第六章 耐热钢与耐热合金

第六章耐热钢与耐热合金第一节工作条件及性能要求1.工作条件高温下承受载荷与高温蒸汽、空气、燃气接触表面发生氧化、腐蚀高温下原子扩散，引起组织转变2.性能要求良好的高温强度、塑性足够高的化学稳定性（1）高温强度高温强度三种指标：持久寿命持久强度蠕变强度蠕变：钢和合金在温度和应力作用下发生连续而缓慢的变形。组织变化是蠕变的内因蠕变强度：表示在某温度下，在规定时间达到规定变形时所承受的压力。持久强度：表示在规定温度、规定时间断裂所承受的压力。持久寿命：表示在规定温度、规定应力作用下拉断所需的时间。（2）高温氧化高温下钢与空气接触将发生氧化，生成氧化膜。575℃以下，钢表面生成Fe2O3和Fe3O4层。575℃以上，钢表面出现FeO层，中间层为Fe3O4，外表层为Fe2O3氧化膜的生成依靠离子扩散，由于铁离子半径比氧离子小，因而氧化膜的生成主要靠铁离子向外扩散。当FeO出现时，钢的氧化速度剧增FeO为铁的缺位固溶体，铁离子有很高的扩散速率因而FeO层增厚很快，Fe2O3和Fe3O4层较薄提高抗氧化性的关键是阻止FeO出现形成稳定而致密的氧化膜，使铁、氧离子的扩散速度减慢，并使膜与基体牢固结合添加合金元素铬、铝、硅可以明显降低氧化速度，提高FeO出现的温度，改善钢的高温化学稳定性。1.03w％Cr可使FeO在600℃出现；1.14％Si使FeO在750℃出现；1.1％Al+0.4％Si可使FeO在800℃出现。铬、铝可在钢表面生成FeO·Cr2O3或FeO·Al2O3保护膜；硅可生成Fe2SiO4氧化膜，都具有良好的保护作用。铬是提高抗氧化的主要元素，铝也具有较强的抗氧化能力，硅能增加脆性，加入量受到限制。钨、钼能降低钢的抗氧化能力，贴着金属生成MoO3和WO3，具有低熔点和高挥发性，破坏抗氧化能力。耐热钢和耐热合金的抗氧化和气体腐蚀能力分为五级：腐蚀速度等级≤0.1mm/a完全抗氧化0.1～1.0mm/a抗氧化1.0～3.0mm/a次抗氧化3.0～10.0mm/a弱抗氧化10.0mm/a不抗氧化第二节铁素体型耐热钢根据显微组织，耐热钢可分为铁素体型和奥氏体型两大类。铁素体型耐热钢铁素体型耐热钢一般在350～650℃范围工作铁素体耐热钢马氏体耐热钢珠光体耐热钢铁素体-1.铁素体-珠光体耐热钢多用于锅炉蒸汽管道，在450～620℃蒸汽中长期使用。（1）强化方法固溶强化、沉淀强化（碳化物）固溶强化元素有钨、钼、铬。钨、钼能增强基体原子间结合强度，提高再结晶温度，显著提高基体的蠕变抗力。铬含量小于0.5％时固溶强化作用较强，含量再增加则强化作用增加很少。碳化物沉淀强化作用以MC型最高，M2C、M6C次之，M7C3型则降低钢的蠕变强度，原因是容易聚集长大。沉淀强化以铌、钛、钒为主，VC/TiC/NbC当V/C=4,Nb/C=8,Ti/C=3时，V、Ti、Nb与C全部形成MC，达到最佳的沉淀强化效果，具有最高的蠕变抗力。当其比例小于各自的数值时，有剩余碳存在，与钨、钼形成M2C或M6C型碳化物。当其比例大于各自的数值时，过剩的V会降低基体的蠕变抗力；过剩的Nb、Ti与Fe形成AB2相，聚集长大速度较高，对蠕变强度不利。（2）显微组织对蠕变强度的影响热处理不同，显微组织不同。以12Cr1MoV钢为例。980℃奥氏体炉冷铁素体+珠光体空冷粒状贝氏体+少量铁素体、马氏体淬火马氏体持久强度塑性铁素体+珠光体低高粒状贝氏体中低马氏体高中马氏体钢高持久强度的原因：钢淬火回火后，VC沉淀在位错上，阻碍再结晶。2.马氏体耐热钢以Cr12型钢居多，可做570℃汽轮机转子，可用于593℃、蒸汽压3087MPa的超临界压力大功率火力发电机组。Cr12型钢中加入钨、钼，只形成单一的(Cr、Mo、W、Fe)23C6，具有沉淀强化作用，消除了Cr7C3。加入钒或铌，析出VC或NbC，起沉淀强化作用。第三节奥氏体型耐热钢铁素体型耐热钢在600~650℃下蠕变强度明显下降。奥氏体型耐热钢，具有面心立方结构，在650℃以上具有较高的高温强度。钢沉淀强化型奥氏体耐热钢固溶强化型奥氏体耐热型奥氏体耐热钢奥氏体型耐热钢918NiCr1.碳化物沉淀强化耐热钢沉淀强化相是MC型碳化物，以VC、NbC为主。当V、Nb与C的比例正好和VC、NbC的化学式相等时，具有最佳的高温强度。另一种碳化物M23C6，不起沉淀强化作用。2.金属间化合物沉淀强化耐热钢钛、铝、镍形成金属间化合物γ’-Ni3(TiAl)，是主要沉淀强化相。γ’-Ni3(TiAl)点阵常数与奥氏体相近，γ’与奥氏体形成共格，产生沉淀强化。1.02.03.04.04.03.02.01.0γγ+ηγ+η+γ’γ+γ’γ+γ’+Ni2AlTiγ+Ni2AlTiγ+NiAlTi+Ni2AlTiγ+NiAlTi胞状沉淀w(Ti)%Fe-15Cr-25Ni钢时效沉淀相的相区与铝钛含量的关系w(Al)%Al控制在一定含量，不超过0.40%。铝极低时，γ’相不稳定，会转变成η-Ni3Ti，胞状沉淀。铝含量若过高，还会出现Ni2AlTi相，其稳定性差，易聚集长大，不能做沉淀强化相。w(Ti)1.4%，才能产生γ’相。w(Ti)提高到2.3~2.4%，γ’-Ni3(TiAl)相数量增加，可获得最大的强化效果。但当钛含量较高时，易产生缺口敏感性。产生沉淀强化最适宜的钛含量为2.15%。第四节镍基耐热合金铁基耐热合金的最高工作温度只能达到750～850℃，在更高温度下使用的是镍基耐热合金。基体是Cr20Ni80，加入大量合金元素。1.沉淀强化相元素Al、Ti镍基耐热合金采用金属间化合物作为沉淀强化相，主要采用的是γ’-Ni3(TiAl)相。γ’-Ni3(TiAl)相的稳定性与Al/Ti比有关。当Al/Ti小于1，就会出现η-Ni3Ti相。因此，不仅要增加Al、Ti含量，还要增加Al/Ti比值，以增加γ’相的稳定性。γ’-Ni3(TiAl)相对合金的强化表现在两方面，一是共格强化，二是反相畴界强化。共格强化：γ’相与镍基固溶体有相同的点阵类型、相近的点阵常数，析出的γ’相与固溶体形成共格。但γ’相的点阵常数稍大于γ固溶体，形成共格界面时存在匹配差，因而在界面周围的γ固溶体中产生畸变应力。畸变应力场阻碍位错运动，提高了屈服强度。反相畴界强化：在高Al/Ti比的镍基合金中，γ’相的体积分数可高到60～70％。其沉淀强化主要靠γ’相在位错切割时形成反相畴界强化。当位错切割γ’相时，使滑移面上下的原子改变了原来有序的相邻关系，形成了新的高能量的反相畴界，位错的移动需要更大的外力。2.固溶强化元素钨、钼、铬铬还能明显提高抗氧化性。500～700℃空气中表面生成致密的Cr2O3膜，在800～1000℃，基体上是Cr2O3，外层是NiO·Cr2O3。具有尖晶石结构，很致密。3.杂质元素低熔点金属如铅、锑、锡、铋等，强烈降低晶界的强度、高温冲击韧性和高温塑性。杂质元素偏聚于晶界，降低了晶界原子扩散激活能，使镍合金的持久寿命强烈降低。解决方法：a-提高镍基合金的纯净度b-加入特殊添加剂硼：偏聚于晶界，提高扩散激活能。稀土金属铈、镧、锆：与杂质金属元素形成难熔化合物。碱土金属钙、钡：对H、O、N、S有良好的净化作用，有效改善持久塑性和热塑性。