稀土不銹鋼合金材料研制與性能測試及其應用

沈 峰　封余賢　黃景明　侯向華　王勁松 卓志昊 陳 瑜 鐘永麗 藍麗紅

稀土不銹鋼合金材料研制與性能測試及其應用

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.廣西壯族自治區科學技術情報研究所，廣西 南寧 530022）

稀土不銹鋼合金材料是鋼鐵、環保、電力、冶煉、化工、造紙等多個行業技術設備急需的耐腐耐磨材料，需求量大，使用壽命長。過流部件是離心泵重要的組成部分，其質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流部件使用壽命僅有短短的2～3個月，國外耐腐耐磨離心泵核心過流部件壽命一般能達到1年以上。基于此，開展了新型稀土不銹鋼合金材料研制，對研制的稀土不銹鋼合金材料耐腐、耐磨損、機械性能等進行了測試，并用于離心泵過流部件的制造。

稀土；不銹鋼；合金材料；研制；性能測試

引言

耐腐耐磨離心泵是鋼鐵、環保、電力、冶煉、化工、造紙等行業中腐蝕性液體工作介質輸送的關鍵設備[1-4]，過流部件是離心泵重要的組成部分，其質量決定了離心泵的使用性能和壽命。目前，我國離心泵行業使用的離心泵過流部件材料品種多達上百種，大部分企業缺乏耐腐耐磨材料研發能力，普遍使用鑄鐵、304和316L不銹鋼等材料作為制造離心泵的過流部件[5]，加上缺乏對腐蝕性液體工作介質深入研究，未能掌握各種腐蝕性液體工作介質的腐蝕特性和磨損之間的差異和特征，導致離心泵過流部件過早出現漏漿和磨穿等損壞現象，使離心泵產品使用壽命僅有短短的2～3個月，應用企業不得不過早進入維修階段，給腐蝕性液體輸送帶來很大的困擾和影響，由此直接和間接地造成了極大的經濟損失，降低了企業的經濟效益。

國外耐腐耐磨離心泵核心過流部件壽命一般能達到1年以上。原因是國外生產企業通常對用戶的使用工況介質進行詳細的分析研究，按照工況實際情況確定耐腐耐磨材料的種類，根據工況的揚程、砂液比重等設計離心泵的葉輪和泵體等。國外企業在合金材料選用和性能設計方面的針對性很強，產品使用效果好。我國耐腐耐磨離心泵產品在可靠性、使用壽命等方面與國外產品存在著較大差距，技術差距是制約我國耐腐耐磨離心泵產品發展的一個瓶頸。

稀土不銹鋼合金材料是鋼鐵、電力、化工、冶煉等多個行業技術設備急需的耐腐耐磨材料，需求量大，使用壽命長[6-10]。過流部件的材料質量一直是困擾耐腐耐磨離心泵行業多年的難題。基于此，開展了新型稀土不銹鋼合金材料研制，對研制的稀土不銹鋼合金材料耐腐、耐磨、機械性能等進行了測試，并用于離心泵過流部件的制造。

1　稀土不銹鋼合金材料研制

1.1　工作介質樣本的建立

稀土不銹鋼合金材料的研制緊密結合客戶實際應用需要。研發小組前期廣泛開展了客戶工作介質收集、取樣、化驗及分析研究工作，初步建立了工作介質化學物理數據庫。

1#工作介質：（1）CaSO4·2H2O（20～100 ）g/kg，CaCO3（3～20）g/kg，MgCO3（5～20）g/kg，雜質（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：（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：（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：（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：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計研究

基于前期的基礎研究與工作介質的建立，開展了稀土不銹鋼合金材料研制配方設計研究，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，詳見表1至表5。

表1　1#稀土不銹鋼合金材料配方

化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/% 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

化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/% 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

化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/% 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

化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/% 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

化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/%化學成分質量分數/% 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

根據上述1#配方至5#配方進行熔煉、鑄造、熱處理等多道工序研制出多種稀土不銹鋼鑄件材料，對研制出的稀土不銹鋼鑄件材料進行性能測試。

2　稀土不銹鋼鑄件材料性能測試

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1#配方至5#配方研制的稀土不銹鋼鑄件材料進行金相組織檢查。

2.1.11#稀土不銹鋼合金金相組織

對在1 100℃溫度下進行固溶熱處理后的不銹鋼合金鑄件取樣，進行金相組織檢查，奧氏體比例為57%，如圖1所示。從圖1可知，經過1 100℃溫度下進行固溶熱處理后，金相組織致密，孔隙少，無夾雜物，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

對在1 090℃溫度下進行固溶熱處理后的不銹鋼合金鑄件取樣，進行金相組織檢查，奧氏體比例為55%，如圖2所示。從圖2可知，經過1 090℃溫度下進行固溶熱處理后，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

對在1 100℃溫度下進行固溶熱處理后的不銹鋼合金鑄件取樣，進行金相組織檢查，奧氏體比例為53%，如圖3所示。從圖3可知，經過1 100℃溫度下進行固溶熱處理后，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

對在1 100℃溫度下進行固溶熱處理后的不銹鋼合金鑄件取樣，進行金相組織檢查，奧氏體比例為90%，如4所示。從圖4可知，經過1 100℃溫度下進行固溶熱處理后，金相組織出現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

對在（800～950）℃溫度下進行退火處理后的不銹鋼合金鑄件取樣，進行金相組織檢查，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腐蝕中金相組織分析

按照ISO 3651—1:1998不銹鋼晶間腐蝕試驗方法，將耐腐耐磨離心泵應用工程的工作介質的腐蝕性提高10%～30%，對不銹鋼材料進行2個月的靜態腐蝕性試驗，對比金相組織可以檢查鑄造質量對耐腐蝕性的影響。

對靜態腐蝕性試驗后的試件進行金相檢查，發現除了試件表面的腐蝕外，在金相中顯示的深度腐蝕主要發生在存在裂紋、夾雜、疏松等地方，如圖6、圖7、圖8所示。由圖6可知，靜態腐蝕性試驗后的金相組織出現了細微裂紋，細微裂紋呈河流狀擴展。由圖7可知，靜態腐蝕性試驗后的金相組織出現了大面積聚集的非金屬氧化物夾雜。由圖8可知，靜態腐蝕性試驗后的金相組織σ相在沿晶界連續析出并呈現球化趨勢。

圖6　裂紋

圖7　夾雜

圖8　5%的σ相析出

試驗反映了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浸泡腐蝕性能優越的主要原因。

2.3　稀土不銹鋼鑄件材料腐蝕磨損性動態試驗

在實際應用的過程中，由于工作介質不斷沖刷過不銹鋼合金材料的表面，具備磨損性，因此所產生的金屬表面的鈍化現象比靜態腐蝕性試驗中產生的要弱很多，而且靜態腐蝕性試驗不能模擬磨損性試驗。本文選擇了典型客戶應用項目來進行不銹鋼合金材料的腐蝕磨損性動態試驗。

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

在某客戶處進行動態腐蝕磨損性試驗，試驗時長3個月。試驗結束時各過流零部件完好，腐蝕磨損量少，試驗后的離心泵零件如圖9所示。過流部件材質滿足現場使用工況要求，年腐蝕磨損量測算為0.2/106*300=0.566（mm），泵使用壽命（主要過流部件表面腐蝕磨損量達到2 mm時達到壽命期）：2 mm/0.566 mm=3.533 5（年）。

圖9　試驗后的離心泵過流部件

2.4　稀土不銹鋼鑄件材料機械性能、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柳州市質量檢驗檢測研究中心權威機構檢測，其抗拉強度達到（260-917）MPa，內部晶粒等級≤12.0級（500×），內部組織A、B、C、D、DS各類夾雜物均小于1.5i（級），符合柳州酸王泵制造股份有限公司企業技術指標要求。

3　結論

研制的1#至5#稀土不銹鋼合金材料通過金相組織分析、靜態腐蝕中金相組織分析、腐蝕磨損性動態試驗以及機械性能、晶粒度、非金屬夾雜物檢驗檢測表明：

（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浸泡腐蝕性能優越的主要原因。

（3）以1#稀土不銹鋼材料為過流部件的離心泵作為材料試驗載體，在具體應用工況下試驗3個月后，過流零部件完好、腐蝕磨損量少，過流部件材質滿足現場使用工況要求，使用壽命經測算達到3.533 5年。

（4）1#至5#配方研制的稀土不銹鋼鑄件材料經柳州市質量檢驗檢測研究中心權威機構檢測，機械性能、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技術指標要求。

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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，從事功能材料研發及生產。

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