稀土不锈钢合金材料研制与性能测试及其应用

沈 峰　封余贤　黄景明　侯向华　王劲松 卓志昊 陈 瑜 钟永丽 蓝丽红

稀土不锈钢合金材料研制与性能测试及其应用

沈 峰1封余贤2黄景明3侯向华2王劲松1卓志昊3陈 瑜2钟永丽2蓝丽红2

（1.柳州酸王泵制造股份有限公司，广西 柳州 545006；2.广西产研院新型功能材料研究所有限公司，广西 南宁 530200；3.广西壮族自治区科学技术情报研究所，广西 南宁 530022）

稀土不锈钢合金材料是钢铁、环保、电力、冶炼、化工、造纸等多个行业技术设备急需的耐腐耐磨材料，需求量大，使用寿命长。过流部件是离心泵重要的组成部分，其质量决定了离心泵的使用性能和寿命。使用铸铁、304和316L不锈钢等材料制造的离心泵过流部件使用寿命仅有短短的2～3个月，国外耐腐耐磨离心泵核心过流部件寿命一般能达到1年以上。基于此，开展了新型稀土不锈钢合金材料研制，对研制的稀土不锈钢合金材料耐腐、耐磨损、机械性能等进行了测试，并用于离心泵过流部件的制造。

稀土；不锈钢；合金材料；研制；性能测试

引言

耐腐耐磨离心泵是钢铁、环保、电力、冶炼、化工、造纸等行业中腐蚀性液体工作介质输送的关键设备[1-4]，过流部件是离心泵重要的组成部分，其质量决定了离心泵的使用性能和寿命。目前，我国离心泵行业使用的离心泵过流部件材料品种多达上百种，大部分企业缺乏耐腐耐磨材料研发能力，普遍使用铸铁、304和316L不锈钢等材料作为制造离心泵的过流部件[5]，加上缺乏对腐蚀性液体工作介质深入研究，未能掌握各种腐蚀性液体工作介质的腐蚀特性和磨损之间的差异和特征，导致离心泵过流部件过早出现漏浆和磨穿等损坏现象，使离心泵产品使用寿命仅有短短的2～3个月，应用企业不得不过早进入维修阶段，给腐蚀性液体输送带来很大的困扰和影响，由此直接和间接地造成了极大的经济损失，降低了企业的经济效益。

国外耐腐耐磨离心泵核心过流部件寿命一般能达到1年以上。原因是国外生产企业通常对用户的使用工况介质进行详细的分析研究，按照工况实际情况确定耐腐耐磨材料的种类，根据工况的扬程、砂液比重等设计离心泵的叶轮和泵体等。国外企业在合金材料选用和性能设计方面的针对性很强，产品使用效果好。我国耐腐耐磨离心泵产品在可靠性、使用寿命等方面与国外产品存在着较大差距，技术差距是制约我国耐腐耐磨离心泵产品发展的一个瓶颈。

稀土不锈钢合金材料是钢铁、电力、化工、冶炼等多个行业技术设备急需的耐腐耐磨材料，需求量大，使用寿命长[6-10]。过流部件的材料质量一直是困扰耐腐耐磨离心泵行业多年的难题。基于此，开展了新型稀土不锈钢合金材料研制，对研制的稀土不锈钢合金材料耐腐、耐磨、机械性能等进行了测试，并用于离心泵过流部件的制造。

1　稀土不锈钢合金材料研制

1.1　工作介质样本的建立

稀土不锈钢合金材料的研制紧密结合客户实际应用需要。研发小组前期广泛开展了客户工作介质收集、取样、化验及分析研究工作，初步建立了工作介质化学物理数据库。

1#工作介质：（1）CaSO4·2H2O（20～100 ）g/kg，CaCO3（3～20）g/kg，MgCO3（5～20）g/kg，杂质（3～15）g/kg；（2）工作温度（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#工作介质：（1）硫酸铵（50～400）g/kg，亚硫酸铵（50～300）g/kg；（2）工作温度（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#工作介质：（1）H2SO4（100～150）g/L，Cl-（10～50）g/L；（2）工作温度（30～70）℃；（3）pH值3.5～6.0；（4）密度（1 050～1 500）kg/m3；（5）含固量＜30%。

4#工作介质：（1）硫酸锌矿浆，含硫酸（10～70）g/L；（2）工作温度（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#工作介质：Cl-、SO42-含量较多，少量F-离子；含固量20%～40%；工作温度（50～85）℃。

1.2　稀土不锈钢合金材料研制配方设计研究

基于前期的基础研究与工作介质的建立，开展了稀土不锈钢合金材料研制配方设计研究，建立了1#稀土不锈钢合金材料配方、2#稀土不锈钢合金材料配方、3#稀土不锈钢合金材料配方、4#稀土不锈钢合金材料配方、5#稀土不锈钢合金材料配方，详见表1至表5。

表1　1#稀土不锈钢合金材料配方

化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/% 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#稀土不锈钢合金材料配方

化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/% 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#稀土不锈钢合金材料配方

化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/% 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#稀土不锈钢合金材料配方

化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/% 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#稀土不锈钢合金材料配方

化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%化学成分质量分数/% 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

根据上述1#配方至5#配方进行熔炼、铸造、热处理等多道工序研制出多种稀土不锈钢铸件材料，对研制出的稀土不锈钢铸件材料进行性能测试。

2　稀土不锈钢铸件材料性能测试

2.1　稀土不锈钢铸件材料金相组织分析

采用金相显微镜分别对1#配方至5#配方研制的稀土不锈钢铸件材料进行金相组织检查。

2.1.11#稀土不锈钢合金金相组织

对在1 100℃温度下进行固溶热处理后的不锈钢合金铸件取样，进行金相组织检查，奥氏体比例为57%，如图1所示。从图1可知，经过1 100℃温度下进行固溶热处理后，金相组织致密，孔隙少，无夹杂物，颗粒大小分布较均匀。

图1　1# 稀土不锈钢合金金相组织

2.1.22#稀土不锈钢合金金相组织

对在1 090℃温度下进行固溶热处理后的不锈钢合金铸件取样，进行金相组织检查，奥氏体比例为55%，如图2所示。从图2可知，经过1 090℃温度下进行固溶热处理后，金相组织呈类枝晶状特征。

图2　2# 稀土不锈钢合金金相组织

2.1.33#稀土不锈钢合金金相组织

对在1 100℃温度下进行固溶热处理后的不锈钢合金铸件取样，进行金相组织检查，奥氏体比例为53%，如图3所示。从图3可知，经过1 100℃温度下进行固溶热处理后，金相组织枝晶特征突出，枝晶间距较大。

图3　3# 稀土不锈钢合金金相组织

2.1.44#稀土不锈钢合金金相组织

对在1 100℃温度下进行固溶热处理后的不锈钢合金铸件取样，进行金相组织检查，奥氏体比例为90%，如4所示。从图4可知，经过1 100℃温度下进行固溶热处理后，金相组织出现方向各异的晶粒取向分布，存在板条状形貌的晶粒。

图4　4# 稀土不锈钢合金金相组织

2.1.55#稀土不锈钢合金金相组织

对在（800～950）℃温度下进行退火处理后的不锈钢合金铸件取样，进行金相组织检查，铁素体和碳化物的比例为47%，如图5所示。从图5可知，5#稀土不锈钢合金金相组织为奥氏体+铁素体+粒状共晶碳化物。5#稀土不锈钢合金腐蚀的形式是晶界腐蚀和小孔腐蚀。

图5　5# 稀土不锈钢合金金相组织

2.2　稀土不锈钢铸件材料静态腐蚀中金相组织分析

按照ISO 3651—1:1998不锈钢晶间腐蚀试验方法，将耐腐耐磨离心泵应用工程的工作介质的腐蚀性提高10%～30%，对不锈钢材料进行2个月的静态腐蚀性试验，对比金相组织可以检查铸造质量对耐腐蚀性的影响。

对静态腐蚀性试验后的试件进行金相检查，发现除了试件表面的腐蚀外，在金相中显示的深度腐蚀主要发生在存在裂纹、夹杂、疏松等地方，如图6、图7、图8所示。由图6可知，静态腐蚀性试验后的金相组织出现了细微裂纹，细微裂纹呈河流状扩展。由图7可知，静态腐蚀性试验后的金相组织出现了大面积聚集的非金属氧化物夹杂。由图8可知，静态腐蚀性试验后的金相组织σ相在沿晶界连续析出并呈现球化趋势。

图6　裂纹

图7　夹杂

图8　5%的σ相析出

试验反映了1#、2#、3#、4#等双相不锈钢中的Cr、Ni、Mo、Cu等合金元素可以发生组合作用，在金属表面形成致密抗氧化膜，从而提高了材料耐腐蚀性能。

5#试件表面有全面的、较深的腐蚀坑，主要原因是材料组织中存在的碳化物耐腐蚀性差，基体与碳化物间存在的电位差引起相界腐蚀。5#试件比1#、2#、3#、4#试件的腐蚀表面严重。1#、2#、3#、4#试件腐蚀的主要形式是小孔腐蚀，致密抗氧化膜是双相不锈钢材料表面耐化学浸泡腐蚀性能优越的主要原因。

2.3　稀土不锈钢铸件材料腐蚀磨损性动态试验

在实际应用的过程中，由于工作介质不断冲刷过不锈钢合金材料的表面，具备磨损性，因此所产生的金属表面的钝化现象比静态腐蚀性试验中产生的要弱很多，而且静态腐蚀性试验不能模拟磨损性试验。本文选择了典型客户应用项目来进行不锈钢合金材料的腐蚀磨损性动态试验。

以1#稀土不锈钢材料为过流部件的离心泵作为材料试验载体，工作介质为Cl-9 000 mg/L，pH值为4.0，密度为1 400 kg/m3。

在某客户处进行动态腐蚀磨损性试验，试验时长3个月。试验结束时各过流零部件完好，腐蚀磨损量少，试验后的离心泵零件如图9所示。过流部件材质满足现场使用工况要求，年腐蚀磨损量测算为0.2/106*300=0.566（mm），泵使用寿命（主要过流部件表面腐蚀磨损量达到2 mm时达到寿命期）：2 mm/0.566 mm=3.533 5（年）。

图9　试验后的离心泵过流部件

2.4　稀土不锈钢铸件材料机械性能、晶粒度、非金属夹杂物

按照1#至5#配方研制的稀土不锈钢铸件材料经柳州市质量检验检测研究中心权威机构检测，其抗拉强度达到（260-917）MPa，内部晶粒等级≤12.0级（500×），内部组织A、B、C、D、DS各类夹杂物均小于1.5i（级），符合柳州酸王泵制造股份有限公司企业技术指标要求。

3　结论

研制的1#至5#稀土不锈钢合金材料通过金相组织分析、静态腐蚀中金相组织分析、腐蚀磨损性动态试验以及机械性能、晶粒度、非金属夹杂物检验检测表明：

（1）1#、2#、3#、4#等双相不锈钢中的Cr、Ni、Mo、Cu 等合金元素可以发生组合作用，在金属表面形成致密抗氧化膜，从而提高了材料耐腐蚀性能。

（2）5#试件比1#、2#、3#、4#试件的腐蚀表面严重。1#、2#、3#、4#试件腐蚀的主要形式是小孔腐蚀，致密抗氧化膜是双相不锈钢材料表面耐化学浸泡腐蚀性能优越的主要原因。

（3）以1#稀土不锈钢材料为过流部件的离心泵作为材料试验载体，在具体应用工况下试验3个月后，过流零部件完好、腐蚀磨损量少，过流部件材质满足现场使用工况要求，使用寿命经测算达到3.533 5年。

（4）1#至5#配方研制的稀土不锈钢铸件材料经柳州市质量检验检测研究中心权威机构检测，机械性能、晶粒度、非金属夹杂物符合柳州酸王泵制造股份有限公司企业技术指标要求。

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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，江苏靖江人，柳州酸王泵制造股份有限公司工程师，从事功能材料研发及生产。

封余贤（1986－），男，广西钦州人，广西产研院新型功能材料研究所有限公司高级工程师，硕士，从事新型功能材料技术研究及成果转移转化工作。