耐热钢材质ZG35Cr24Ni7SiN与ZG40Cr25Ni20Si2的热处理特性及其在耐火材料领域的应用

1 引言

耐热钢是在高温环境下具有抗氧化、抗蠕变和足够持久强度的特殊钢种，广泛应用于冶金、建材、石化等高温工业领域。其中，ZG35Cr24Ni7SiN和ZG40Cr25Ni20Si2是两种典型的奥氏体耐热铸钢，常被用于制造承受高温的部件，如热处理炉辊、炉底板、坩埚、燃烧器喷嘴等，尤其是在与耐火材料配合使用的工况中。热处理工艺对这两种材料的微观组织和性能具有决定性影响。本文将对这两种耐热钢的化学成分、热处理工艺及其与耐火材料的相互作用进行详细探讨。

2 耐热钢的化学成分与性能特点

2.1 ZG35Cr24Ni7SiN

ZG35Cr24Ni7SiN是一种含氮奥氏体耐热钢，其化学成分大致为：碳（C）0.30%～0.40%，铬（Cr）23.0%～25.0%，镍（Ni）6.0%～8.0%，硅（Si）0.50%～1.50%，氮（N）0.15%～0.25%，锰（Mn）≤1.50%，磷（P）≤0.04%，硫（S）≤0.03%。该钢种的特点是高铬低镍，并加入氮以稳定奥氏体、提高强度。其显微组织为奥氏体基体上分布着少量的碳化物和氮化物。由于镍含量较低，成本相对经济，同时在900～1100℃范围内具有很好的抗氧化性和抗蠕变性能。

2.2 ZG40Cr25Ni20Si2

ZG40Cr25Ni20Si2是一种高铬镍奥氏体耐热钢，化学成分大致为：碳（C）0.35%～0.45%，铬（Cr）24.0%～26.0%，镍（Ni）19.0%～22.0%，硅（Si）1.50%～2.50%，锰（Mn）≤1.50%，磷（P）≤0.04%，硫（S）≤0.03%。该钢种具有更高的镍含量，因而奥氏体组织更加稳定，高温性能更优，特别是在1000℃以上仍能保持较高的强度和组织稳定性。硅的加入有助于提高抗氧化性和抗渗碳性，但含量过高会降低塑韧性。该材料常用于石化裂解炉管、辐射管等要求高抗蠕变和抗高温腐蚀的场合。

3 热处理工艺

耐热钢铸件的热处理通常包括退火、正火、淬火和回火等，但因其高合金特性，通常采用固溶处理与时效处理来调整组织。

3.1 ZG35Cr24Ni7SiN的热处理

对于ZG35Cr24Ni7SiN，推荐的热处理工艺为：

• 固溶处理：加热至1100～1150℃，保温2～4小时（视壁厚），然后水淬或空冷。目的是使碳化物和氮化物充分溶解，获得过饱和奥氏体组织，提高韧性和耐蚀性。
• 时效处理：经固溶后，在750～850℃保温4～8小时，空冷。目的是析出细小的碳氮化物，提高高温强度。有时也可直接铸态使用，但性能不均匀。

3.2 ZG40Cr25Ni20Si2的热处理

对于ZG40Cr25Ni20Si2，推荐的热处理工艺为：

• 固溶处理：加热至1120～1180℃，保温2～6小时，水淬或急冷。使碳化物充分溶解，获得单一奥氏体组织。
• 稳定化处理：在900～950℃保温4～8小时，然后空冷，促使碳化铬析出，减少晶界贫铬，提高抗晶间腐蚀能力。
• 对于某些要求抗蠕变的部件，还可进行高温时效，如在850～900℃保温6～10小时。

热处理过程中应注意防止氧化和脱碳，可采用保护气氛或真空炉。应控制冷却速度，避免过快导致开裂。

4 与耐火材料的相互作用

在高温工业炉中，耐热钢部件通常与耐火材料直接接触或邻近，因此二者之间的相互作用至关重要。

4.1 热膨胀匹配

耐热钢的线膨胀系数较大（约18～20×10⁻⁶/K），而耐火材料的热膨胀系数通常较小（如粘土砖约5×10⁻⁶/K），二者不匹配会导致热应力，可能引起耐火材料开裂或钢结构变形。设计时需要预留膨胀缝或采用膨胀系数接近的耐火材料（如刚玉质、高铝质）。

4.2 化学侵蚀

耐火材料中的SiO₂、Al₂O₃等成分在高温下可能与钢中的Cr、Ni等元素发生反应，形成低熔点相，导致耐热钢的表面腐蚀或耐火材料的侵蚀。例如，硅质耐火材料在与高铬钢接触时，Cr可能还原SiO₂，生成Cr₂O₃和Si，渗入耐火材料中。ZG40Cr25Ni20Si2由于硅含量较高，与碱性耐火材料（如镁质）相容性较好，但与酸性耐火材料接触需谨慎。

4.3 热震稳定性

耐热钢部件如炉辊需抵抗因温度急剧变化引起的热震，同时耐火材料内衬也应具备良好的热震稳定性。协调两者的热震性能可延长整体炉衬寿命。

5 应用案例

在连续退火炉中，炉底辊常采用ZG35Cr24Ni7SiN离心铸造，外部包裹耐火纤维或浇注料，以减少热损失和钢辊氧化。在石化加热炉中，裂解炉管采用ZG40Cr25Ni20Si2，内衬为氧化铝空心球砖，二者配合良好，可耐1100℃以上高温。实践表明，通过合理选择热处理工艺和耐火材料，可显著提高部件的使用寿命。

6 结论

ZG35Cr24Ni7SiN和ZG40Cr25Ni20Si2是两种重要的奥氏体耐热铸钢，通过合适的固溶和时效处理，可以获得优良的高温综合性能。在高温设备设计中，必须充分考虑耐热钢与耐火材料的热膨胀匹配、化学相容性和热震稳定性，以确保设备长期安全运行。随着对高温性能要求的不断提高，微合金化和复合耐火材料的设计将是重要发展方向。