耐熱鋼及高溫合金鋼，耐熱鋼管及高溫合金鋼管

[ 關(guān)鍵詞：高溫合金鋼管　發(fā)表日期：2022-01-06 11:53:14 ]

　　耐熱鋼及高溫合金鋼、耐熱鋼管及高溫、合金鋼管、耐熱鋼及高溫合金鋼(耐熱鋼管及高溫合金鋼管) ，耐熱鋼及高溫合金鋼(耐熱鋼管及高溫合金鋼管) 精密鋼管。

　　各種動力機械、熱電站中的鍋爐和蒸汽輪機、航空和艦艇用的燃汽輪機以及原子反應(yīng)堆工程等結(jié)構(gòu) 中的許多結(jié)構(gòu)件是在高溫狀態(tài)下工作的。工作溫度的升高 ，一方面影響鋼的化學(xué)穩(wěn)定性；另一方面降低 鋼的強度。為此，要求鋼在高溫下應(yīng)具有 (1)抗蠕變、抗熱松弛和熱疲勞性能及抗氧化能力； (2)在一定介質(zhì)中耐腐蝕的能力以及足夠的韌性； (3)具有良好的加工性能及焊接檢； (4)按照不同用途、有合理的組織穩(wěn)定性。 耐熱鋼是指在高溫下工作并具有一定強度和抗氧化耐腐蝕能力的鋼種，耐熱鋼包括熱穩(wěn)定鋼和熱強 鋼。熱穩(wěn)定鋼是指在高溫下抗氧化或執(zhí)高溫介質(zhì)腐蝕而不破壞的鋼種 ，如爐底板、爐柵等。它們工作時 的主要失效形式是高溫氧化。而單位面積上承受的載荷并不大。熱強鋼是指在高溫下有一定抗氧化能力 并具有足夠強度而不產(chǎn)生大量變形或斷裂的鋼種，如高溫螺栓、渦輪葉片等。它們工作時要求承受較大 的載荷，失效的主要原因是高溫下強度不夠、導(dǎo)致失穩(wěn)、失效。

1 鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定鋼

一、鋼的抗氧化性能及其提高途徑

　　工件與高溫空氣、蒸汽或燃氣接觸時表面要發(fā)生高溫氧化或腐蝕破壞。因此，要求工件必須具備較 好的熱穩(wěn)定性。除了加入合金元素方法外，目前還采用滲金屬的方法，如滲Cr、滲Al 或滲Si，以提高鋼 的抗氧化性能。

二、熱穩(wěn)定鋼

　　熱穩(wěn)定鋼(又稱抗氧化鋼)廣泛用于工業(yè)鍋爐中的構(gòu)件，如爐底板、馬弗爐、輻射管等，這種用途的熱 穩(wěn)定鋼有鐵素體（F）型熱穩(wěn)定鋼和奧氏體（A）型熱穩(wěn)定鋼兩類。 F 型熱穩(wěn)定鋼是在 F 不銹鋼的基礎(chǔ)上進行抗氧化合金化而形成的鋼種、具有單相F 基體，表面容易獲 得連續(xù)的保護性氧化膜。根據(jù)使用溫度 ，可分為Cr13 型鋼、Cr18 型鋼和 Cr25 型鋼等。F 型熱穩(wěn)定鋼和F 不銹鋼一樣，因為沒有相變，所以晶粒較粗大，韌性較低，但抗氧化性很強。 A 型熱穩(wěn)定鋼是在A 型不銹鋼的基礎(chǔ)上進一步經(jīng)Si、Al 抗氧化合金化而形成的鋼種。A 型熱穩(wěn)定鋼 比F 型熱穩(wěn)定鋼具有更好的工藝性能和熱強性。但這類鋼因消耗大量的Cr、Ni 資源，故從50 年代起研 究了Fe-Al－Mn 系和Cr－Mn-N 系熱穩(wěn)定鋼來替代 ，并已取得了一定進展。

2 金屬的熱強性

一、高溫下金屬材料力學(xué)性能特點

　　在室溫下，鋼的力學(xué)性能與加載時間無關(guān)，但在高溫下鋼的強度及變形量不但與時間有關(guān)，而且與 溫度有關(guān)，這就是耐熱鋼所謂的熱強性。熱強性系指耐熱鋼在高溫和載荷共同作用下抵抗塑性變形和破 壞的能力。由此可見在評定高溫條件下材料的力學(xué)性能時，必須用熱強性來評定。熱強性包括材料高溫 條件下的瞬時性能和長時性能。 瞬時性能是指在高溫條件下進行常現(xiàn)力學(xué)性能試驗所測得的性能指標(biāo)。如高溫拉伸、高溫沖擊和高 溫硬度等。其特點是高溫、短時加載 ，一般說來瞬時性能是鋼熱強性的一個側(cè)面，所測得的性能指標(biāo)一 般不作設(shè)計指標(biāo)，而是作為選擇高溫材料的一個參考指標(biāo)。 長時性能是指材料在高溫及載荷共同長時間作用下所測得的性能，常見的性能指標(biāo)有：蠕變極限、 持久強度、應(yīng)力松馳高溫疲勞強度和冷熱疲勞等。

二、熱強性的影響因表及其提高途徑

1.影響耐熱鋼熱強性的因素

　　隨著溫度的升高，耐熱鋼抵抗塑性變形和斷裂的能力不斷降低，這主要是由以下兩個因素造成的：

(1)影響耐熱鋼的軟化因素。隨著溫度的升高、鋼的原子間結(jié)合力降低、原子擴散系數(shù)增大，從而導(dǎo) 致鋼的組織由亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)定態(tài)過渡，如第二相的聚集長大、多相合金中成分的變化、亞結(jié)構(gòu)異化及發(fā)生 再結(jié)晶等，這些因素都導(dǎo)致鋼的軟化。
(2)形變斷裂方式的變化。金屬材料在低溫下形變時一般都以滑移方式進行，但隨著溫度的升高，載 荷作用時間加長，這時不僅有滑移，而且還有擴散形變及晶界的滑動與遷移等方式。擴散形變是在金屬 發(fā)生變形但看不到滑移線的情況下提出的。這種變形機制是高溫時金屬內(nèi)原子熱運動加劇 ，致使原子發(fā) 生移動，但在無外力作用下原子的移動無方向性，故宏觀上不發(fā)生變形；當(dāng)有外力作用時，原子移動極 易發(fā)生且有方向性，因而促進變形。當(dāng)溫度升高時，在外力作用下晶界也會發(fā)生滑動和遷移 ，溫度越高， 載荷作用的時間愈長，晶界的滑動和遷移就越明顯。 常溫下金屬的斷裂在正常情況下一般都是穿晶斷裂，這是由于晶界區(qū)域晶格畸變程度大、晶內(nèi)強度 低于晶界強度所致。但隨溫區(qū)升高 ，由于晶界區(qū)域晶格畸變程度小，使原子擴散速度增加，晶界強度減 弱。溫度越高，載荷作用時間越長，則金屬斷裂方式更多地呈現(xiàn)為晶間斷裂。

2.提高鋼的熱強性途徑

　　基于上述分析，提高鋼的熱強性主要途徑有三個方面：基體強化、第二相強化、晶界強化。
(1)基體強化。主要出發(fā)點是提高基體金屬的原子間結(jié)合力、降低固溶體的擴散過程。研究表明，從 鋼的化學(xué)成分來說，凡是熔點高、自擴散系數(shù)小、能提高鋼的再結(jié)晶溫度的合金元素固溶于基體后都能 提高鋼的熱強性。如 Mo、W、Co 和 Cr 等。從固溶體的晶格類型來說，奧氏體基比鐵素體基體的熱強性 高。這是由于奧氏體的點陣排列較鐵素體致密，擴散過程不易進行。如在鐵基合金中，F(xiàn)e、C，Mo 等元 素在A 中的擴散系數(shù)顯著低于在F 中的擴散系數(shù)，這就使回復(fù)和再結(jié)晶過程減慢，第二相聚集速度減慢， 從而使鋼在高溫狀態(tài)下不易軟化。
(2)第二相強化。主要出發(fā)點是要求第二相穩(wěn)定，不易聚集長大，在高溫下長期保持細小均勻的彌散 狀態(tài)，因此對第二相粒子的成分和結(jié)構(gòu)有一定的要求。耐熱鋼大多用難熔合金碳化物作強化相，如 MC， M23C6、M6C 等。為獲得更高的熱強性，可用熱穩(wěn)定性更高的全屬間化合物。如Ni3(TiAl),Ni3Ti,Ni3Al 等 作為基體的強化相。
(3)晶界強化、為減少高溫狀態(tài)下晶界的滑動，主要有下列途徑： ①減少晶界、需適當(dāng)控制鋼的晶粒度。晶粒過細晶界多，雖然阻礙晶內(nèi)滑移，但晶界滑動的變形量 增大、塑變 抗力降低。晶粒過大，鋼的脆性增加，所以要適當(dāng)控制耐熱鋼的晶粒度，一般在2～4 級晶 粒度時能得到較好的高溫綜合性能。 ②凈化晶界。鋼中的S 和P 等低熔點雜質(zhì)易在晶界偏聚，并和鐵易于形成低熔點共晶體，從而削弱 晶界強度，使鋼的熱強性下降。在鋼中加入B 等稀土元素，可形成高熔點的穩(wěn)定化合物，在結(jié)晶過程中 可作為晶核，使易熔雜質(zhì)從晶界轉(zhuǎn)入晶內(nèi)，從而使晶界得到凈化，強化了晶界。 ③填補晶界上空位、晶界處空位較多，使擴散易于進行，是裂紋易于擴展的地方，加入B、Ti、Zr 等表面活化元素，可以填充晶界空位，阻礙晶界原子擴散，提高蠕變抗力。 ④晶界的沉淀強化。如果在晶界上沉淀出不連續(xù)的強化相，將使塑性變形時沿晶界的滑移及裂紋沿 晶界的擴展受阻，使鋼的熱強性提高。例如用二次固溶處理的方法可在晶界上析出鏈狀的Cr23C6 化合物， 從而提高鋼的熱強性。 除此之外，還可用形變熱處理方法將晶界形狀改變?yōu)殇忼X狀晶界和在晶內(nèi)造成多邊化的亞晶界，進 一步提高鋼的熱強性。

3 a-Fe 基熱強鋼

　　a-Fe 基熱強鋼包含珠光體型熱強鋼和馬氏體型熱強鋼、這兩類鋼在加熱和冷卻時會發(fā)生a－γ 轉(zhuǎn)變， 故使進一步提高使用溫度受到限制。這類鋼在中溫下有較好的熱強性、熱穩(wěn)定性及工藝性能，線膨脹系 數(shù)小，合碳量也較低，價格低廉，是適宜在600～650℃以下溫區(qū)使用的熱強鋼，廣泛應(yīng)用于制造鍋爐、 汽輪機及石油提煉設(shè)備等。

一，珠光體型熱強鋼

　　珠光體熱強鋼按合碳量和應(yīng)用特點可分為低碳珠光體熱強鋼和中碳珠光體熱強鋼兩類、前者主要用 于制作鍋爐鋼管，后者主要用于制作汽輪機等耐熱緊固件、汽輪機轉(zhuǎn)子(包含軸、葉輪)等，珠光體熱強鋼 的工作溫度雖然不高，但由于工作時間長，加之受周圍介質(zhì)的腐蝕作用，在工作過程中可能產(chǎn)生下述的 組織轉(zhuǎn)變和性能變化。

1.珠光體的球化和碳化物的聚集。珠光體熱強鋼在長期高溫作用下，其中的片狀碳化物轉(zhuǎn)變成球狀， 分散細小的碳化物聚集成大顆粒的碳化物。這種組織的變化將引起鋼的強烈轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致蠕變極限、持久 強度、屈服極限的降低。這種轉(zhuǎn)變是一種由不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)過渡的自發(fā)進行的過程，是通過碳原 子的擴散進行的。 影響碳化物球化及聚集的主要因素是溫度、時間和化學(xué)成分。碳鋼最容易球化，合碳量增加會加速 球化過程。在鋼的成分中溶入固溶體并降低碳的擴散速度和增加碳化物中原子結(jié)合力的元素如 Cr、MO、 V、Ti 等均能阻礙或延緩球化及聚集過程。
2.鋼的石墨化 鋼件在工作溫度和應(yīng)力長期作用下，會使碳化物分解成游離的石墨，這個過程也是自發(fā)進行的，稱 為珠光體熱強鋼的石墨化過程、它不但消除了碳化物的作用，而且使石墨相當(dāng)于鋼中的小裂紋，使鋼的 強度和塑性顯著降低而引起鋼件脆斷。這是一種十分危險的轉(zhuǎn)變過程。 向鋼中加入Cr、Ti、Nb 等合金元素，均能阻止石墨化過程；另外，在冶煉時不能用促進石墨化的 Al 脫氧；采用退火或回火處理也能減少石墨化傾向。
3.合金元素的再分布 耐熱鋼長期工作時，會發(fā)生合金元素的重新分配現(xiàn)象，即碳化物形成元素Cr、Mo 向碳化物內(nèi)擴散、 富集，而造成固溶體合金元素貧化，導(dǎo)致熱強性下降。生產(chǎn)中經(jīng)常采用加入強碳物形成元素V、Ti、Nb 等從而阻止合金元素擴散聚集的再分布，提高鋼的熱強性。
4.熱脆性 珠光體型不銹鋼在某一溫度下長期工作時，可能發(fā)生沖擊韌性大幅度下降，突然發(fā)生脆性斷裂的現(xiàn) 象。這種脆性稱為熱脆性。它與在該溫度下某種新相的析出有關(guān)。防上熱脆性可采取如下措施 ，使鋼的 長期工作溫度避開脆性區(qū)溫度；冶煉時盡量降低S、P 含量：加入適量的W、Mo 等合金元素，已發(fā)生熱 脆性的鋼，可采用600～650℃高溫回火后快冷的方法加以消除。 珠光體熱強鋼的熱處理，一般經(jīng)正火( Ac3＋ 50℃)處理所得到的組織是不穩(wěn)定的，為了保證在使用 溫度下組織性能穩(wěn)且一般采用高于使用溫度100℃的回火處理。

二、馬氏體型熱強鋼

　　這類鋼主要用于制造汽輪機葉片和汽輪機或柴油機的排氣閥。 應(yīng)用最早的是Cr13 型鋼，它是一種馬氏體不銹鋼。經(jīng)熱處理后，可獲得較高的機械性能和良好的耐 熱性。 Crl3 型馬氏體效強鋼的熱處理工藝通常采用1000～1150℃油淬， 650～750℃高溫回火得到回火屈氏 體和回火索氏體組織，以保證在使用溫度下組織和性能的穩(wěn)定。它們用于制造像用溫度低于588℃的汽輪 機和燃氣輪機的葉片。 4 γ －Fe 基熱強鋼 珠光體、馬氏體類熱強鋼一般使用溫度在650℃以下，不能適用于更高的使用溫度其原因在于，無論 是珠光體基還是馬氏體基熱強鋼，其基體相都是鐵素體，即先天不足。因此必須更換基作組織，即用奧 氏體。奧氏體基鋼之所以比 Fe 基鋼具有更高的熱強性，其原因在于： γ -Fe 晶格的原子間結(jié)合力比α － Fe 晶格的原子間結(jié)合力大；γ -Fe 擴散系數(shù)��；γ -Fe 的再結(jié)晶溫度高(α －Fe 再結(jié)晶溫度為450～600 ℃，而γ -Fe 再結(jié)晶溫度大于800℃)。 γ -Fe 基熱強鋼還具有良好的可焊性、抗氧化性、高的塑性和沖擊韌性。這類鋼也有一些缺點，如室 溫屈服強度低、壓力加工及切削性能較差、導(dǎo)熱性差，而在溫度變化時時效應(yīng)力大，故抗熱疲勞性能差。 但是由于熱強性高，所以得到了充分的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。