第6章耐热钢

第6章耐热钢蒸汽锅炉、蒸汽涡轮，航空工业的喷气发动机，以及航天、舰船、石油和化工等工业部门的许多工作部件在高温下工作。因为是在高温下服役，所以这些零部件技术要求比较苛刻。通常把在高温条件工作的钢称为耐热钢。耐热钢应具有两方面的基本性能，一是有良好的高温强度和塑性，二是有足够高的高温稳定性。根据不同服役条件，常常将耐热钢分为热强钢和热稳定性钢两大类。6.1基本概念1金属的抗氧化性铁氧化物类型有FeO、Fe2O3、Fe3O4三种。FeO：结构疏松，冷却分解→应力，结合力弱，易剥落；Fe2O3、Fe3O4：结构致密，和基体结合好。形成规律：570℃以下，氧化膜由Fe2O3和Fe3O4组成，570℃以上，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和FeO氧化物组成，约1:10:100.570℃以上铁的氧化过程大大地加速，遵守抛物线规律二、提高钢抗氧化性的途径1、提高钢氧化膜稳定性途径：↑FeO的形成温度;↑FeO的形成温度,又优先形成稳定氧化物→Cr、Al、Si2、形成致密、稳定的氧化膜↑Cr、Al、Si、Ti等，逐步形成以合金元素氧化物为主或合金元素氧化物的氧化膜，如Al2O3、SiO2、Cr2O3等→致密、稳定。6.1.2钢的热强性一、钢的热强性能指标1、蠕变及蠕变极限蠕变极限是试样在一定温度下和在规定的持续时间内，产生的蠕变变形量（总的或残余的）或蠕变速率等于某规定值时的最大应力。2、持久强度持久强度极限是试样在一定温度和规定的持续时间内引起断裂的最大应力值，如：=300MPa，表示在700℃时，持续时间为100h的持久强度极限值为300MPa。3、高温疲劳强度在高温疲劳时只有条件疲劳极限，即把在某一规定的循环次数（一般采用107~108次）下而不断裂时的最大应力作为疲劳极限。4、应力松弛应力松弛现象是在具有恒定总变形的零件中，随时间延长而自行降低应力的现象二、提高热强性的途径1、强化基体基体金属熔点：↑T熔，↑金属原子间结合力。铁、镍、钼基是依次↑合金晶格类型：fcc-Febcc-Fe,奥氏体型钢要比F、M、P型钢的蠕变抗力高固溶体结合力：合金化→↑固溶体原子间结合力，Mo、Cr、Mn、Si作用较大2、强化晶界净化晶界：杂质易偏聚在晶界，形成易熔夹杂物→↓晶界强度。RE、B优先结合杂质，形成高熔点化合物，异质晶核→从晶界转入晶内填充空位：晶界上空位多，原子易快速扩散。B易偏聚晶界，↓晶界空位。3、弥散强化弥散质点，↓↓位错运动，↑强度→有效性和程度的关键是质点的性质、大小、分布、稳定性。4、热处理↑珠光体热强钢的蠕变强度6.1.3耐热钢的合金化Cr：↑钢抗氧化性主要元素。形成致密而稳定的Cr2O3。T↑，Cr↑。如600~650℃，需要5%Cr；800℃时，为12%Cr。↑固溶强化Mo、W：↑低合金热强性重要元素。固溶强化，析出稳定相。Al：↑抗氧化性的有效元素。在1000℃时，6%Al≈18%Cr水平。↓冶金工艺性，使钢变脆。→不能单独加入，作为辅助合金化元素。Si：↑抗氧化性的辅助元素。但效果比Al还要有效，使钢脆性大，用Si代替部分Cr。↑G化，↑K聚集长大。一般在2~3%Si。用于渗碳罐，抗渗性好。Ni：获得奥氏体组织Ti、Nb、V：形成稳定K，↑钢松弛稳定性，↑热强性C：较低温度时强化钢，↑G化，↑K聚集长大→尽可能↓C。6.2热强钢6.2.1珠光体热强钢按用途主要有锅炉钢管、紧固件和转子用钢等几大类。一、锅炉钢管用珠光体热强钢高温和高压，高温烟气和水蒸汽,安全可靠→抗氧化和耐蚀，组织稳定,工艺性能好普遍问题：组织不稳定，如片状P球化、K长大、G化，→强度↓，管子爆裂合金化：≤0.2%C→↓球化、K长大、G化采用Cr-Mo-V系Mo、W、Cr→固溶强化，↓K长大和G化，Cr↑抗氧化性和耐蚀性；二、紧固件用珠光体热强常用钢：35CrMoV、25Cr2MoV钢常用作中压气轮机的螺栓和螺母材料，25Cr2Mo1V钢在高压电厂中广泛使用6.2.2马氏体热强钢一、叶片用钢在Crl3型马氏体不锈钢的基础上进一步合金化发展了Crl2型马氏体耐热钢。15Cr12WMoV、2Cr12WMoNbVB等，工作温度可在600℃左右。常用于大功率火力发电机组。二、气阀钢内燃机排气阀工作条件非常苛刻:700~850℃工作，受到燃气的高温腐蚀、氧化腐蚀和冲刷腐蚀磨损,热疲劳.常用钢号有4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo，采用1050℃淬火加热、油冷，700℃左右回火，组织为回火索氏体，保持马氏体形貌特征。高于750℃的阀门需要采用奥氏体型热强钢，6.3抗氧化钢抗氧化钢用于工业炉的构件、炉底板、炉罐等.F型是在F型不锈钢基础上发展形成。A型抗氧化钢是在A不锈钢基础上发展起来的。A型抗氧化钢目前主要有铬-镍系和铬-锰-氮系。铬-锰-氮系奥氏体型抗氧化钢在950℃以下有较好的抗氧化性，且有较高的高温强度，工艺性不如铬-镍系抗氧化钢。低镍奥氏体抗氧化钢，使用比较多的有ZG4Cr22Ni4N和ZG3Cr24Ni7N钢，经济.本章小结温度对钢的使用来说有很大的影响，是关键因素。在高温条件下工作的零部件就其材料成分、性能要求及失效机理和一般常温下的零件相比，有很大的不同。钢的高温强度和组织稳定性是耐热钢设计与处理工艺的主要矛盾。从合金化考虑，主要措施有↑原子结合力、强化晶界、稳定相的弥散强化。不同合金的耐热钢有其适宜的使用温度范围。