机械工程材料: 耐热钢

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    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﹐强化效果最好。   
    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﹐20Cr3MoWV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。 ) T% N! s- l! `