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一般耐热钢铸钢的用途和类别

2010-7-22 9:49:49 中国耐热钢网 【字体:
中国耐热钢网耐热钢是指在高温下工作并具有一定
强度和抗氧化,耐腐蚀能力的钢种.包括
热稳定钢(抗氧化钢)和热强钢.
热稳定钢是指在高温下抗氧化或抗高温介
质腐蚀而不破坏的钢.
热强钢是指在高温下有一定抗氧化能力并
具有足够强度而不产生大量变形或断裂的
钢.
一,耐热钢的用途
制造蒸汽锅炉,蒸汽轮机,燃气涡轮,
喷气发动机以及火箭,原子能装置等构件或
零件.
二,耐热钢的工作条件及性能要求:
在450℃以上,甚至高达1100℃以上工作,并且
承受静载,疲劳或冲击的作用.
钢件与高温气相接触,表面要发生高温氧化或腐蚀
破坏.材料在高温作用下,屈服极限和抗拉强度要
降低,尤其要降低钢的形变强化作用.如果在高温
下给钢件加一比该温度下屈服极限还低的恒定的应
力,那么在温度和载荷的长时间作用下,钢将以一
定的速度产生塑性变形.这一现象称为蠕变.最终
能导致钢件的断裂.因此-----
三,钢的热稳定性和抗氧化性
是指钢在高温下抗氧化或抗高温介质腐
蚀的能力.用单位时间,单位面积上氧化后
重量增加或减少的数值表示.
钢在高温下与氧发生化学反应,若能在
表面形成一层致密的,并能牢固地与金属表
面结合的氧化膜,那么钢将不再被氧化.
碳钢一般不能满足这个要求.
铁与氧可以有三种氧化物.但氧化膜的结构与温
度有关.560℃以下,氧化物由Fe2O3和Fe3O4组成.
这种氧化物致密,点阵结构复杂,点阵常数小,
铁离子难以通过它们进行扩散,可以防止进一步
氧化.当温度超过560℃时,Fe2O3和Fe3O4下面形
成FeO层.点阵结构简单,缺位固溶体,点阵中
有空隙,铁离子易通过FeO层进行扩散,因此加
剧铁的氧化.
为了提高钢的抗氧化性,
1)要防止FeO形成或提高其形成温度.当Cr,Al,
Si含量较高时,钢和合金在800~1200℃也不出现FeO.
零件工作温度越高,保证钢有足够抗氧化性的Cr,Al,
Si含量也应越高.
2)加入元素Cr,Al,Si形成Cr2O3,A12O3或
FeO·Cr2O3,FeO·A12O3,FeSiO4等很致密的,牢固结合
的合金氧化膜,可以阻止铁离子和氧原子的扩散,有
良好的保护作用.


4)在抗氧化钢中加Ni,主要是形成奥氏
体,改善工艺性能,提高钢的热强性.
5) 碳对钢的抗氧化性不利,因为碳和铬易
形成铬的碳化物,减少基体中含铬量,易产
生晶间腐蚀.为0.1~0.2%左右.
∪抗氧化钢:
有较强抗高温氧化性能, 而不承受较大
载荷的一类钢.
1,钢的抗氧化性能
①要求氧化膜比较致密, 不利于铁原子在氧
化膜中的扩散;
②要求氧化膜与金属基体有较好的结合, 不
容易破坏和脱落.
2,提高钢抗氧化性能的途径
①添加Cr, Al, Si合金元素;
②提高钢氧化膜的稳定性, 使FeO的形成温
度高;
③形成致密的氧化膜.
3,抗氧化钢的类型
①铁素体型:
∪Cr13钢--添加Si, Al →Cr13SiAl;
∪Cr18钢--添加Si, →Cr18Si2;
∪Cr25钢--添加Si, Al →Cr24Al2Si;
②奥氏体型:
∪1Cr18Ni9型钢--添加Ni, Si →
Cr18Ni25Si2;
∪Fe-Al-Mn系;
∪Cr-Mn-N系;
四,钢的热强性
∪热强性表示金属在高温和载荷长时间作用下抵抗
蠕变和断裂的能力,即高温强度,有:
∪蠕变极限:是在一定温度下,规定时间内试样产
生一定蠕变变形量的最大应力.如某钢σ550
1/100000=
68.6MN/m2,表示钢在550℃经105h工作或试验后,允许
总变形量为1%时的应力为68.6MN/m2.
∪持久强度:表示在一定温度下,经过一定时间而
引起破断的应力,如σ700
1000表示在700℃下,经1000h
的破断应力.
∪钢的高温机械性能不仅与加载时间有
关,还与温度和组织变化有关.
∪温度升高,钢的晶粒强度和晶界强度
都下降.但晶界强度下降较快,如图6-2
所示.晶粒强度和晶界强度相等时的温度
叫等强温度.

在等强温度以下的较低温度,由于
晶界原子排列规则性差,存在较大的点
阵畸变,滑移只能在晶内进行,晶界阻
碍位借运动,从而使钢得到强化.可
见,钢在低温下,细晶粒材料比粗晶粒
材料蠕变强度高.
高温下,蠕变主要是晶界扩散变形引起的,
晶界反而加速了多晶体弱化过程.因此,粗晶粒
材料具有较高的蠕变强度.但是晶粒过于粗大,
又会影响高温塑性和韧性.
钢在高温下塑性变形引起加工硬化使钢强
化,但是已强化了的钢位错结构不稳定,会产生
回复再结晶以及弥散质点球化和聚集等软化过
程,使钢的强度降低.
热强性
主要取决于原子间结合力和钢的组织结构状态.
(1)往基体钢中加入一种或几种合金元素,形成
单相固溶体,可提高基体金属原子间的结合力和热
强性.溶质原子和溶剂金属原子尺寸差异越大,熔
点越高,则基体热强性越高.
W,Mo,Cr,Mn是提高基体热强性合金元素.W,
Mo等高熔点金属溶入固溶体,阻碍扩散过程,增强
原子结合力.提高基体的再结晶温度,从而提高钢
的热强性.
(2)从过饱和的固溶体中沉淀出弥散的强化相可
以显著提高钢的热强性.W,Mo,V,Ti,Ni等元素
在钢中能形成各种类型的碳化物或金属间化合物.
如Mo2C,V4C3,VC,NbC等.
这些强化相在沉淀时与基体保持共格或半共格联
系,产生很强的应力场,阻碍位错运动,使钢得到
强化.在高温下能保持很高的强化效果,从而显著
提高钢的热强性.
(3)晶界是钢在高温下的一个弱化因
素,加入化学性质极活泼的元素(如Ca,Nb,
Zr及稀土等)与S,P及其它低熔点杂质形成
稳定的难熔化合物,可以减少晶界杂质偏
聚,提高晶界区原子间结合力.加入B,Ti,
Zr等表面活化元素,可以充填晶界空位,阻
碍晶界原子扩散,提高蠕变抗力.
(4)通过热处理或形变热处理,获
得适当的晶粒大小,促进合金碳化物的弥
散分布,调整基体和强化相的成分,细化
基体亚结构等可有效地提高钢的热强性.
热强钢:
在高温下工作, 承受较大载荷的一类
钢.
1,热强钢的性能要求
有较高的蠕变极限和高温持久强度,
以及良好的高温疲劳性能.
2,提高热强性的途径
①增加Cr, Mo等元素的固溶强化;
②降低S,P杂质元素含量;
③用B,Ti,Zr进行晶界强化;
④通过碳化物和金属间化合物的弥散相强化.
3,热强钢的类型
①低碳珠光体型热强钢--如: 12Cr1MoV
(锅炉用钢)
②中碳珠光体型热强钢--如: 35CrMoV
(汽轮机转子用钢)
③马氏体型热强钢------如: 15Cr12WMoV
(汽轮机叶片用钢
④奥氏体型热强钢------如: Cr18Ni10Mo.
6.2 常用耐热钢及热处理
按正火组织可分为珠光体,马氏体和奥氏体钢等.
1.珠光体耐热钢
属于低碳合金钢,工作温度在450~550℃有较高
的热强性.
主要用于制造载荷较小的动力装置上的零部件,
例如锅炉钢管或其它管道材料.
常用的钢种有15CrMo,12Cr1MoV,12MoVWBSiRe
及12Cr2MoWVSiTiB等,其中12CrlMoV是大量使用的
钢管材料(见表6-1).

钢中的Cr和Si可提高钢的抗氧化性和抗气
体腐蚀能力;Cr,Mo,W可溶于铁素体,提高
其再结晶温度,从而提高基体金属的蠕变强
度;V,Ti,Mo,Cr能形成稳定,弥散的碳化
物,起沉淀强化作用.微量的B和Re起强化晶
界作用
热处理一般采用正火(950~1050℃)
和高于使用温度100℃的回火(600~750
℃),得到铁素体+珠光体组织.正火冷却
速度快些可以得到贝氏体组织,提高持久强
度.回火温度高些,可以得到弥散的碳化物
并使组织趋向稳定.
2.马氏体耐热钢
这类钢包括用来制造汽轮机叶片的含Cr为10~
13%.用于制造汽油机或柴油机排气阀的Cr-Si钢.
工作温度可在550~600℃之间.
汽轮机叶片用钢的常用牌号有1Cr13,15Cr11MoV,
15Cr12WMoVA等见表6-2.
( 1 cN c 8]… ˇ
在1Cr13基础上,加入W,Mo,V,Ti,
Nb是为了强化基体固溶体及形成更稳定的碳
化物,加B可以强化晶界,从而可以提高钢
的热强性和使用温度.
热处理工艺为1000~1150℃油淬,
650~740 ℃回火,得到回火屈氏体或回火
索氏体组织.
排气阀用钢的常用牌号有4Cr9Si2和
4Cr10Si2Mo等(见表6-2),钢中的Cr和
Si量适当配合,可以提高钢的热强性.Si
能提高钢的Ac1温度,提高钢的使用温度.
加Mo可以提高钢的热强性和消除回火脆性.
4Cr9Si2钢在800~880℃退火状态下使
用;4Cr10Si2Mo钢在1050℃油淬在720~
780℃回火后使用,这两种钢的使用温度最
高可在750℃以下.
3.奥氏体耐热钢
由于γ-Fe原子排列致密,原子间结合力
较强,再结晶温度高.因此,奥氏体耐热钢比
珠光体,马氏体耐热钢具有更高的热强性和抗
氧化性.最高工作温度可达850℃.
∪这类钢中加入大量的Cr和Ni是为了提高
钢的抗氧化性和稳定奥氏体,也有利于热强
性.加入W,Mo,V,Ti,Nb,Al,B等元素,
可强化奥氏体(W,Mo等),形成合金碳化物
(V,Nb,Cr,W,Mo等)和金属间化合物
(Al,Ti,Ni等)以及强化晶界(B),可进
一步提高钢的热强性.
∪奥氏体耐热钢钢种:
1Cr18Ni9Ti,1Cr18Ni9Mo等18-8型
钢(见表6-3)属于固溶强化奥氏体耐热
钢,可在600~700oC以下使用,具有良好抗
氧化性和一定的热强性.通常用来作喷气发
动机排气管和冷却良好的燃烧室零件.
( 1 cN c 8]… ˇ
∪4Cr13Ni8Mn8MoVNb(GH36)是国内外
应用较多的一种以碳化物作强化相的奥氏
体耐热钢(见表6-1),具有较高的热强
性,可在600~700℃使用.用来做喷气发
动机涡轮及叶片材料或高温紧固件.
∪热处理工艺:
奥氏体耐热钢的热处理通常加热至
1000℃以上保温后油冷或水冷,进行固溶处
理;然后在高于使用温度60~100℃进行一
次或两次时效处理,以沉淀出强化相,稳定
钢的组织,进一步提高钢的热强性.
各种耐热钢的化学成分,热处理规范及
用途见表6-1,2,3.
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