高溫強(qiáng)度鐵基合金

.對(duì)蒸汽輪機(jī)和鍋爐來(lái)講,在本世紀(jì)30~40年代蒸汽溫度不過(guò)400~450℃,蒸汽壓力不過(guò)近100大氣壓,而現(xiàn)在蒸汽溫度巳達(dá)650℃,蒸汽壓力也高達(dá)340大氣壓以上,因此所使用的金屬材科也從低碳鋼發(fā)展到復(fù)雜的各類合金鋼.耐熱鋼按合金元素多少通常可以分為兩類:一類是在低合金結(jié)構(gòu)鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的低合金珠光體型熱強(qiáng)鋼,另一類是在不銹鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的高合金專用耐熱鋼.專用耐熱鋼按對(duì)使用性能的要求可以分為熱強(qiáng)鋼和熱穩(wěn)定鋼.熱強(qiáng)鋼是指在高溫下有一定抗氧化能力并具有足夠強(qiáng)度而不產(chǎn)生大量變形或斷裂的鋼種,如高溫螺栓,渦輪葉片等.它們工作時(shí)要求承受較大的載荷,失效的主要原因是高溫下強(qiáng)度不夠.熱強(qiáng)鋼廣泛用于制造鍋爐管道,緊固件,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子,葉片,排氣閥等.熱穩(wěn)定鋼是指在高溫下抗氧化或抗高溫介質(zhì)腐蝕而不破壞的鋼種,如爐底,爐柵等.它們工作時(shí)的主要失效形式是高溫氧化,而單位面積上承受的載荷并不大.故又稱抗氧化鋼.熱穩(wěn)定鋼廣泛用于工業(yè)爐中的構(gòu)件,爐底板,馬弗罐,料架,輻射管等.按組織的晶體結(jié)構(gòu)特征可以分為奧氏體型,鐵素體型,馬氏體型和沉淀硬化型四類,其中奧氏體型,鐵素體型鋼大都用于要求抗氧化性較高的場(chǎng)合,馬氏體型和沉淀硬化型鋼則多用于要求高溫強(qiáng)度較高的場(chǎng)合.現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)了超音速飛機(jī),其發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度高達(dá)1200℃,從而,出現(xiàn)了各類鎳基,鈷基合金.由此可見(jiàn),根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的要求不同,耐熱鋼和高溫合金的使用溫度范圍是十分寬廣的,從幾百度到千度以上.一般來(lái)講,耐熱鋼和高溫合金工作溫度是指該金屬或合金的(0.3~0.5)T熔點(diǎn)℃以上的溫度.高溫合金根據(jù)成分,組織和成型工藝不同,有不同分類方法.按基體元素分類,以鐵為主,加入的合金元素總量超過(guò)50%的鐵基合金稱為鐵基高溫合金;以鎳為主或以鈷為主的合金分別稱為鎳基或鈷基高溫合金.按制備工藝分類,有變形高溫合金,鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金.按強(qiáng)化方式分類,有固溶強(qiáng)化型,沉淀強(qiáng)化型,金屬間化合物,氧化物彌散強(qiáng)化型和纖維強(qiáng)化型等.鐵基,鈷基和鎳基合金的使用溫度一般不超過(guò)1000℃,溫度再高就必須選用難熔金屬(指熔點(diǎn)高于1650℃的金屬)或其合金了.本章主要講述耐熱鋼和鐵基高溫合金.必須指出的是,由于珠光體型熱強(qiáng)鋼,馬氏體型熱強(qiáng)鋼在加熱和冷卻時(shí)會(huì)發(fā)生相變,所以要進(jìn)一步提高使用溫度受到限制.由于它們?cè)谥袦叵掠休^好的熱強(qiáng)性,熱穩(wěn)定性及工藝性能,線膨脹系數(shù)小,含碳量也較低,價(jià)格低廉,廣泛應(yīng)用于制造鍋爐,汽輪機(jī)及石油提煉設(shè)備等,是適宜在600℃~650℃以下溫度使用的熱強(qiáng)鋼.更高溫度下則須使用奧氏體型熱強(qiáng)鋼.也就是說(shuō)一種鋼可以兼有多種用途.第一節(jié)珠光體型熱強(qiáng)鋼這類鋼是合金結(jié)構(gòu)鋼中的一部分鋼種,其特點(diǎn)是碳含量較低,工藝性,導(dǎo)熱性好,熱處理工藝簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜.同時(shí),使用少量的合金元素固溶強(qiáng)化和改善Fe2O3氧化膜的穩(wěn)定性;使這類鋼經(jīng)適當(dāng)合金化后就成為500℃~620℃以下良好的熱強(qiáng)鋼.珠光體型熱強(qiáng)鋼按碳含量和應(yīng)用特點(diǎn)又可分為低碳珠光體熱強(qiáng)鋼和中碳珠光體熱強(qiáng)鋼.一,低碳珠光體型熱強(qiáng)鋼這類鋼對(duì)應(yīng)于普通低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,要求有制管,焊管,冷彎等良好工藝性能.由于這類鋼主要用于制作鍋爐鋼管,對(duì)于鍋爐鋼管來(lái)說(shuō),管內(nèi)是具有一定壓力的過(guò)熱蒸汽,外壁接觸火焰.因此要求500℃~600℃左右的高溫持久強(qiáng)度和一定的抗氧化性.可見(jiàn),低碳鋼稍加合金化即能符合這些要求.經(jīng)過(guò)多年來(lái)的研究和工業(yè)實(shí)踐,形成了一些典型鋼種,如12Cr1MoV和12Cr2MoWSiVTiB等,其中12Cr1MoV用于540℃的導(dǎo)管或580℃的過(guò)熱蒸汽管,而12Cr2MoWSiVTiB用于600℃~620℃的過(guò)熱器管.1.低碳珠光體型熱強(qiáng)鋼的合金化這類鋼的成分設(shè)計(jì)主要包括:(1)低碳,即這類鋼的碳含量一般為0.08%~0.20%.低碳一方面不僅可使鋼基體組織保持有大量的鐵素體,利用鐵素體的高熔點(diǎn)和組織穩(wěn)定性的特點(diǎn)獲得良好的耐熱性;而且使鋼中碳化物數(shù)量相對(duì)較少,鋼中的珠光體不易發(fā)生球化,珠光體中的滲碳體也不易發(fā)生石墨化,這有利于組織穩(wěn)定.另一方面,低碳還使鋼具有良好的加工工藝性能(如容易軋制,穿管,拉拔,延伸,焊接,冷彎等).(2)這類鋼實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化的主加合金元素是鉻和鉬,輔加元素是V,Ti,Nb,W等.我們知道提高鋼的熱強(qiáng)性的途徑有固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化,對(duì)于低碳珠光體型熱強(qiáng)鋼,固溶強(qiáng)化即加入合金元素固溶強(qiáng)化鐵素體基體(包括珠光體和索氏體中的鐵素體),以提高鋼的熱強(qiáng)性和再結(jié)晶溫度;第二相強(qiáng)化即利用合金元素形成第二相并強(qiáng)化第二相,如加入合金元素形成一定數(shù)量的碳化物,并通過(guò)合金化穩(wěn)定碳化物,使形成的碳化物不僅在高溫下不易球化,不易石墨化,而且在400℃~620℃形成彌散分布的,穩(wěn)定性高的,不易聚集長(zhǎng)大的碳化物,保持彌散強(qiáng)化作用.主加元素鉻和鉬是鐵素體基體的最有效的強(qiáng)化元素,使這類鋼的熱強(qiáng)性大為提高.但僅經(jīng)過(guò)鉻和鉬固溶強(qiáng)化的鐵素體在工作溫度和應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下,會(huì)緩慢地向碳化物中富集,而鐵和錳等其它元素則被排擠到固溶體中去,產(chǎn)生合金元素在使用過(guò)程中的再分配現(xiàn)象,其結(jié)果將導(dǎo)致固溶體中的強(qiáng)化元素減少,熱強(qiáng)性下降.為此鋼中還需加入一定量的輔加元素,以減少合金元素的再分配趨勢(shì),如常加入的輔加元素主要有V,Ti,Nb等,這些合金元素與碳形成穩(wěn)定的碳化物,使鉻和鉬等的固溶強(qiáng)化元素難以發(fā)生向碳化物轉(zhuǎn)移的再分配現(xiàn)象,從而保持固溶體的強(qiáng)化特性.必須指出的是,還可以采用復(fù)合固溶強(qiáng)化,比如在鋼中同時(shí)加入鉬,鎢,鉻等合金元素,利用這些元素的復(fù)合作用,不僅提高了固溶體中的原子間結(jié)合力,而且還使擴(kuò)散困難,阻礙合金元素發(fā)生再分配.對(duì)于第二相強(qiáng)化,合金化的主要目的不僅是獲得一定數(shù)量的強(qiáng)碳化物相,更重要的是阻止珠光體的球化和碳化物的聚集,阻止鋼中的C發(fā)生石墨化,保證并促進(jìn)碳化物彌散強(qiáng)化.我們知道,珠光體球化及碳化物的聚集長(zhǎng)大,在普通鋼中需要經(jīng)過(guò)球化退火等熱處理時(shí)才會(huì)出現(xiàn),但在珠光體耐熱鋼中,由于溫度和應(yīng)力的長(zhǎng)期作用,片狀珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙畈⒕奂L(zhǎng)大是降低表面自由能的自發(fā)過(guò)程,鋼的這種組織變化將引起鋼的高溫強(qiáng)度明顯降低.其中碳化物的析出和聚集長(zhǎng)大又大多發(fā)生在晶界,嚴(yán)重時(shí)在晶界長(zhǎng)成連續(xù)的薄膜,使鋼的持久強(qiáng)度和持久塑性顯著降低.影響碳化物球化及聚集長(zhǎng)大的主要因素是服役溫度,時(shí)間和材料的化學(xué)成分.就化學(xué)成分而言,由于這種變化是通過(guò)C原子的擴(kuò)散進(jìn)行的,因此這種珠光體球化及碳化物的聚集長(zhǎng)大傾向隨著碳含量的增加而增加;在鋼中凡是降低碳的擴(kuò)散速度和增加合金碳化物穩(wěn)定性(或原子結(jié)合力)的元素,如Cr,Mo,V,Ti等均能阻礙或延緩珠光體球化及碳化物的聚集長(zhǎng)大過(guò)程.石墨化是珠光體型鋼在工作溫度和應(yīng)力長(zhǎng)期作用下,碳化物分解成游離石墨的過(guò)程.當(dāng)石墨形成后,不但消除或降低了碳化物的第二相強(qiáng)化作用,而且石墨存在于鋼中也割裂了基體(相當(dāng)于小裂紋),使鋼的強(qiáng)度及塑性顯著下降.C,Al,Si等是促進(jìn)石墨化元素,因此這類鋼冶煉時(shí)一般不用Al脫氧.V,Cr等是阻礙石墨化的元素.為了保證并促進(jìn)碳化物彌散強(qiáng)化,這類鋼中常加入Mo,W,V,Nb,Ti等附加合金元素,并配合適當(dāng)?shù)臒崽幚?以獲得穩(wěn)定的彌散強(qiáng)化效果.經(jīng)過(guò)熱處理,在500~750℃范圍內(nèi)析出MeC型或Me2C型碳化物時(shí),能產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化效果,特別是VC,NbC,TiC一類的間隙碳化物,具有很高的穩(wěn)定性.如果鋼中V/C的比值符合VC的化學(xué)式的比例,C和V幾乎全部結(jié)合成VC,可以達(dá)到最高的沉淀強(qiáng)化效果.這時(shí)VC既產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化,又能保證Cr,Mo溶入α固溶體,從而使鐵素體獲得較好的強(qiáng)化.12Cr1MoV鋼就是在上述合金化思路下發(fā)展起來(lái)的典型的鋼種.2.低碳珠光體型熱強(qiáng)鋼的熱處理低碳珠光體型熱強(qiáng)鋼在科學(xué)的合金化基礎(chǔ)上還必須采取正確的熱處理工藝才能獲得滿意的性能.由于這類鋼中含有Cr,Mo,V等合金元素,因此顯著提高了鋼的淬透性,并強(qiáng)烈地推遲珠光體區(qū)的轉(zhuǎn)變,使得這類鋼在正火時(shí)可以獲得大量的貝氏體組織.研究證明,合適的熱處理制度可以使Cr,Mo保留在固溶體基體中,使VC均勻分布在馬氏體,貝氏體的高密度位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)上,此時(shí)強(qiáng)化效果可以得到充分發(fā)揮.因此,通過(guò)馬氏體,貝氏體相變,細(xì)化基體嵌鑲塊結(jié)構(gòu),加上VC在此基體上的析出,則能得到上述的強(qiáng)化效果.又由于基體經(jīng)過(guò)Cr,Mo的固溶強(qiáng)化,提高了基體的再結(jié)晶溫度,使這種強(qiáng)化在高溫回火時(shí)仍能保持.由此可見(jiàn),只有含Mo,W,V,Ti,Nb等強(qiáng)碳化物形成元素的這類鋼,馬氏體和貝氏體的回火組織,才能顯示這種優(yōu)越性.若是C鋼,Mn鋼,則因基體再結(jié)晶溫度不高,滲碳體容易聚集長(zhǎng)大,即使馬氏體,貝氏體相變能進(jìn)行,這種相變引起的強(qiáng)化也不能在高溫下保持.由上分析可知,這類鋼一般采用正火加高溫回火.正火可以得到相當(dāng)數(shù)量的貝氏體組織,工藝簡(jiǎn)便,生產(chǎn)上容易控制.正火的溫度通常選擇得較高,即980℃~1020℃,以使碳化物完全溶解并均勻分布.由于經(jīng)正火處理得到的組織是不穩(wěn)定的,為了保證在使用溫度下組織性能穩(wěn)定,一般采用高于使用溫度100℃~150℃的回火處理.通?；鼗饻囟葹?20℃~740℃,2h~3h.但回火溫度也不宜過(guò)高,以避免超過(guò)Ac1,出現(xiàn)局部高碳奧氏體,在回火冷卻時(shí)出現(xiàn)少量黃色的高碳馬氏體塊,使鋼的性能變壞.這類鋼經(jīng)熱處理后的高溫力學(xué)性能如圖6-1所示.圖中表明,以鉻,鉬合金化的鋼種,熱強(qiáng)性和碳鋼相比有顯著提高.12Cr1MoV鋼的使用溫度可達(dá)580℃.此外,我國(guó)研制的12Cr2MoWSiVTiB(鋼研102)和12Cr3MoVSiTiB(П11),在620℃時(shí)的620100000σ均達(dá)到75MPa,并具有良好的焊接及冷彎性能.這種鋼中除了運(yùn)用Cr,Mo,W,V,Ti的綜合固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化作用外,還用微量B強(qiáng)化晶界,并適當(dāng)提高Si含量,增強(qiáng)了鋼的抗氧化性能,從而使使用溫度有了較大的提高.6-1)·'&`Jv,Xz'=UL$'^.)·'_&`JvE2OJvhb."GA×BüJv¨E8N8G*ü&`K6¨EWU"^&y,X5&`4§X~E2OJv,XS*ü#z"bE&`:!1uF',X#z¨zU"!¤".)·'_5&`JvUP~·!8".)·'_5&`Jv,X.GE'PG^$CE~,X6U"~E2OJvU*üb0"QEB15&`2¨"QEBE@$~EH^EB1~.)·'_&`Jvü*üb>G!2¨G2¨ 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bE2OJv8AEU"&y'¨·5à3E*ü.)·'_¨L_,XJv/V35Cr2MoV^33Cr3WMoV1~'E2OJv21u$*üJv,!¤¨L8ZC含量較高外,還具有更高的淬透性(鉻含量的提高一方面可以提高淬透性,另一方面還可以提高耐熱性)和更高的回火穩(wěn)定性(鎢,釩等的加入可以提高鋼的回火穩(wěn)定性,同時(shí)增加高溫析出強(qiáng)化效應(yīng)).表6-1為典型的珠光體型熱強(qiáng)鋼(合金結(jié)構(gòu)鋼)的化學(xué)成分,表6-2為典型的珠光體型熱強(qiáng)鋼(合金結(jié)構(gòu)鋼)的力學(xué)性能,主要特性和用途舉例.表6-1珠光體型熱強(qiáng)鋼(合金結(jié)構(gòu)鋼)的化學(xué)成分(GB/T3077-1999)化學(xué)成分/%牌號(hào)CSiMnCrMoV12CrMo0.08~0.150.17~0.370.40~0.700.40~0.700.40~0.55-15CrMo0.12~0.180.17~0.370.40~0.700.80~1.100.40~0.55-20CrMo0.17~0.240.17~0.370.40~0.700.80~1.100.15~0.25-30CrMo0.26~0.340.17~0.370.40~0.700.80~1.100.15~0.25-30CrMoA0.26~0.330.17~0.370.40~0.700.80~1.100.15~0.25-35CrMo0.32~0.400.17~0.370.40~0.700.80~1.100.15~0.25-42CrMo0.38~0.450.17~0.370.50~0.800.90~1.200.15~0.25-12CrMoV0.08~0.150.17~0.370.40~0.700.30~0.600.25~0.350.15~0.3035CrMoV0.30~0.380.17~0.370.40~0.701.00~1.300.20~0.300.10~0.2012Cr1MoV0.08~0.150.17~0.370.40~0.700.90~1.200.25~0.350.15~0.3025Cr2MoVA0.22~0.290.17~0.370.40~0.701.50~1.800.25~0.350.15~0.3025Cr2Mo1VA0.22~0.290.17~0.370.50~0.802.10~2.500.90~1.100.30~0.502100433B

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，鋼鐵材料也屬于鐵基合金，但工程上通常將兩者區(qū)別開(kāi)來(lái)。鐵基合金是指那些刻意加入金屬合金元素，形成置換固溶體的合金，非金屬碳引起的所有強(qiáng)化效應(yīng)是次要的。

最典型的時(shí)效硬化型鐵基合金是馬氏體時(shí)效鋼（18Ni型）。其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)極低，不超過(guò)0.03%，加入大量的Ni，空冷至室溫就能獲得板條馬氏體，因碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，馬氏體強(qiáng)度硬度并不高，但韌性良好。在450～500℃時(shí)效處理，合金元素首先在位錯(cuò)處偏聚形成“氣團(tuán)”，再以“氣團(tuán)”為核心析出Ni₂M、Ni₃M（M代表其他金屬合金元素）型金屬間化合物，沉淀強(qiáng)化使鋼的屈服強(qiáng)度提高到1400～3500MPa。馬氏體時(shí)效鋼有3種強(qiáng)化機(jī)制：沉淀強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和相變強(qiáng)化（馬氏體），其中沉淀強(qiáng)化的貢獻(xiàn)最大。沉淀強(qiáng)化效果來(lái)自：（1）溶質(zhì)原子向位錯(cuò)偏聚；（2）大量細(xì)小、彌散分布、高硬度的金屬間化合物。

高溫耐壓強(qiáng)度是耐火材料高溫力學(xué)性能之一，可用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。即按一定速度施壓至其破壞時(shí)，每單位截面積上所能承受的極限壓力。單位為帕

鐵基合金按不同金相組織可分以下幾類。

（1）馬氏體合金鋼

主要硬化元素是Cr，還有Si、Mo、Mn、V、W等強(qiáng)化元素，合金元素總量不超過(guò)10%。涂層組織為低碳馬氏體，有良好的機(jī)加工性能，涂層硬度HRc30"para" label-module="para">

（2）高鉻鑄鐵

該類合金硬度高，HRc48"_blank" href="/item/碳化鎢">碳化鎢硬面材料，但價(jià)格僅為碳化鎢材料的1/3。

高鉻鑄鐵含碳量2%～6%，含鉻量20%～35%，焊層中主要耐磨硬質(zhì)相Cr₇C₃，基體組織有馬氏體和奧氏體。

高鉻鑄鐵采用電焊條或管狀焊絲明弧或埋弧堆焊，堆焊過(guò)程中因有大量碳化物析出，焊層產(chǎn)生龜裂釋放焊層中的內(nèi)應(yīng)力，并不影響其使用性能。主要用于農(nóng)機(jī)、礦山、煤粉研磨機(jī)輥等中等或嚴(yán)重磨粒磨損件。

高鉻鑄鐵型自熔合金粉末，氧乙炔火焰（或等離子）噴焊，涂層硬度（HRc50以上），用于不受強(qiáng)烈沖擊的磨粒磨損件。

（3）奧氏體錳鋼

高錳鋼硬面材料能經(jīng)受高沖擊及輕微到中等的磨粒磨損，堆焊層無(wú)磁性，具有高韌性，焊后硬度HRc16～20，冷作硬化后可提高到HRc4448，隨含碳量不同而變。

高錳鋼含有Mn12%～15%及Cr、Ni、Mo，奧氏體組織是用錳穩(wěn)定的。施焊時(shí)不用氣焊只用電焊以縮小熱影響區(qū)求得焊層快速冷卻。施焊不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)馬氏體相而導(dǎo)致焊層胞裂。

高錳鋼電焊條和明弧焊絲，用于嚴(yán)重的金屬間沖擊和礦石對(duì)金屬的沖磨件的堆焊。

（4）馬氏體不銹鋼

此類合金屬低碳高鉻馬氏體鋼。主要成分含碳C 0.2%和含鉻>12%。具有良好的綜合機(jī)械性能，硬度HRc50左右，強(qiáng)度、韌性都很好，能耐大氣和蒸汽的腐蝕，還有耐冷熱疲勞的能力。產(chǎn)品有金屬絲材和管狀絲。主要用在中等沖擊，中等金屬間磨損和中等磨粒磨損的場(chǎng)合。

馬氏體不銹鋼型噴涂粉，氧乙炔火焰噴涂，涂層硬度（HB320～450），用于軸類、活塞、柱塞等耐磨件。

（5）光體鋼

此類合金含低碳（0~25%）量其他合金元素，組織結(jié)構(gòu)為珠光體、耐沖擊性，硬度低（HRc25~35），具有極好的可焊性，適用于堆焊，主要用于恢復(fù)機(jī)械設(shè)備零件尺寸。如受滾壓、滑動(dòng)或沖擊負(fù)荷的重型機(jī)械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸、軋輥等零件。另一重要用途是作為堆焊過(guò)渡層。