共晶碳化物的时效沉淀以及在晶界和树枝晶间的强化分布,以防止高温下晶界的滑移;另一种是异质二次碳化物在基体和晶界上的分布,以防止高温下的位错运动。但是在高温下长周期服役时,二次碳化物会逐渐粗化、联接和长大,强化作用也就逐渐消失。然而,最初的共晶碳化沉淀物在高温下却表现出了较好的稳定性,并具有明显的强度。为了延长构件的使用寿命,在随后的三、四十年里,人们做出了各种努力。最通常的方式就是调整和改进其化学成分,并形成了一系列的牌号,典型的钢种如表1.2。由表可见,为进一步提高该钢种的力学性能,其强化方式主要有两种途径。

一种是增加Ni的含量,进一步增强合金的高温稳定性;另一种是通过添加NbTiZrWMo及稀土等微量元素,来细化晶粒,同时增强二次碳化物的弥散固溶作用,预防碳化铬等低熔点、低强度σ相的大量析出,从而有效提高了材料的高温蠕变强度和抗渗碳能力,进而延长了炉管的使用寿命。但这些措施也带来了一些新问题,如高的Ni含量不仅使材料的成本上升,也显著的降低了材料(用于石化裂解装置时)的防结焦能力。美国材料试验协会标准(ASTM)采用美国合金铸造研究所(ACI)的牌号,列出了HAHCHDHEHFHHHIHKHLHNHPHTHUHWHX等共15种高温承压用耐热合金

上述合金中,HC属铁素体型,HD-HH属铁素体和奥氏体双相组织,HK-HX属完全奥氏体合金。较高的CrNi含量使HK耐热合金在高温时具有良好的抗氧化和抗蠕变能力,可以在最高温度达到1100℃(压力4MPa)或1000℃(压力10MPa)的苛刻工况下连续长周期工作10万小时以上。图1.1为典型裂解炉管材料HK40的铸态显微组织,在平衡状态下即缓慢冷却时,室温组织主要由奥氏体基体与奥氏体+碳化物的共晶体组成。但由于离心铸造冷却速度很快,凝固为一不平衡过程,使得先结晶的MC3型碳化物来不及转变成M23C6型碳化物,因此在室温下铸态组织只能是过饱和的奥氏体+共晶体(奥氏体+MC3),共晶碳化物主要有两种形态即骨架状和块状,骨架状分布在晶界上,块状分布在枝晶间。分布在晶粒边界尤其是三叉晶界处的共晶碳化物多呈粗骨架状,而分布在枝晶臂间的碳化物呈短棒状或块状。电子衍射分析结果表明,碳化物为三角点阵的CrC3,点阵常数:a=1.4nmc=0.45nm。比较离心铸管截面上内层等轴晶区与外层柱状晶区的显微组织可知,后者区域内的共晶碳化物数量明显少于前者,这是由于离心铸造时熔池金属的凝固次序不同导致成分不均匀所造成的。

文献对不同冷速下凝固的HK40合金的显微组织进行了详细研究,发现有三种类型的共晶碳化物存在,即分布在晶界上的大量的类似于珠光体的层片状碳化物、连续的薄的晶界碳化物膜以及分布于晶内通常形成半连续枝晶网的粗共晶碳化物。X射线衍射结果表明,较高冷速时,铸态碳化物主要为M23C6型,而低冷速时含有相当数量的MC3型碳化物。对时效试样的衍射分析显示,MrC3型共晶碳化物在时效初期很容易转化为M23C。型碳化物。这种MC;和M23C6型碳化物共存的现象与早期的观测结果对萃取碳化物的衍射结果一致。共晶碳化物的形貌依赖于凝固时的速度,与离心力的大小无关。因而上述不同观察结果的原因在于铸造时冷却速度的差异。此外,他们还研究了冷速对凝固组织中共晶碳化物体积分数的影响,结果示于图1.2,曲线表明,随冷却速度提高,共晶碳化物体积分数逐渐减小,这同时也揭示了较高的冷却速度导致了奥氏体基体中较高的固溶碳含量。

对时效组织中枝晶胞平均尺寸的测量发现,胞的大小随冷速增加而增大,如图1.3所示,显然这一测量结果与宏观组织的观测结果一致。另外,时效后的组织观察结果表明,铸造时冷速越高,时效析出的二次碳化物越细小,但随时效温度增高,冷速的这种效应逐渐减弱。

有人用TEM研究铸态HK40合金组织结构时发现,奥氏体基体中存在三维缠结位错网,位错偶极子和多极子是这种材料位错结构的显著特点,它们常常密堆在一起构成局部条带形貌。在枝晶胞的心部位错密度相对较低,而在胞的边界附近较高,且频繁出现偶极子阵列,类似于变形金属。研究者们认为离心铸造时,由于离心力、陡峭的温度梯度以及共晶碳化物与奥氏体基体之间热膨胀系数不同而造成内应力,引起奥氏体基体变形,使枝晶胞附近的局部应变较大,从而产生上述位错结构。

该合金具有很好的铸造性能、机加工性能和焊接性能。由于这些优异的性能,使得它得到如下广泛的应用:空气加热器、退火箱、化工设备、火箱板、炉衬、热交换器、炼油设备、窑衬、吊管勾等。因此它也是铸造耐热合金中生产应用最多的一类合金。其力学性能如下。

310S不锈钢液相线温度1410℃,在1380℃时已析出大量y相,但此时熔池仍保持相互联通。1340℃时,y相含量为91.66%,熔池开始出现断续现象,到1300℃时,熔池内的相量进一步减少,断续进一步加剧,并出现了少量的碳化物共晶,此温度可以认为是碳化物共晶的初凝温度。1200℃时,熔池内液相的绝大部分已形成共晶组织,只有极少量的点状熔池存,故1200℃大约为碳化物共晶的终凝温度。共晶组织中的碳化物为六方晶格的MC3,其中M主要为CrFe元素。