机械工程材料: 耐热钢

机械工程材料:耐热钢耐热钢是在高温下具有较高的强度和良好的化学稳定性的合金钢。它包括抗氧化钢(或称高温不起皮钢)和热强钢两类。抗氧化钢一般要求较好的化学稳定性﹐但承受的载荷较低。热强钢则要求较高的高温强

机械

工程材料:

耐热钢

耐

热

钢

是在高温下具有较高的

强度

和良好的化学稳定性的

合金钢

。它包括抗氧化钢(或称高温不起皮钢)和热强钢两类。抗氧化钢一般要求较好的化学稳定性﹐但承受的

载荷

较低。热强钢则要求较高的高温强度和相应的抗氧化性。耐热钢常用於製造

锅炉

﹑汽轮机﹑

动力

机械﹑

工业炉

和航空﹑

石油

化工等工业部门中在高温下

工作

的零部件。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化

腐蚀

外﹐根据用途不同还要求有足够的

韧性

﹑良好的可加工性和

焊接性

﹐以及一定的组织稳定性。中国自1952年开始生產耐热钢。以后研製出一些新型的

低合金

热强钢﹐从而使

珠光体

热强钢的工作温度提高到600～620﹔此外﹐还发展出一些新的低

铬

镍

抗氧化钢种。

耐热钢和不锈

耐酸钢

在使用

范

围上互有交叉﹐一些

不锈钢

兼具耐热钢特性﹐既可用作为不锈耐酸钢﹐也可作为耐热钢使用。

合金

元素的作用

铬﹑

铝

﹑

硅

这些

铁素体

形成的元素﹐在高温下能促使

金属

表面生成致密的氧化膜﹐防止继续氧化﹐是提高钢的抗氧化性和抗高温气体腐蚀的主要元素。但铝和硅含量过高会使室温塑性和

热塑性

严重恶化。铬能显著提高低合

金

钢的

再结晶

温度﹐含量为2％时﹐强化效果*好。

镍﹑

锰

可以形成和稳定

奥氏体

。镍能提高奥氏体钢的高温强度和

改善

抗

渗碳

性。锰虽然可以代镍形成奥氏体﹐但损害了耐热钢的抗氧化性。

钒

﹑鈦﹑鈮是强

碳化物

形成元素﹐能形成细小弥散的

碳

化物﹐提高钢的高温强度。鈦﹑鈮与碳结合还可防止奥氏体钢在高温下或焊后產生晶间腐蚀。

碳﹑氮可扩大和稳定奥氏体﹐从而提高耐热钢的高温强度。钢中含铬﹑锰较多时﹐可显著提高氮的溶解度﹐并可利用氮

合金化

以代替

价格

较贵的镍。

硼

﹑

稀土

均为耐热钢中的微量元素。硼溶入

固溶体

中使晶体点阵发生畸变﹐

晶界

上的硼又能阻止元素扩散和晶界迁移﹐从而提高钢的高温强度﹔稀土元素能显著提高钢的抗氧化性﹐改善热塑性。

类别耐热钢按其组织可分为四类﹕

珠光体钢合金元素以铬﹑鉬为主﹐总量一般不超过5％。其组织除珠光体﹑

铁

素体外﹐还有

贝氏体

。这类钢在500～600有良好的高温强度及

工艺

性能﹐价格较低﹐广泛用於製作600以下的耐热部件。如

锅炉钢

管﹑汽轮机叶轮﹑转子﹑

紧固件

及高压容器﹑

管道

等。典

型钢

种有﹕16Mo﹐15CrMo﹐

12Cr1MoV

﹐12Cr2MoWVTiB﹐10Cr2Mo1﹐25Cr2Mo1V﹐

20Cr

3MoWV等。

马氏体

钢含铬量一般为7～13%﹐在650以下有较高的高温强度﹑抗氧化性和耐水汽腐蚀的

能力

﹐但

焊接

性较差﹐含铬12%左右的

1Cr13

﹑2Cr13﹐以及在此

基础

上发展出来的

钢号

如1Cr11MoV﹐1Cr12WMoV﹐2Cr12WMoNbVB等﹐通常用来製作汽轮机叶片﹑轮盘﹑轴﹑紧固件等﹐此外﹐作为製造

内燃机

排气阀

用的4Cr9Si2﹐4Cr10Si2Mo等也属於马氏体耐热钢。

铁素体钢含有较多的铬﹑铝﹑硅等元素﹐形成单相铁素体组织﹐有良好的抗氧化性和耐高温气体腐蚀的能力﹐但高温强度较低﹐室温脆性较大﹐焊接性较差。如1Cr13SiAl﹐1Cr25Si2等。一般用於製作承受载荷较低而要求有高温抗氧化性的部件。

奥氏体钢含有较多的镍﹑锰﹑氮等奥氏体形成元素﹐在600以上时﹐有较好的高温强度和组织稳定性﹐焊接性能良好。通常用作在600以上工作的热强材料。典型钢种有1Cr18Ni9Ti﹐1Cr23Ni13﹐1Cr25Ni20Si2﹐2Cr20Mn9Ni2Si2N﹐4Cr14Ni14W2Mo等。

生產工艺

冶炼耐热钢一般在

电弧炉

或

感应炉

中

熔炼

。质量要求高的往往採用真空精炼和炉外精炼工艺。

铸造某些高合金耐热钢难以加工变形﹐生產

铸件

不仅比轧材合算﹐而且铸件还有较高的持久强度。所以在耐热钢中耐热

铸钢

佔有相当大的比例。铸造方法除採用砂型铸造外﹐还可用精密铸造工艺以获得表面光滑﹑尺寸精确的產品。对合成

氨

和

乙烯

裂解用的高温炉管往往採用离心铸造的方法。

热处理

珠光体热强钢通常经

正火

或

调质

后使用﹔马氏体耐热钢用调质处理﹐以稳定组织﹐得到良好的综合力学性能和高温强度。

铁素体钢不能通

过热

处理强化。为消除因冷塑性变形加工和焊接所导致的内

应力

﹐可在650～830进行

退火

处理﹐退火后快速

冷却

﹐以便迅速地经过475脆性温度范围。

奥氏体抗氧化钢大多採用高温

固溶

热处理﹐以获得良好的

冷变形

性。奥氏体热强钢则先用高温固溶处理﹐然后在高於使用温度60～100条件下进行

时效

处理﹐使组织稳定化﹐同时析出第二相﹐以强化基体。耐热铸钢多在铸态下使用﹐也有根据耐热钢的种类採用相应的热处理的。