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工业使用耐热钢总论

耐热钢

是指在高温下工作的钢材。

耐热钢铸件

的发展与电站、锅炉、燃气轮机、内燃机、航空发动机等各工业部门的技术进步密切相关。由于各类机器、装置使用的温度和所承受的应力不同,以及所处环境各异,因此所采用的钢材种类也各不相同。这里所谈的温度是个相对的概念。最早在锅炉和加热炉中使用的材料是低碳钢,使用的温度一般在200℃左右,压力仅为0.8MPa。直到现在使用的锅炉用低碳钢,如20g,使用温度也不超过450℃,工作压力不超过6MPa。随着各类动力装置的使用温度不断提高,工作压力迅速增加,现代耐热钢的使用温度已高达700℃,使用的环境也变得更加复杂与苛刻。现在,耐热钢铸件的使用温度范围为200~1300℃,工作压力为几?#30528;?#21040;几十?#30528;粒?#24037;作环境从单纯的氧化气氛,发展到硫化气氛、混合气氛以及熔盐和液金属等更复杂的环境。 

为了适应各种工作条件不断发展的要求,耐热钢铸件也在不?#31995;?#21457;展。从最早期的低碳钢、低合金钢,到成分复杂的、多元合金化的高合金耐热钢。 

现按珠光体型低合金热强钢、马氏体型热强钢、阀门钢、铁素体型耐热钢、奥氏体型耐热钢、等?#30452;?#20171;绍如下。

 1)珠光体型低合金热强钢

该种钢的代表:12Cr1MoV

此种钢组织稳定性较好,当温度高达580℃?#27604;?#20855;有良好的热强性。

 2)马氏体型热强钢 

该种钢的代表:Cr12

型马氏体热强钢,有?#24085;?#30340;综合力学性能、较好的热强性、耐蚀性及振动衰减性,广泛用于制造汽轮机叶片而形成独特的叶片钢系列,并广泛用作气缸密封环、高温螺栓、转子和锅炉过热器、在热器管、燃气轮机?#26032;?#30424;、叶片、压缩机及航空发动机压气机叶片、轮盘、水轮机叶片及宇航导弹部件等。

Cr12型耐热钢的开发与应用已有60多年历史,至少已有300余种牌号。但其成分的差别不大,都是以Cr12钢为基础在添加钨、钼、钒、镍、铌、硼、氮、钛、钴等元素含?#21487;?#20570;些变化。 

3)阀门钢

 阀门钢是耐热钢的一个重要?#31181;В?#35813;种钢的代表:21Cr-9Mn-4Ni-N钢(21-4N),与21Cr-12NiN、14Cr-14Ni2W-Mox相比,性能优越较经济,在汽油机排气阀门上迅速得到广泛应用。在21-4N钢基础上添加硫改善切削性能形成了21-4NS。添加铌、钼、钨和钒,提高了高温强度、疲劳强度和耐磨性,开发了21-4WNbN,X60CrMnMoVNbN2110钢。 

4)铁素体型耐热钢 

在室温和使用温度条件下这类钢的组织为铁素体。这类钢铬含量高于12%,不含镍,只含有少量的硅、钛、钼、铍等元素。 

5)奥氏体型耐热钢 

该种钢的代表:18Cr-8Ni、25Cr-20Ni及Cr-Mn-N、Fe-Mn-Al等钢。这类钢在高温下具有较高的热强性,及优异的抗氧化性。一般制作用于600℃以上承受较高应力的部件,其抗氧化性温度可达850~1250℃。这类钢基本上是和不锈钢同时发展起来的,有些钢同时就是优异的奥氏体型不锈钢。 

我国在奥氏体型钢方面,除仿制和生产了大量国外耐热钢牌号外,多年来还开发了Cr-Mn-N、Cr-Mn-Ni-N、Cr-Ni-N及Fe-Al-Mn和Cr-Mn-Al-Si系耐热钢。Cr18Mn12Si2N、Cr20Mn9Ni2Si2N及 3Cr24Ni7SiNRe列入国?#20918;?#20934;推广应用。



铸造耐热钢在耐热钢领域中占有相当大的比重。

20世纪70~80年代以来,由于石油化学工业的飞速发展,在大型合成氨及乙烯装置中采用了大量的高合金耐热铸钢,其使用温度可达1150℃,开发了一系列Fe-Cr-Ni基耐热钢及耐热合金。如4Cr25Ni35Co15W、4Cr25Ni35WNb、5Cr28Ni48W5等。一些发达国?#20197;?#22312;20世纪30年代就制定了耐热铸钢标准。1987年,我国建立了第一个耐热铸钢国?#20918;?#20934;。 

6)沉淀?#19981;?#22411;耐热钢

沉淀?#19981;?#22411;耐热钢按其组织可分成马氏体沉淀?#19981;?#32784;热钢(如0Cr17Ni4Cu4Nb)、(半奥氏体-马氏体过滤型)沉淀?#19981;?#32784;热钢(如0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al)和奥氏体沉淀?#19981;?#32784;热钢(如0Cr15Ni25Ti2MoVB)等。 

2、耐 热 钢 的 分 类  

2.1按合金元素含量分类 

a)低碳钢:在此类钢中部含或很少含有其他合金元素,其碳含量一般不超过0.2%。 

b)低合金耐热钢:在此类钢中都含有一种或?#38050;?#21512;金元素,但含量不高,一般钢中所含合金元素的总量不超过5%,碳含量不超过0.2%. 

c)高合金耐热钢:在此类钢中合金元素多,合金元素含量一般在10%以上,甚至高达30%以?#31232;?nbsp;2.2按钢的特性分类 

a)抗氧化钢(或称耐热不起皮钢):此类钢在高温下(一般在550~1200℃)具有较好的抗氧化性能及抗高温腐蚀性能,并有一定的高温强度。用于制造各类加热炉用零件和热交换器,制造热汽轮机的燃烧市、锅炉吊?#31232;?#21152;热炉炉?#35013;?#21644;辊道以及炉管等。抗氧化性能是主要指标,部件本身不承受很大压力。 b)热强钢:在高温(通常在450~900℃)既能承受相当的附加应力又要具有优异的抗氧化、抗高温气体腐蚀能力,通常还要求承受周期性的可变赢利。通常用作汽轮机、燃气轮机的转子和叶片,锅炉的过热器、高温下工作的螺栓和弹簧、内燃机的进排气阀、石油加氢反应器等。 2.3按钢的主要用途分类 

工业炉用耐热钢铸件:除反应堆、电站锅炉、石化工业炉外,在冶金、机械、建材、轻工等工业中,广泛用作热交换器、加热炉管、?#20174;?#32592;等多种炉窑中的各种耐热部件,除采用板、管、棒等耐热钢变形材外,并采用大量的耐热钢铸件。冶金厂的各种退火炉罩,可控气氛连续加热炉的马弗罐、辐射管、装料框架、链带等,多采用310(0Cr25Ni20)或3Cr24Ni7SiNRe、2Cr25Ni13钢等。冶金厂连续式加热炉和热处理炉中大量的炉底辊和辐射管亦采用高合金耐热钢离心铸管,常用的牌号有0Cr18Ni9、00Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni12Mo2、3Cr24Ni7SiNRe、0Cr23Ni13、1Cr20Ni14、Cr25Ni20Si2、00Cr10Ni20Mo6Cu6、4Cr25Ni35NbW、70CrMoVBRe、 

4Cr28Ni48W5Si2、3Cr26Ni4MnMoRe等。在水泥工业中,湿法水泥窑预热带中的耐热钢链条,大型水泥窑蓖冷机用的篦子板,冷却机用的物料斗等,均使用了大量的耐热钢件,如3Cr24Ni7SiNRe、1Cr20Ni14、Cr25Ni20Si2等。  

3、耐热钢的牌号表示方法  

中国耐热钢的牌号表示方法 

根据我国钢铁产品表示方法国?#20918;?#20934;(GB/T221—2000)规定,产品牌号的命名采用汉语拼音字母、化学元素符号及阿拉伯数字相结合的方式表示。汉语拼音字母用于表示产品名称、用途、特性和工艺方法。 耐热钢与不锈钢的牌号表示方法相同,一般采用规定的合金元素符号和阿拉伯数?#30452;?#31034;。通常在牌号的第一位用一位阿拉伯数?#30452;?#31034;平均含?#21058;浚?#20197;千?#31181;?#20960;?#30130;?nbsp;当平均含?#21058;?#19981;小于1.00%时,采用两位阿拉伯数?#30452;?#31034;; 

当含?#21058;可?#38480;不大于0.03%时(超低碳或极低碳)以两位阿拉伯数?#30452;?#31034;(以万?#31181;?#20960;?#30130;?nbsp;当含?#21058;可?#38480;小于0.1%时以“0”表示含?#21058;浚?nbsp;

当含?#21058;可?#38480;不大于0.03%且大于0.01%时(超低碳),以“00”表示含?#21058;浚?nbsp;

当含?#21058;可?#38480;不大于0.01%时(极低碳),以“01”表示含?#21058;俊?#21512;金元素平均含量小于1.50%时,牌号中仅标明元素符号,一般不标明含量;合金元素平均含量为1.50%~2.49%、2.50%~3.49%„22.50%~23.49%„时,相应地写成2、3„23„。专门用途、工艺方法或易切削的耐热钢,在牌号前面冠以专用钢、专用工艺方法或易切削钢的符号。例如:2Cr13:表示平均含?#21058;?#20026;0.2%的平均含铬量为13%的铬耐热钢;

沉淀?#19981;?#22411;耐热钢按其组织可分成马氏体沉淀?#19981;?#32784;热钢(如0Cr17Ni4Cu4Nb)、(半奥氏体-马氏体过滤型)沉淀?#19981;?#32784;热钢(如0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al)和奥氏体沉淀?#19981;?#32784;热钢(如0Cr15Ni25Ti2MoVB)等。 

2、耐 热 钢 的 分 类  

2.1按合金元素含量分类 

a)低碳钢:在此类钢中部含或很少含有其他合金元素,其碳含量一般不超过0.2%。 

b)低合金耐热钢:在此类钢中都含有一种或?#38050;?#21512;金元素,但含量不高,一般钢中所含合金元素的总量不超过5%,碳含量不超过0.2%. 

c)高合金耐热钢:在此类钢中合金元素多,合金元素含量一般在10%以上,甚至高达30%以?#31232;?nbsp;2.2按钢的特性分类 

a)抗氧化钢(或称耐热不起皮钢):此类钢在高温下(一般在550~1200℃)具有较好的抗氧化性能及抗高温腐蚀性能,并有一定的高温强度。用于制造各类加热炉用零件和热交换器,制造热汽轮机的燃烧市、锅炉吊?#31232;?#21152;热炉炉?#35013;?#21644;辊道以及炉管等。抗氧化性能是主要指标,部件本身不承受很大压力。 b)热强钢:在高温(通常在450~900℃)既能承受相当的附加应力又要具有优异的抗氧化、抗高温气体腐蚀能力,通常还要求承受周期性的可变赢利。通常用作汽轮机、燃气轮机的转子和叶片,锅炉的过热器、高温下工作的螺栓和弹簧、内燃机的进排气阀、石油加氢反应器等。 2.3按钢的主要用途分类 

工业炉用耐热钢铸件:除反应堆、电站锅炉、石化工业炉外,在冶金、机械、建材、轻工等工业中,广泛用作热交换器、加热炉管、?#20174;?#32592;等多种炉窑中的各种耐热部件,除采用板、管、棒等耐热钢变形材外,并采用大量的耐热钢铸件。冶金厂的各种退火炉罩,可控气氛连续加热炉的马弗罐、辐射管、装料框架、链带等,多采用310(0Cr25Ni20)或3Cr24Ni7SiNRe、2Cr25Ni13钢等。冶金厂连续式加热炉和热处理炉中大量的炉底辊和辐射管亦采用高合金耐热钢离心铸管,常用的牌号有0Cr18Ni9、00Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni12Mo2、3Cr24Ni7SiNRe、0Cr23Ni13、1Cr20Ni14、Cr25Ni20Si2、00Cr10Ni20Mo6Cu6、4Cr25Ni35NbW、70CrMoVBRe、 

4Cr28Ni48W5Si2、3Cr26Ni4MnMoRe等。在水泥工业中,湿法水泥窑预热带中的耐热钢链条,大型水泥窑蓖冷机用的篦子板,冷却机用的物料斗等,均使用了大量的耐热钢件,如3Cr24Ni7SiNRe、1Cr20Ni14、Cr25Ni20Si2等。  

3、耐热钢的牌号表示方法  

中国耐热钢的牌号表示方法 

根据我国钢铁产品表示方法国?#20918;?#20934;(GB/T221—2000)规定,产品牌号的命名采用汉语拼音字母、化学元素符号及阿拉伯数字相结合的方式表示。汉语拼音字母用于表示产品名称、用途、特性和工艺方法。 耐热钢与不锈钢的牌号表示方法相同,一般采用规定的合金元素符号和阿拉伯数?#30452;?#31034;。通常在牌号的第一位用一位阿拉伯数?#30452;?#31034;平均含?#21058;浚?#20197;千?#31181;?#20960;?#30130;?nbsp;当平均含?#21058;?#19981;小于1.00%时,采用两位阿拉伯数?#30452;?#31034;; 

当含?#21058;可?#38480;不大于0.03%时(超低碳或极低碳)以两位阿拉伯数?#30452;?#31034;(以万?#31181;?#20960;?#30130;?nbsp;当含?#21058;可?#38480;小于0.1%时以“0”表示含?#21058;浚?nbsp;

当含?#21058;可?#38480;不大于0.03%且大于0.01%时(超低碳),以“00”表示含?#21058;浚?nbsp;

当含?#21058;可?#38480;不大于0.01%时(极低碳),以“01”表示含?#21058;俊?#21512;金元素平均含量小于1.50%时,牌号中仅标明元素符号,一般不标明含量;合金元素平均含量为1.50%~2.49%、2.50%~3.49%„22.50%~23.49%„时,相应地写成2、3„23„。专门用途、工艺方法或易切削的耐热钢,在牌号前面冠以专用钢、专用工艺方法或易切削钢的符号。例如:2Cr13:表示平均含?#21058;?#20026;0.2%的平均含铬量为13%的铬耐热钢;其强化作用也与温度有关。随着温度的升高,由于碳化物的聚集,强化作用有所下降。钢中碳含量增加,会降低钢的塑性和可焊性。因此除强度要求较高的钢中外,一般奥氏体型耐热钢中的碳含量都控制在?#31995;?#30340;范围内。 

4.1.14氮作为合金化元素在奥氏体型耐热钢中的作用与碳有些类似。在铬镍奥氏体型耐热钢中含氮可提高钢的热强性,几乎对脆性无影响。其原因可能是由于析出弥散的氮化物所致。 

4.1.15稀土元素对提高耐热钢的抗氧化性能有较明显的作用。稀土元素的氧化物可以增加基体金属与氧化膜之间的附着力,因为稀土氧化物对基体金属有“钉扎”作用。稀土元素对钢的晶粒度细化有一定的作用。稀土元素与氧、硫、磷、氮、氢等的亲?#22303;?#37117;很强。是很好的脱氧、去硫和清除其他有害杂质的气体添加剂。稀土元素能提高耐热钢的抗蠕变性能。  

4.2耐热钢的基本性能  

4.2.1耐热钢铸件的耐高温腐蚀性能 

耐热钢经常处于高温复杂的腐蚀性环境中工作。耐高温腐蚀是耐热钢的一项很重要的性能要求。高温腐蚀是材料在高温下与各类气体环境发生的反应。主要的高温气体腐蚀形式有:高温氧化、硫化、氮化、碳化等形态。另外还有高温熔盐服饰、高温液态金属腐蚀等。 4.2.2抗高温氧化 

金属?#33073;?#30340;亲?#22303;?#22823;时,且氧在晶铬内溶解度达到饱和时,就在金属表面上形成氮化物。一旦形成了氧化膜,氧化过程的继续进行将取决于两个因素:(a)界面反应速度,包括金属/氧化物界面及氧化物/气体两个界面?#31995;?#21453;应速度;(b)参加反应的物质通过氧化膜的扩散速度。在一般情况下,当金属的表面与氧起始反应生产极薄的氧化膜时,界面反应起主导作用,即界面反应是氧化膜生成的控制因素。但随着氧化膜的生长增后,扩散过程将逐渐起着越来越重要的作用,成为继续氧化的控制因素。金属表面形成的氧化膜一般是固态,但是根据氧化膜的性质不同,在较高温度下,有些金属的氧化物是液态,有的还是气态的。 在耐热钢中加入铬、铝、硅和稀土元素等,与氧形成一层完整致密具有保护性的氧化膜。在金属表面施加涂层也是提高抗高温氧化能力的重要方法。如在耐热钢表面渗铝、渗硅或铬铝、铬硅?#37319;?#37117;有显著的抗氧化效果。 4.2.3抗高温硫化 

高温硫化是一种比纯氧化更?#29616;?#30340;高温腐蚀形态,因为硫化物膜比氧化膜的缺陷浓度大,更容易开裂和剥落,特别是硫化物的熔点低,蒸汽压高,多数硫化物共晶点低。硫化时,硫的存在形式对高温硫化速度有影响。气相的硫可能是以硫蒸汽、二氧化硫、三氧化硫、硫化氢和有机硫化物等形态存在。当硫?#33073;?#21516;时存在时,在金属表面上常形成氧化物?#22303;?#21270;物的混合锈层产物,这?#20013;?#23618;比在H2S或有机硫以及硫蒸汽中产生的硫化物的保护性好。 

由于硫化与氧化相?#30130;?#22240;此,氧化的基本理论和纺织氧化的基本措施都适用于硫化。在钢中加入铬、铝、硅等合金元素都可以在一定程度上防止或减缓高温硫化。 4.2.4抗高温氮化 

氮化与氧化?#22303;?#21270;不同,其产生的失效形式也有所不同。氮化时其最终产物可以全是氮化物层,但该层耐水溶液腐蚀性能很差,或者由于氮扩散到金属中去而降低金属的塑性,当在金属表面不能形成一层连续的氮化物层时,该层很翠。因此,对基本几乎无任何的保护作用。所以,在金属表面一旦形成氮化,将显著地降低金属材料的综合性能。 

铁、铬、铝、钛等元素很容易形成氮化物;镍、铜等元素即使在高温下也不形成稳定的氮化物。因此,镍、铜等元素对抑制氮化是有作用的。在混合气氛中(如含有硫的气氛),由于镍易被硫化,因此,镍也是不能抑制氮化的。但在?#23548;使?#31243;中,高镍铬的材料仍是抗高温氮化的最佳材料。材料的预氧化对提高其抗氧化性能有一定作用,对不锈耐热钢,效果尤为明显。 4.2.5抗高温碳化高温碳化是材料暴露于高温下含碳的气体或液态环境中由于气体与材料表面发生高?#36335;?#24212;,吸附在其表面上那一部分碳原子产生的表面增碳现象。金属表面吸收大量的谈,?#21058;?#32493;不?#31995;?#28183;入金属内部,?#32972;?#36807;了碳在金属中的溶解度,高温下降形成许多不稳定的碳化物、析出石墨等,这就大大地降?#22303;?#26448;料的耐腐蚀性能和综合力学性能。特别是不锈钢和耐热钢,由于碳化,在钢中出现大量的碳化铬,从而造成钢的贫铬,使耐腐蚀性能及抗高温氧化性能显著降低。碳化是一种危害很大的高温腐蚀形态,但它不像高温氧化?#22303;?#21270;那样普遍。 

使用高合金的耐热钢是解决高温碳化的重要途径。在工程中常用25Cr-20Ni钢和25Cr-35Ni钢来制造高温裂解炉的炉管,效果很好。硅是提高钢抗高温碳化的有利元素之一,但它在钢中的含量不宜超过2%。碳化物稳定元素铌、钛、钨等对提高抗高温碳化性能是有利的。改变气氛的成分能改变碳化条件,改善高温碳化的环境。 4.2.6抗氢腐蚀 

氢腐蚀是高温腐蚀形态之一。一般发生在露点以?#31995;?#39640;温高压氢环境中,如合成氨的生产和石化工业中的加氢装置等都是在高温高压氢环境中进行的。 

氢腐蚀是指高温下钢中首先发生脱碳现象,即钢中的碳化物分解,在钢的表面上形成脱碳层,从而?#29616;?#22320;降低钢的力学性能。钢中碳化物分解形成的碳原子在高温高压的氢环境中与氢反应生成甲烷气体。氢腐蚀是一种不可逆的氢损伤形态。 





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