耐熱鋼

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耐熱鋼：指在高溫下具有較高強(qiáng)度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性的特殊鋼。它包括抗氧化鋼(高溫不起皮鋼)和熱強(qiáng)鋼兩類(lèi)。抗氧化鋼通常在550～1250℃溫度區(qū)間內(nèi)使用，要求較好的化學(xué)穩(wěn)定性(如抗氧化性及抗高溫腐蝕能力等)，但承受的載荷較低，對(duì)抗蠕變及抗蠕變斷裂能力要求不高。熱強(qiáng)鋼通常在450～900℃溫度區(qū)間內(nèi)使用，承受應(yīng)力較大，要求材料兼有良好的抗蠕變、抗破斷性和抗氧化性能。

用途

耐熱鋼用途廣泛。熱電廠(chǎng)的鍋爐、汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的主體設(shè)備構(gòu)件都是由耐熱鋼制造的。在石油化工方面的煉油、合成氨及乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備均離不開(kāi)耐熱鋼。此外還廣泛用作冶金、機(jī)械、建材、輕工等各種工業(yè)爐窯中的耐熱結(jié)構(gòu)材料。在煤的液化、氣化及核能方面(如高溫氣冷堆、快堆)一些核心部位的結(jié)構(gòu)材料也大量采用耐熱鋼。

簡(jiǎn)史

由于電站，石油化工工業(yè)發(fā)展的需要，在20世紀(jì)30年代就發(fā)現(xiàn)了鉬是提高耐熱鋼熱強(qiáng)性的有效元素，在低碳鋼中加入0.5％鉬，工作溫度可以從450℃提高到500℃。為了解決含鉬鋼石墨化的問(wèn)題，發(fā)展了低合金鉻鉬鋼，英國(guó)1938年就把含0.8％鉻、0.5％鉬的鋼(相當(dāng)15CrMo)用于鍋爐過(guò)熱器，其后又發(fā)展了性能更高的10.25鉻-0.5鉬及2.25鉻-1鉬等鋼種。為了進(jìn)一步提高鋼的熱強(qiáng)性，節(jié)約鉬資源，發(fā)展了鉻鉬釩鋼系列，前蘇聯(lián)的12CrlMoV就是典型代表，現(xiàn)在仍然是制造電站鍋爐的主要材料。

20世紀(jì)50年代中國(guó)開(kāi)始引進(jìn)和生產(chǎn)低合金鉻鉬鋼和鉻鉬釩鋼，用于電站鍋爐及石油化工等方面。低合金耐熱鋼以?xún)r(jià)廉、工藝性能良好等特點(diǎn)一直受到重視，為了進(jìn)一步提高鋼的性能和工作溫度，60年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外通過(guò)大量的研究工作，研制出多元的低合金熱強(qiáng)鋼，工作溫度達(dá)600～620℃并在使用中部分代替了鎳鉻奧氏體鋼。如中國(guó)研制的12Cr2MoWVTiB(102)鋼，其性能超過(guò)了其他國(guó)家同類(lèi)鋼的水平，作為過(guò)熱器管等已在中國(guó)200、300、600Mw機(jī)組中普遍應(yīng)用。

中高合金耐熱鋼基本上是和不銹鋼同時(shí)發(fā)展起來(lái)的，1914年德國(guó)施特勞斯等指出，含足夠鎳和鉻的鋼具有抗氧化和耐酸作用，1920年以后逐漸研制出鉻和鉻鎳不銹耐熱鋼，并形成了多種分支。如以12鉻型的中合金耐熱鋼為主的葉片鋼系列，主要用作汽輪機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)葉片；汽車(chē)拖拉機(jī)中內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣閥用閥門(mén)鋼，包括鉻硅、鉻鎳及鉻錳鎳氮型鋼；用于冶金機(jī)械、石油化工、輕工、建材工業(yè)爐用耐熱鋼及耐熱鑄鋼，包括高鉻鐵素體鋼及高鉻鎳奧氏體鋼。由于耐熱鑄鋼比變形材具有更高的蠕變強(qiáng)度，近20年來(lái)在石油化工及爐用材料方面得到了廣泛應(yīng)用，發(fā)展了一系列用鎢、鉬、鈮、鈦等強(qiáng)化的高鉻鎳奧氏體耐熱鑄鋼。廣泛用于合成氨及乙烯裂解裝置。在上述耐熱鋼領(lǐng)域，世界發(fā)達(dá)國(guó)家使用比較成熟，多已形成了自己國(guó)家的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)自50年代以來(lái)，在生產(chǎn)實(shí)踐中形成了較完整的耐熱鋼系列和標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)。如現(xiàn)在除有GB1221-90一熱鋼棒及GB413890耐熱鋼板基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)外，還有高壓鍋爐用鋼管及管坯(GB5310-85，GB5311-89)、汽輪機(jī)葉片鋼(GB8732-88)、內(nèi)燃機(jī)氣閥鋼(GB/T1277391)、耐熱鋼鑄件(GB8492-87)等產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，基本滿(mǎn)足中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。在引用國(guó)外牌號(hào)的同時(shí)，結(jié)合本國(guó)的資源特點(diǎn)，發(fā)展了一些新的耐熱鋼牌號(hào)，如2Cr20Mn9Ni2Si2N、3Cr24Ni7SiN(RE)、3Cr18Mn12Si2N等，分別列入有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使中國(guó)耐熱鋼標(biāo)準(zhǔn)系列具有自己的特色。

合金元素的作用

(1)鉻、鋁、硅。這些元素形成和穩(wěn)定鐵素體，在高溫下能促使鋼表面生成致密的氧化膜，防止繼續(xù)氧化，是提高鋼的抗氧化性、抗高溫氣體腐蝕的主要元素。但鋼中鋁和硅含量過(guò)高會(huì)使室溫塑性和熱塑性嚴(yán)重惡化。鉻能顯著提高低合金鋼的再結(jié)晶溫度，含量為2％時(shí)，強(qiáng)化效果最好。

(2)鎳、錳。可以形成和穩(wěn)定奧氏體。提高奧氏體鋼的高溫強(qiáng)度和改善抗?jié)B碳性。錳雖然可以代替鎳形成奧氏體，但有損于耐熱鋼的抗氧化性。

(3)鉬、鎢。是鐵素體形成元素?？梢蕴岣咪摰脑俳Y(jié)晶溫度，同時(shí)主要以固溶強(qiáng)化，提高耐熱鋼的蠕變強(qiáng)度。在低合金鋼中鉬是提高熱強(qiáng)性最關(guān)鍵的元素，鎢、鉬復(fù)合比單獨(dú)加入有更明顯的效果。由于鉬、鎢在高溫下易于揮發(fā)和氧化，鋼中加入過(guò)多的鉬和鎢，會(huì)給高溫抗氧化性帶來(lái)不利影響。

(4)釩、鈮、鈦。是鐵素體形成元素和強(qiáng)碳化物形成元素，能形成細(xì)小彌散的碳化物，提高鋼的高溫強(qiáng)度。鈦、鈮和碳結(jié)合還可防止奧氏體鋼在高溫下或焊后產(chǎn)生晶間腐蝕。

(5)碳、氮?？蓴U(kuò)大和穩(wěn)定奧氏體，從而提高耐熱鋼的高溫強(qiáng)度，鋼中含鉻、錳較多時(shí)，可顯著提高氮的熔解度，加入氮或提高碳含量，可以代替貴重金屬鎳。生成碳化物或碳氮化物，控制其形態(tài)和數(shù)量可進(jìn)一步起到強(qiáng)化作用。

(6)硼、稀土。均為耐熱鋼中的微量元素。硼溶入固溶體中，使晶體點(diǎn)陣發(fā)生畸變，晶界上的硼又能阻止元素?cái)U(kuò)散和晶界遷移，從而提高鋼的高溫強(qiáng)度。鋼中加入微量稀土，提高鋼的抗氧化性，改善熱塑性；稀土富集晶界，能凈化和強(qiáng)化晶界，有利于提高鋼的熱強(qiáng)性。但加入稀土類(lèi)型、數(shù)量和‘加入方法至關(guān)重要，要恰當(dāng)控制稀土在鋼中的存在狀態(tài)，否則難以收到預(yù)期效果。

分類(lèi)

耐熱鋼按其組織可分為4類(lèi)，珠光體耐熱鋼，馬氏體耐熱鋼，鐵素體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼。

通常也把沉淀硬化不銹鋼列入耐熱鋼中，這是因?yàn)檫@類(lèi)鋼在540～650℃范圍內(nèi)具有較高的熱強(qiáng)性和足夠的抗氧化性。

另外，在實(shí)際生產(chǎn)中也常按用途將耐熱鋼分為：電站鍋爐用低合金鋼；汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)用葉片鋼；汽車(chē)、艦船用閥門(mén)鋼；石油化工和爐用耐熱鋼及耐熱鑄鋼等。
     生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)工藝耐熱鋼生產(chǎn)工藝主要有冶煉、軋制及熱處理等。

(1)冶煉。耐熱鋼一般采用電弧爐及爐外精煉工藝，葉片鋼則采用電弧爐加電渣工藝，要求較高的高合金耐熱鋼可采用真空感應(yīng)爐冶煉再經(jīng)電渣重熔的工藝。低合金耐熱鋼或奧氏體耐熱鋼(Cr18Ni9型)可采用連鑄工藝。

(2)軋制。低合金珠光體鋼和Cr18Ni9、Cr25Ni20等奧氏體鋼可采用初軋開(kāi)坯，馬氏體或含合金元素較多的奧氏體鋼采用鍛造開(kāi)坯。奧氏體鋼由于導(dǎo)熱性差，加熱時(shí)要均熱透燒，馬氏體鋼及合金化較高的珠光體鋼則應(yīng)注意鋼錠和軋坯的退火和緩冷，以防裂紋。

(3)熱處理。珠光體鋼一般正火加回火或調(diào)質(zhì)后使用，馬氏體耐熱鋼采用調(diào)質(zhì)處理，以穩(wěn)定組織，獲得良好綜合力學(xué)性能。

鐵素體鋼不能通過(guò)熱處理強(qiáng)化，為消除冷變形或焊后所導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力，可在650～830℃進(jìn)行退火，退火后快速冷卻，以迅速通過(guò)475℃脆性溫度范圍。

奧氏體抗氧化鋼采用高溫固溶處理，以獲得良好的冷變形性。奧氏體熱強(qiáng)鋼則先用高溫固溶處理，然后在高于使用溫度60～100℃條件下進(jìn)行時(shí)效處理，使組織穩(wěn)定化，同時(shí)析出第二項(xiàng)，達(dá)到彌散強(qiáng)化目的。奧氏體耐熱鑄鋼多在鑄態(tài)下使用。

鑄造在耐熱鋼中耐熱鑄鋼占有相當(dāng)大的比例，尤其是奧氏體耐熱鑄鋼。鑄造方法，一般的爐用耐熱構(gòu)件除采用砂型鑄造外，對(duì)于表面要求較高的精細(xì)零件采用失蠟或樹(shù)酯砂等精密鑄造工藝，以獲得表面光滑、尺寸精確的產(chǎn)品。對(duì)于合成氨、乙烯裂解爐用高溫爐管及爐底輥和輻射管則采用離心澆注的方法生產(chǎn)。