渗碳热处理炉镍铬钢电热合金管失效分析

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 29.032.0 Ni 19.021.0 Si Mn N RE

≤0.1

≤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930º C。

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。

图3

奥氏体的枝晶组织

沿奥氏体晶界不均匀分布有少量连续的白色结晶物，经 高倍观察，为极细珠光体型组织。

图4

原材料中沿晶界分布的极细珠光体(SEM照片)

辐射管的宏观失效形式

图5

失效辐射管的宏观断口形貌

照片上方为迎渗碳面, 经受长期高温

单边渗碳；下方为

氧化面, 与炉外大气相通。在长期高温作用下, 渗碳面呈现大量富镍的瘤状物，下方为致密层，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。

CrNiNRE钢制辐射管外壁为迎渗碳面, 经受长期高温单边渗碳作用后, 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，故在富镍瘤状物周边的凹坑内，出现大量纳米级的丝状碳纤维，将碳 小球连接成串。这些碳的晶须和念珠状小球，根据其形貌和 生成的部位表明，应是在渗碳的还原性气氛下气相反应的产 物, 值得深入研究。表层大量的富镍瘤状物使辐射管表层疏

松，表面积扩张，并促使碳向基体的渗入。

辐射管内外壁表面的微观形貌

图6

失效辐射管渗碳表面的富镍瘤状物形貌

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图7

失效辐射管渗碳面的丝状积焦和碳小球形貌

辐射管内壁为单纯氧化面, 在长期高温氧化作用下, 侵 入钢材内部，形成氧化物。由于金属氧化物的比容大于金属 比容, 而在所用合金元素中, 铬含量高达30%,其氧化物的比 容与自身相比, 其比率达3.92,且这种氧化物十分致密, 一旦 形成极易密封膨胀在材料内部形成空洞；此外氧与枝晶内部

石墨碳作用，易形成先期烧蚀孔洞。EDS分析表明氧化空洞表面覆盖着铬、铁、锰、硅等陶瓷相氧化物。

(a)管内壁的氧化孔洞;

(b)空洞内表面的金属 氧化物形貌;