高溫強度鐵基合金簡介

.對蒸汽輪機和鍋爐來講,在本世紀30~40年代蒸汽溫度不過400~450℃,蒸汽壓力不過近100大氣壓,而現(xiàn)在蒸汽溫度巳達650℃,蒸汽壓力也高達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:一類是在低合金結構鋼基礎上發(fā)展起來的低合金珠光體型熱強鋼,另一類是在不銹鋼基礎上發(fā)展起來的高合金專用耐熱鋼.專用耐熱鋼按對使用性能的要求可以分為熱強鋼和熱穩(wěn)定鋼.熱強鋼是指在高溫下有一定抗氧化能力并具有足夠強度而不產(chǎn)生大量變形或斷裂的鋼種,如高溫螺栓,渦輪葉片等.它們工作時要求承受較大的載荷,失效的主要原因是高溫下強度不夠.熱強鋼廣泛用于制造鍋爐管道,緊固件,汽輪機轉子,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腐蝕而不破壞的鋼種,如爐底,爐柵等.它們工作時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)爐中的構件,爐底板,馬弗罐,料架,輻射管等.按組織的晶體結構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合,馬氏體型和沉淀硬化型鋼則多用于要求高溫強度較高的場合.現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)了超音速飛機,其發(fā)動機的工作溫度高達1200℃,從而,出現(xiàn)了各類鎳基,鈷基合金.由此可見,根據(jù)工程結構的要求不同,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℃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.按強化方式分類,有固溶強化型,沉淀強化型,金屬間化合物,氧化物彌散強化型和纖維強化型等.鐵基,鈷基和鎳基合金的使用溫度一般不超過1000℃,溫度再高就必須選用難熔金屬(指熔點高于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,由于珠光體型熱強鋼,馬氏體型熱強鋼在加熱和冷卻時會發(fā)生相變,所以要進一步提高使用溫度受到限制.由于它們在中溫下有較好的熱強性,熱穩(wěn)定性及工藝性能,線膨脹系數(shù)小,含碳量也較低,價格低廉,廣泛應用于制造鍋爐,汽輪機及石油提煉設備等,是適宜在600℃~650℃以下溫度使用的熱強鋼.更高溫度下則須使用奧氏體型熱強鋼.也就是說一種鋼可以兼有多種用途.第一節(jié)珠光體型熱強鋼這類鋼是合金結構鋼中的一部分鋼種,其特點是碳含量較低,工藝性,導熱性好,熱處理工藝簡單,價格便宜.同時,使用少量的合金元素固溶強化和改善Fe2O3氧化膜的穩(wěn)定性;使這類鋼經(jīng)適當合金化后就成為500℃~620℃以下良好的熱強鋼.珠光體型熱強鋼按碳含量和應用特點又可分為低碳珠光體熱強鋼和中碳珠光體熱強鋼.一,低碳珠光體型熱強鋼這類鋼對應于普通低合金高強度結構鋼,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,對于鍋爐鋼管來說,管內是具有一定壓力的過熱蒸汽,外壁接觸火焰.因此要求500℃~600℃左右的高溫持久強度和一定的抗氧化性.可見,低碳鋼稍加合金化即能符合這些要求.經(jīng)過多年來的研究和工業(yè)實踐,形成了一些典型鋼種,如12Cr1MoV和12Cr2MoWSiVTiB等,其中12Cr1MoV用于540℃的導管或580℃的過熱蒸汽管,而12Cr2MoWSiVTiB用于600℃~620℃的過熱器管.1.低碳珠光體型熱強鋼的合金化這類鋼的成分設計主要包括:(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和組織穩(wěn)定性的特點獲得良好的耐熱性;而且使鋼中碳化物數(shù)量相對較少,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)這類鋼實現(xiàn)固溶強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性的途徑有固溶強化和第二相強化,對于低碳珠光體型熱強鋼,固溶強化即加入合金元素固溶強化鐵素體基體(包括珠光體和索氏體中的鐵素體),以提高鋼的熱強性和再結晶溫度;第二相強化即利用合金元素形成第二相并強化第二相,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,不易聚集長大的碳化物,保持彌散強化作用.主加元素鉻和鉬是鐵素體基體的最有效的強化元素,使這類鋼的熱強性大為提高.但僅經(jīng)過鉻和鉬固溶強化的鐵素體在工作溫度和應力的長期作用下,會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程中的再分配現(xiàn)象,其結果將導致固溶體中的強化元素減少,熱強性下降.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,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化元素難以發(fā)生向碳化物轉移的再分配現(xiàn)象,從而保持固溶體的強化特性.必須指出的是,還可以采用復合固溶強化,比如在鋼中同時加入鉬,鎢,鉻等合金元素,利用這些元素的復合作用,不僅提高了固溶體中的原子間結合力,而且還使擴散困難,阻礙合金元素發(fā)生再分配.對于第二相強化,合金化的主要目的不僅是獲得一定數(shù)量的強碳化物相,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,保證并促進碳化物彌散強化.我們知道,珠光體球化及碳化物的聚集長大,在普通鋼中需要經(jīng)過球化退火等熱處理時才會出現(xiàn),但在珠光體耐熱鋼中,由于溫度和應力的長期作用,片狀珠光體轉變?yōu)榍驙畈⒕奂L大是降低表面自由能的自發(fā)過程,鋼的這種組織變化將引起鋼的高溫強度明顯降低.其中碳化物的析出和聚集長大又大多發(fā)生在晶界,嚴重時在晶界長成連續(xù)的薄膜,使鋼的持久強度和持久塑性顯著降低.影響碳化物球化及聚集長大的主要因素是服役溫度,時間和材料的化學成分.就化學成分而言,由于這種變化是通過C原子的擴散進行的,因此這種珠光體球化及碳化物的聚集長大傾向隨著碳含量的增加而增加;在鋼中凡是降低碳的擴散速度和增加合金碳化物穩(wěn)定性(或原子結合力)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大過程.石墨化是珠光體型鋼在工作溫度和應力長期作用下,碳化物分解成游離石墨的過程.當石墨形成后,不但消除或降低了碳化物的第二相強化作用,而且石墨存在于鋼中也割裂了基體(相當于小裂紋),使鋼的強度及塑性顯著下降.C,Al,Si等是促進石墨化元素,因此這類鋼冶煉時一般不用Al脫氧.V,Cr等是阻礙石墨化的元素.為了保證并促進碳化物彌散強化,這類鋼中常加入Mo,W,V,Nb,Ti等附加合金元素,并配合適當?shù)臒崽幚?以獲得穩(wěn)定的彌散強化效果.經(jīng)過熱處理,在500~750℃范圍內析出MeC型或Me2C型碳化物時,能產(chǎn)生沉淀強化效果,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的化學式的比例,C和V幾乎全部結合成VC,可以達到最高的沉淀強化效果.這時VC既產(chǎn)生沉淀強化,又能保證Cr,Mo溶入α固溶體,從而使鐵素體獲得較好的強化.12Cr1MoV鋼就是在上述合金化思路下發(fā)展起來的典型的鋼種.2.低碳珠光體型熱強鋼的熱處理低碳珠光體型熱強鋼在科學的合金化基礎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,并強烈地推遲珠光體區(qū)的轉變,使得這類鋼在正火時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網(wǎng)絡上,此時強化效果可以得到充分發(fā)揮.因此,通過馬氏體,貝氏體相變,細化基體嵌鑲塊結構,加上VC在此基體上的析出,則能得到上述的強化效果.又由于基體經(jīng)過Cr,Mo的固溶強化,提高了基體的再結晶溫度,使這種強化在高溫回火時仍能保持.由此可見,只有含Mo,W,V,Ti,Nb等強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,則因基體再結晶溫度不高,滲碳體容易聚集長大,即使馬氏體,貝氏體相變能進行,這種相變引起的強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.正火可以得到相當數(shù)量的貝氏體組織,工藝簡便,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高,以避免超過Ac1,出現(xiàn)局部高碳奧氏體,在回火冷卻時出現(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性能如圖6-1所示.圖中表明,以鉻,鉬合金化的鋼種,熱強性和碳鋼相比有顯著提高.12Cr1MoV鋼的使用溫度可達580℃.此外,我國研制的12Cr2MoWSiVTiB(鋼研102)和12Cr3MoVSiTiB(П11),在620℃時的620100000σ均達到75MPa,并具有良好的焊接及冷彎性能.這種鋼中除了運用Cr,Mo,W,V,Ti的綜合固溶強化和第二相強化作用外,還用微量B強化晶界,并適當提高Si含量,增強了鋼的抗氧化性能,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@$~EH^EB1~.)·'_&`Jvü*üb>G!2¨G2¨ bbae2NXho(¨OjU"E2OJvüae2AE{*óAE¨GJvüx#hP,XAEz×J¨2üP#'_o0¨h6KSó-n,XNX2ho¨·5àU"JvP,XR0nרZ-A2üKSóS*üE/AE)6>'!¨EU"Jvn,X%'n,Xk!~1.)·'_&`Jv,XGü".)·'_&`Jv,X.E'P.GPx#,XAEUL$×rtCr^Mo^VG¨E!7&,XBae!'E@G¨kKP,XR0n,XBae!'44~L_,XJv/25Cr2Mo1VA~ bE/Jvü=,XE>E/¨*ó.(="J d¨Ck6>¨·!8)Z20Cr1Mo1VNbTiB'20Cr1Mo1VTiB5&`2Jv/~E/JvG*üEW",XCG¨E!9t90n.(=,X2Nb^Ti1¨JG*üBJ ¨5àSJAEKP,Xz¨5àKP,X%¨U*üb570"0,X2~2.)·'_&`Jv,X&`).)·'_&`Jv8G*ü"#tP#&~'".)·'_&`Jv¨&EU"PbS*ü#z100"~V33Cr3WMoVJvG*ü950"#¨640&~LU,X¨E2OJvV*übU"8CQ,X4—6,X~_VEE@$¨E^G*ü!7&9k".Bae!'¨'aE>&~.)·'_&`Jvü*üb"QEBE@$~EH^EB¨ bEH'EB4,X"QEBE@$HKE@$üE&`:!,XE¨S…,XAEho¨AE@ho^ho^#zzCK,X&`ho^|,XLtho(/o{*ó,X'Xho1~·!8U"P,X"EH^X7¨,X4—6¨P,X&`'?Q,X#E'8N6~ 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,同時增加高溫析出強化效應).表6-1為典型的珠光體型熱強鋼(合金結構鋼)的化學成分,表6-2為典型的珠光體型熱強鋼(合金結構鋼)的力學性能,主要特性和用途舉例.表6-1珠光體型熱強鋼(合金結構鋼)的化學成分(GB/T3077-1999)化學成分/%牌號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

嚴格來說，鋼鐵材料也屬于鐵基合金，但工程上通常將兩者區(qū)別開來。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化效應是次要的。

最典型的時效硬化型鐵基合金是馬氏體時效鋼（18Ni型）。其碳的質量分數(shù)極低，不超過0.03%，加入大量的Ni，空冷至室溫就能獲得板條馬氏體，因碳的質量分數(shù)低，馬氏體強度硬度并不高，但韌性良好。在450～500℃時效處理，合金元素首先在位錯處偏聚形成“氣團”，再以“氣團”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，沉淀強化使鋼的屈服強度提高到1400～3500MPa。馬氏體時效鋼有3種強化機制：沉淀強化、固溶強化和相變強化（馬氏體），其中沉淀強化的貢獻最大。沉淀強化效果來自：（1）溶質原子向位錯偏聚；（2）大量細小、彌散分布、高硬度的金屬間化合物。

高溫耐壓強度是耐火材料高溫力學性能之一，可用實驗方法測定。即按一定速度施壓至其破壞時，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等強化元素，合金元素總量不超過10%。涂層組織為低碳馬氏體，有良好的機加工性能，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應力，并不影響其使用性能。主要用于農(nóng)機、礦山、煤粉研磨機輥等中等或嚴重磨粒磨損件。

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。施焊不當會出現(xiàn)馬氏體相而導致焊層胞裂。

高錳鋼電焊條和明弧焊絲，用于嚴重的金屬間沖擊和礦石對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%。具有良好的綜合機械性能，硬度HRc50左右，強度、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，組織結構為珠光體、耐沖擊性，硬度低（HRc25~35），具有極好的可焊性，適用于堆焊，主要用于恢復機械設備零件尺寸。如受滾壓、滑動或沖擊負荷的重型機械設備的旋轉軸、軋輥等零件。另一重要用途是作為堆焊過渡層。