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超高铬高碳双相钢的凝固过程及组织性能研究
发布者: 发布时间:2020/10/8 阅读:282

 腐蚀、磨损和断裂是工业领域中零部件失效的三大主要形式,其中腐蚀和磨损占70%左右。腐蚀和磨损失效主要发生在具有高固体含量和腐蚀性介质的工业环境中,如石油化工、环境工程、核电能源等,是导致设备中泵、叶轮、管道等零部件失效的主要原因。传统的耐磨性能优良的铸铁和耐蚀性能优良的双相钢不能同时满足腐蚀和磨损并存的苛刻环境,因此开发具有耐磨抗蚀双重优异性能的材料成为现代高端装备制造的迫切要求。

 

 材料的性能是具有一定化学成分和微观组织的材料在服役环境下的外部表现,通常是外因和内因综合作用的结果。外因是材料的工作条件,材料的化学成分与组织结构是内因,也是研究和开发材料的基础。18世纪90年代,法国化学家Vauquelin率先在红铅矿中发现了铬,并了解到其具有优良的耐酸蚀性和耐氧化性。随后,国内外学者开始尝试往合金材料中添加一定含量的铬元素,来提高材料的耐腐蚀性能,并取得了较为满意的成果,掀起了多年来国内外对铬系合金的研究热潮。目前,高铬合金是诸多工业领域中使用较为广泛、研究较为深入、性能优良的一类铬系合金,其铬含量一般高于20%,可大致分为高铬铸铁、高铬Fe-Cr-C堆焊合金和高铬不锈钢三类。高铬铸铁和高铬Fe-Cr-C堆焊合金组织中含有大量M23C6或M7C3碳化物,作为基体的强化相,可以有效地阻止磨粒对基体的磨损,降低合金的磨损率。但大量形成的铬碳化物在降低材料韧性的同时,也会降低基体的铬含量,对材料的耐腐蚀性能造成负面影响。此外,粗大的初生碳化物会影响堆焊层与基体的结合性,堆焊层易与基体分离并脱落,这也给焊接工艺方面增加了难度。高铬不锈钢的基体富含抗酸蚀性的铬元素,具有良好的耐腐蚀性能,但组织中缺乏硬质相,其耐磨性能欠佳。双相钢结合了铁素体和奥氏体不锈钢的优点,具有高强度、高韧性和优异的耐蚀性能,是高铬不锈钢中最具发展潜力的。

 

 考虑到以上因素,改善高铬双相钢摩擦学和电化学的综合性能是发展耐磨抗蚀材料的最佳途径。近些年来,国内外学者从析出硬质相和合金化技术两个方面做了研究,调整热处理工艺析出硬质金属间相,虽显著改善了双相钢的耐磨性,但会导致耐腐蚀性能降低。德国学者通过合金化技术在提高碳含量的同时,将铬元素不成比例地增加到40%,开发了超高铬高碳双相钢GX150CrNiMoCuN41-6-2。此合金因含有大量硬质碳化物和基体中含有足够高的铬元素,具有良好的耐磨耐蚀性能,已经成功应用于核电装备关键零部件的高性能制造。因此我国在相关方面急需弥补不足,但是超高铬高碳双相钢的制备方面存在诸多困难,具体有以下几个方面:

 

 1. 该类合金成分比较复杂,各合金元素在超高铬高碳双相钢中的协同作用了解并不全面。

 

 2. 超高铬元素的加入,使得合金的熔炼温度很高,导致其它合金元素极易烧损,合金的成分不易控制。

 

 3. 合金的凝固过程及热处理过程中的组织变化复杂,缺乏相关完整相图的支持。另外,该类合金在各国都属于高端制造的核心材料,其具体的成分,熔炼工艺以及热处理工艺都处于严格保密状态,很少有非常具体的实验参数报道,这也是本工作研究的一个主要困难。本工作的目的就是在探究成分,熔炼工艺以及热处理工艺对超高铬高碳双相钢组织性能的影响以及其内在关系,为开发具有自主知识产权的超高铬高碳双相钢做准备。

 

 
 

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