渗碳炉电热辐射管的组织演变与几何损伤.pdf

第pq屈中国热处理活动闹暨第九届江苏省热处理年会论文集(2006年5月，南京) 渗碳炉电热辐射管的组织演变与几何损伤 罗新民，陈康敏，潘 励 (江苏人学材料学院，江苏镇江212013) 摘要：应用SEM I乜镜分析和能谱分析及x射线衍射等方法分析研究了高镍铬含氮和稀十的奥氏体型耐热钢l乜 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：合金元索的重新分布造成基体严熏贫铬，奥氏体区域 大量萎缩：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，迎渗碳面的抗渗碳性能和其内壁面的抗氧化性能同等重要。 关键词：奥氏体：耐热钢：辐射管：渗碳；碳化物；失效分析 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【2】o 钢是目前我国用于制造辐射管的新钢种之一，但在长=期930。C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。 本文利用扫描电镜观察、微区成分分析与X射线衍射物相分析等方法，从宏观到微观综合分析了在长 服役寿命的可能途径。 1 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(质量分数％) C Cr Ni Si Mn N RE l≤o．1 29．O．32．O19．0．21．0 ≤2．0 ≤2．O 0．2 ≤0．04 描电子显微镜和能谱仪上进行。相结构分析在D／max2500PC全自动粉末X射线衍射仪上进行。 2试验结果与分析 2．1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 外肇的组织譬细密等轴晶；内层为粗等轴品，随后为粗人柱状晶组织。且柱状品组织沿管径方向由外蹙向 内壁逐渐变宽增人，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1为原始试验材料内壁区域的电镜图像，可见组织较均匀，但奥氏体呈现明显的枝品组织，枝品间 弥散分布有少量细小质点，为初生碳化物，品簇间隙中的凝同收缩在凝固末期得不到补偿而产生一些微小 孔洞，故局部有轻微的显微缩松现象，这些较疏松的内壁为氧气的侵入提供了有利的条件。沿奥氏体品界 50 不均匀分布有少量连续的白色结品物，经高 倍观察，为极细珠光体型组织。 2．2辐射管的失效形式 2．2．1宏观断口形貌 图2所示为CrNiNRE钢经高温(辐射管 白身表面温度可达980℃以上)和渗碳作用， 构件管壁失效后的宏观断口形貌照片。图片 上方为迎渗碳面，经受K期高温单边渗碳； (a)铸态组织(b)沿晶界分布的极细珠光体 。卜．方为氧化面，与炉外人气相通。在长期高 图l 原材料的原始组织的lb镜照片 温作川’卜．，渗碳面呈现人量富镍的瘤状物， 在其下方相当于瘤的直径的深处形成一连串小孔洞，再’卜．方为较致 密层，约占总厚度的2／5；因与炉气隔绝，在管内壁为单纯高温氧 化层，氧气侵入后形成材料内部氧化膨胀，在管壁内部造成氧化空 洞，大者可直接贯通，最终孔洞相连导致辐射管内外相通而致失效。 作者认为内壁严重的氧化破坏现象与离心铸造钢管内壁较疏松的 铸态组织有关。 2．2．2辐射管内外壁表面的微观形貌 CrNiNRE钢制辐射管外壁为迎渗碳面，经受长期高温单边渗 图2失效辐射管断口的宏观形貌X5 碳作用后，由于碳和铬的亲和力大，形成富铬碳化物，促使镍的富 集并起泡，形成直径为1mm左右的瘤状 物，这些富镍瘤状物泡沫状表面成为含 碳气体分解的催化剂，故在