奧氏體耐熱鋼

i. 低碳 多在0.1%以上，可達(dá)0.4%。要利用碳形成碳化物來保持高的熱強(qiáng)性。

ii.加入大量鉻、鎳 總量一般在25%以上。Cr主要提高熱化學(xué)穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性，Ni保證獲得穩(wěn)定奧氏體。

iii.加入鎢、鉬等 提高再結(jié)晶溫度，并析出較穩(wěn)定的碳化物提高熱強(qiáng)性。

iv.加入釩、鈦、鋁等 形成穩(wěn)定的第二相，提高熱強(qiáng)性。第二相有碳化物（如VC等）和金屬間化合物[如Ni（Ti，Al）等]兩類，后者強(qiáng)化效果較好。

按其合金元素組成可分為鉻-鎳、鉻-鎳-氮、鉻-錳-鎳-氮、鉻-錳-氮、鐵-錳-鋁等不同系列：

(1)鉻-鎳系。是這類鋼中應(yīng)用最廣，牌號最多的系列，以其不同的鉻、鎳含量配比，滿足不同溫度檔次的需要，隨著鉻鎳含量的增高，抗氧化性及高溫強(qiáng)度隨之提高。根據(jù)需要在鋼中加入固溶強(qiáng)化元素(鎢、鉬)，碳化物形成元素(釩、鈮、鈦)及微量元素(硼、鋯、鎂、稀土等)以進(jìn)一步提高鋼的熱強(qiáng)性。

最典型牌號是1crl8Ni9，在此基礎(chǔ)上演變的0Crl8NillTi、0Crl8NillNb、Crl7Nil2Mo2等可分別用于600～650℃鍋爐管，850℃左右并承受一定應(yīng)力的石油化工用各種板管材料，如加熱爐管、熱交換器管、燃燒室筒體、爐罩等。適當(dāng)提高鉻鎳含量形成了Cr23Nil3鋼，用于1000℃左右的爐用耐熱構(gòu)件，1cr25Ni20(Si2)是用于1000～1200℃范圍內(nèi)世界各國普遍采用的耐熱鋼牌號。為了提高耐熱鋼的抗?jié)B碳性及熱強(qiáng)性，國外發(fā)展了Cr21Ni32AlTi(Incoloy800)，用于石化及核能工業(yè)。Cr14N|14W2Mo、OCrl5Ni一25Ti2MoAlVB、1Cr22Ni20Co20Mo3W3NbN等鋼中加入較多的強(qiáng)化元素鎢和鉬，提高了熱強(qiáng)性，前者用于承受負(fù)荷較高的排氣閥材料，后兩牌號用于700～750℃高溫汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、螺栓、葉片等。

(2)鉻-鎳-氮系。為了節(jié)約鎳，同時提高鋼的高溫強(qiáng)度，在鋼中加入氮，中國發(fā)展了3Crl9Ni4N、3Cr-24Ni7SiN(RE)等牌號，前者可代替1crl8Ni9，后者可代替lCr23Nil3、lCr25Ni20及HK40(4Cr25Ni20)，3cr24Ni7SiN(RE)已列入中國國家標(biāo)準(zhǔn)而廣泛應(yīng)用，2Cr22Nil2N為引進(jìn)鋼種，用于汽油機(jī)及柴油機(jī)排氣閥。

(3)鉻-錳-鎳-氮和鉻-錳-氮系。同時在鋼中加入錳和氮，可節(jié)省大量的鎳，國內(nèi)外均發(fā)展了不少牌號，如5Cr21Mn9Ni4N為典型閥門鋼，大量用于經(jīng)受高溫強(qiáng)度為主的汽油及柴油機(jī)排氣閥。在此基礎(chǔ)上加入鎢、鉬、釩、鈮可進(jìn)一步提高高溫強(qiáng)度，用于承受更大負(fù)荷的排氣閥，如中國的Cr21Mn9WNbN、Cr21Mn-10MoVNbN等。2Cr20Mn9Ni2Si2N、3Crl8Mnl2Si2N為中國自己發(fā)展的鋼種，有較好的高溫強(qiáng)度，并具有良好的抗氧化性及抗?jié)B碳性，可用作吊掛支架、滲碳爐內(nèi)構(gòu)件、加熱爐傳送帶、料盤等，前者抗氧化優(yōu)于后者，還9ao奧可用作鹽浴坩堝及其他爐用材料。與鉻鎳鋼相比，鉻-錳-氮和鉻-錳-鎳-氮鋼強(qiáng)度較高，但由于鋼中加入了較多的錳，對高溫抗氧化性帶來不利的影響，抗氧化性不如鉻-鎳系耐熱鋼。

(4)鐵-錳-鋁系。這類鋼完全不含鉻鎳，以錳碳形成奧氏體基體，靠鋁解決高溫抗氧化問題。早在1934年德國首次發(fā)表了鐵-錳-鋁系鐵角相圖，發(fā)現(xiàn)了含碳的鐵-錳-鋁系存在一個穩(wěn)定的奧氏體相之后，鐵-錳-鋁系奧氏體耐熱鋼的研究逐漸得到重視。20世紀(jì)60年代初，為了節(jié)約鎳鉻，中國開始了鐵-錳-鋁系耐熱鋼的研究，借鑒國外的經(jīng)驗，發(fā)展了Mn30A19型耐熱鋼，用于700～950℃的爐用構(gòu)件。為了節(jié)約合金元素，針對950℃以下爐用耐熱鋼的要求，開發(fā)了性能優(yōu)于Mn30A19型的6Mnl8A15型的耐熱鋼，合金元素節(jié)約了40%，改善了工藝性能。中國牌號6Mnl8A15Si2Ti為爐用鋼，6Mnl8A15SiMoTi、6Mnl8A15SiMoV為閥門鋼。2Mnl8A15SiMoTi(2Mnl8A15Si2Ti)為雙相鋼，可以生產(chǎn)鋼管，用來代替1Crl8Ni9。在生產(chǎn)鐵-錳-鋁系鋼變形材時，需經(jīng)電渣重熔，以保證質(zhì)量和成材率。這些牌號60～70年代在中國曾得到了應(yīng)用和推廣，后來由于鎳鉻資源易于得到，同時也因使用性能的局限性而使用較少。2100433B

奧氏體耐熱鋼(austenitic heat-resisting steel)

新型含鋁奧氏體耐熱鋼是近十余年開發(fā)的新一代奧氏體耐熱鋼，具有優(yōu)異高溫持久蠕變性能和抗氧化性能，應(yīng)用前景廣闊，成為近年來高溫耐熱結(jié)構(gòu)材料研究的熱點方向。本書系統(tǒng)介紹了作者團(tuán)隊在新型含鋁奧氏體耐熱鋼的成分優(yōu)化設(shè)計、組織結(jié)構(gòu)控制、高溫性能調(diào)控等方面的研究成果，書中涉及的相關(guān)理論及工藝調(diào)控技術(shù)手段對含鋁元素耐熱結(jié)構(gòu)材料及高溫合金具有重要學(xué)術(shù)參考價值和應(yīng)用指導(dǎo)意義。

《新型含鋁奧氏體耐熱鋼材料》可供高等院校金屬材料領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)高年級本科生和研究生，以及專業(yè)技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

沉淀硬化奧氏體耐熱鋼碳化物沉淀硬化奧氏體耐熱鋼

以碳化物形成元素釩、鈮和鉬形成的MC和M23C6型碳化物作為強(qiáng)化相，使用溫度650℃。為保證足夠高的高溫強(qiáng)度，必須有足夠高的碳化物體積分?jǐn)?shù)，故這類鋼的碳含量應(yīng)保持在0.4%左右。代表性的中國牌號為GH36，它是一種節(jié)鎳型的Fe-13Cr-8Ni-8Mn鋼，并含有強(qiáng)化元素鉬、釩和鈮。其中鉬主要是起固溶強(qiáng)化作用，鉬含量約為1.4%。釩和鈮含量分別約為1.4%和0.4%，王要起沉淀強(qiáng)化作用。GH36鋼中最主要的碳化物是Vc，其中溶有部分鈮和鉬，隨鋼中釩含量增加，鋼的高溫強(qiáng)度增加，VC析出量最多時(670~750℃)與最大硬度相符，其顆粒從幾個nm到20nm。第二種碳化物是M23C6，其成分為(Cr，F(xiàn)e，V，Mo)23C6復(fù)合碳化物，最高形成溫度為900℃。鉬的溶入促進(jìn)了M23C6的強(qiáng)化效應(yīng)。第三種碳化物為NbC溶有部分釩和鉬，鈮雖有固溶強(qiáng)化作用，但過量易生成一次粗大的NbC或Nb(C，N)夾雜物，不利于鋼的強(qiáng)化。VC和M23C6只有在相當(dāng)高溫度下才能溶解，所以固溶溫度在1120～1140℃保溫80min。時效處理采用二次時效熱處理制度，即650~670℃時效14～16h后升溫到770～800℃時效14~20h，然后空冷。此時鋼中主要強(qiáng)化相為1%左右的彌散分布的VC和3%左右顆粒稍大的M23C6以及0.3%左右的難溶解的NbC或Nb(C，N)。為限制NbC或Nb(C，N)出現(xiàn)，應(yīng)控制低的氮含量和N3gN的碳含量和不太高的氮含量，氮含量增加不僅使鋼的強(qiáng)度低，而且持久塑性也顯著下降。為改善鋼的性能，加入少量鋁(約0.3%)以固定氮，減少Nb(C，N)夾雜物，可以更好發(fā)揮釩和鈮的強(qiáng)化作用。同時加入微量鎂(0.003%～0.005%)可強(qiáng)化晶界，提高鋼的持久塑性。

此外，還有鐵一鉻一鎳一鈷基的碳化物沉淀硬化型耐熱鋼如美國的S-590(含有0.4%碳、21%鉻、20%鎳、20%鈷、4%鎢、4%鉬、4%鈮)，其沉淀強(qiáng)化相為NbC。另一類型是借溫加工來促進(jìn)碳化物沉淀強(qiáng)化的中國耐熱鋼G18B(含有0．4%碳、13%鉻、13%鎳、10%鈷、2.5%鎢、2%鉬、3%鈮)，其沉淀強(qiáng)化相亦為NbC。

沉淀硬化奧氏體耐熱鋼金屬間化合物沉淀硬化奧氏體耐熱鋼

以金屬間化合物γ’-Ni3(Ti，A1)作為主要沉淀強(qiáng)化相，用于溫度在650～750℃甚至更高的溫度運轉(zhuǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)部件。由于加入大量鐵素體型強(qiáng)化元素如鎢、鉬、鈦、鋁和鈮等，為保證基體奧氏體組織的穩(wěn)定性，加入了大量的鎳，其基體根據(jù)鎳含量不同可分為Fe-15Cr-25Ni、Fe-15Cr-35Ni等，加入鈦和鋁主要是為形成γ’-Ni3(Ti，A1)金屬間化合物，以便經(jīng)過時效處理產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。圖為cr15Ni25鋼加入鈦和鋁所形成的各種金屬間化合物。其中能作為沉淀強(qiáng)化相的是溶有鈦和鋁的γ’-Ni3(Ti，A1)相，長時間后γ’-Ni3(Ti，A1)相會轉(zhuǎn)變成η-Ni3Ti相而出現(xiàn)胞狀沉淀組織，使沉淀強(qiáng)化效果消失。一般A1/Ti小于1，鋁有穩(wěn)定γ’-Ni3(Ti，A1)的作用。過量的鋁又會形成Ni2A1Ti和Ni(A1，Ti)相，易聚集長大，不能作為沉淀強(qiáng)化相。這類鋼中γ’相的體積分?jǐn)?shù)不超過20%，因而限制了進(jìn)一步提高鋼高溫強(qiáng)度。進(jìn)一步合金化還單獨或同時加入鎢和鉬以固溶強(qiáng)化來提高其高溫強(qiáng)度和使用溫度。鎢和鉬除有形成Laves相傾向外，還可能形成σ相和μ相，使鋼失去組織穩(wěn)定性，甚至造成脆化效應(yīng)。通過調(diào)整成分或細(xì)化晶粒減輕σ相在晶界密集程度，是保證鋼在高溫長期使用安全的重要措施。鉬能改善由鈦引起的低塑性和缺口敏感性。鋼中加入晶界強(qiáng)化元素硼、鋯、鈰、鎂等，其中硼含量不宜過高，否則在晶界易形成硼化物低熔點共晶而產(chǎn)生熱脆。這些微量元素可改善鋼的持久塑性和強(qiáng)度，消除缺口敏感性。硅作為殘留元素在鋼中存在，當(dāng)其含量在上限時易生成Ni14Ti9Si6的G相，消耗主要強(qiáng)化元素鈦及奧氏體形成元素鎳，且G相性脆，要嚴(yán)格控制其生成。由于這類鋼的組織穩(wěn)定性較差，γ’-Ni3(Ti，A1)易生成η-Ni3Ti的不利轉(zhuǎn)變和微量脆性相析出傾向，限制了鋼在較高溫度下的強(qiáng)化，只能在650～750℃的中溫范圍使用。

Crl5Ni25鋼加入鈦和鋁形成的各種金屬間化合物

是一種Fe-15Cr-35Ni型奧氏體耐熱鋼，含第二相強(qiáng)化元素2.3%鈦、2.4%鋁，含固溶強(qiáng)化元素2%鎢、2%鉬，晶界強(qiáng)化元素<0.015%硼、<0.03%鈰，Ti Al=4.7%，Al/Ti約為1，可用于700～750℃燃?xì)鉁u輪部件。

復(fù)雜合金化的耐熱鋼用鎢、鉬和鉻綜合強(qiáng)化，促使在高溫下鋼中形成σ相、Laves相和μ相，因而使鋼的組織不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生脆化傾向，這是由于細(xì)小的σ相和μ相在晶界析出所造成。因此，通過鋼基體的電子空位數(shù)的控制來調(diào)整鋼的成分或細(xì)化晶粒，以減少脆化相的析出數(shù)量和晶界密集程度。

沉淀硬化奧氏體耐熱鋼與鎳基高溫合金相比，由于有較差的組織穩(wěn)定性，不可能使強(qiáng)化相γ’相的數(shù)量超過20%，且γ’相穩(wěn)定的最高溫度的限制，以及析出微量脆性相的傾向，因而限制了它的高溫強(qiáng)化效果和進(jìn)一步提高使用溫度。只能在750℃和750℃以下作為高強(qiáng)度耐熱鋼使用。 2100433B