第七章耐热钢及耐热合金

Al，Si元素
Cr- Al， Cr- Si， Cr- Al- Si
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La、Ce、Y等也是常用抗氧化元素
渗铝，渗Cr或者在金属表面涂覆保护性的薄膜也是常用的方法
三、耐热金属的热强性（高温强度）
（一）金属高温力 学性能的特点
1、温度和时间对金 属的强度影响
2. 高温下的断裂 形式发生变化 常温下均为穿 晶断裂，高温 下经常为沿晶 断裂
使用环境特点： 温度低于锅炉管子 承受扭转，弯曲，震动所产生的应力和温度梯度引起的热应力 性能要求 较高的热强性，热疲劳性，高温塑性，韧性的综合性能 加工 一般采用锻造加工，少用焊接 合金化特点 含碳量较高＋Cr，Mo（提高淬透性和回火稳定性）＋适量的Ti，Nb， V，B等。 热处理 淬火＋高温回火 代表钢种 24CrMoV，25Cr2MoVa，35CrMo（V）等
第四节 奥氏体耐热钢及耐热合金
概述：珠光体及马氏体耐热钢均为α-Fe基，在使用 温度超过600℃以上，化学稳定性和热稳定性都不 足以保证良好的使用性能，这时必须采用γ-Fe基 奥氏体耐热钢或耐热合金 γ-Fe基奥氏体耐热钢比α-Fe基耐热钢具有更高的 热强性，原因在于： 1. γ-Fe晶型的原子间结合力比α-Fe大； 2. γ-Fe中Fe及其他元素原子的扩散系数小，再结 晶温度高，其再结晶温度可以达到800℃以上，而 α-Fe再结晶温度为450－600 ℃。
二、Ni高温合金的分类
1. 变形镍基高温合金 铸造后经锻轧加工 特点：较高的强度和高温持久性能 较好的持久塑性，较好的加工性能 使用温度：700-1000℃ 用途：喷气发动机叶片 热处理： (1)固溶处理：1040-1230℃ (2)时效：从固溶处理后的介稳状态中 析出强化相 (3)中间热处理（二次固溶处理）：控 制合金晶界沉淀相的种类，大小， 数量和分布为时效处理作准备
第七章 耐热钢和耐热合金
乙烯裂解装置
概述
高温下工作并具有一 定强度和抗氧化、耐 蚀能力的铁基合金称 为耐热钢 在高温下使用的Ni基， Co基，Mo基，Nb 基，Ta基等合金称 为高温合金
飞机发动机
第一节 耐热金属材料的工作条件及性能特点
一、工作条件和性能要求 二、耐热钢的抗氧化性 三、耐热金属材料的热强性 （高温强度） 四、耐热钢及耐热合金的分类
二、奥氏体型抗氧化钢
在奥氏体不锈钢基础上发展而来，比铁素体不锈钢有更好 的热强性和加工工艺性能，可承受一定载荷。 代表：Cr18Ni25Si2 为了节省Ni，开发了Fe-Al-Mn 和Cr-Mn-N系
第三节、珠光体及马氏体耐热钢
一、珠光体耐热钢 （一）概述 定义：珠光体耐热钢指在正火状态下，显微组织是 珠光体的耐热钢。 应用：石油化工，动力工业 分类：低碳珠光体耐热钢和中碳珠光体耐热钢 低碳珠光体耐热钢：16Mo，12CrMo，15CrMo， 12CrMoV，12Cr1MoV，15CrMoV， 12MoWVBR 中碳珠光体热强钢：24CrMoV，35CrMo， 35CrMoV，34CrNi3MoV
四、耐热钢和耐热合金的分类 按元素分 Fe基，Ni基，Co基，Mo基，Ta基，Nb基等 Fe基为耐热钢 Ni 、Co基、难熔金属 (Mo、Nb、Ta )基为 耐热合金 Fe基耐热钢按组织分 α-Fe基耐热钢：p耐热钢，M耐热钢， F耐 热钢(抗氧化钢) γ-Fe基耐热钢：A耐热钢
第二节 抗氧化钢
航空发动机涡轮盘
第五节 Ni基高温合金
耐热钢和铁基耐热合金在较高载荷下使用温 度只能达到750-850℃，对于更高温度下 使用的部件，一般采用Ni基，Co基及其他 难熔金属为基体的合金
一、镍基高温合金的合金化
Ni基高温合金是在Cr20Ni80的基础上发展而来 的，合金中加入大量的强化元素，如W，Mo，Ti， Al，Nb，Co等，一般不含Fe 基体是Ni，组织是奥氏体 合金元素作用 Al，Ni，Ti生成稳定的强化相Ni3（Al，Ti） Nb形成Ni3（Al，Ti，Nb）沉淀强化 Cr抗氧化 B，Ce，Zr微量，强化晶界
（1）珠光体的球化及碳化物聚集长大
珠光体耐热钢在高温下长期使用，都发生层 片状珠光体球化和片状渗碳体的聚集长大。 使钢的强度明显降低，完全球化后的持久强 度比未球化的降低1/3左右。 一般添加Cr，Mo，V形成碳化物，可明显 阻止渗碳体的球化
未球化，珠光体中碳化物呈片状
轻度球化，珠光体区域中碳化物开始分散， 并开始向晶界扩散，珠光体形态尚明显。
锅炉管
一、耐热金属材料工作条件和性能要求
工作环境 高温 高压力（较大应力） 高温氧化（高温腐蚀） 失效形式 高温氧化（热腐蚀） 蠕变 热疲劳等 应具备的基本性能 优良的高温力学性能 高温化学稳定性 物理性能（高温下的热膨胀率，热导性） 良好的加工性能
汽轮机转子
二、耐热钢的抗氧化性Baidu Nhomakorabea
抗氧化性不是说在高温条件下不被氧化，而是指在高 温下迅速氧化，但在氧化后能在金属表面形成一层连 续致密的，并能牢固附着在金属表面的氧化薄膜，这 层薄膜起到隔绝氧气与金属基体接触的作用，防止金 属被继续氧化 抗氧化性评定方法 增重法，减重法（单位时间单位面积上氧化后重量的增 减来表征），容量法（恒压下测量O2的消耗量），压 力法（密闭容器中，用压力下降来测定氧气的消耗量）
工作环境：700-850℃，燃气中含有Na， S，V等气体和盐类介质 损伤形式：机械疲劳，热疲劳，气体冲刷等 性能要求：高温强度，硬度，韧性，抗氧化 性，耐蚀性，组织稳定 成分特点：高碳，添加Si提高抗氧化性， Mo提高淬透性和第二类回火脆性 代表钢种：4Cr9Si2， 4Cr10Si2Mo 奥氏体排气阀用钢4Cr14Ni14W2Mo
4Cr25Ni20（HK40）铸态组织
三、金属间化合物沉淀强化型
1. 化学成分特点：低碳，（0.08％） 高Ni（25-40％），添加Al， Ti，Mo，W，V稳定奥氏体并 形成γ‘[Ni3(Al,Ti)]相沉淀强化 2. 代表钢种： GH132 （0Cr15Ni26MoTi2AlVB） GH130 3. 应用：600-700℃，载荷较大 构件，如涡轮盘，导向叶片等
（二）低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）
1.工作条件及性能要求 工作条件：主要用作锅炉管， 管内高压蒸汽，外壁与火 焰烟气接触 性能要求： 足够的高温强度和持久性能 足够的抗氧化及耐蚀性能 足够的组织稳定性能 良好的冷、热加工性能
热电厂水冷壁管在炉内整体形貌
2.化学成分特点
低的含碳量：0.08-0.2％
可保证良好的冷、热加工性， 抗氧化性，不易产生碳化物 的聚集长大，球化和石墨化。
适量的Cr，Mo，W，V， Ti，Nb等元素
为进一步提高抗氧化性，稳 定钢的组织及热强性
冷拔锅炉管
3.组织稳定性
低碳珠光体耐热钢在使用过程中组织经 常发生一系列的变化，导致构件失效， 主要有三个方面： （1）珠光体的球化及碳化物聚集长大 （2）石墨化 （3）合金元素在固溶体和碳化物中的扩 散和再分配
1级石墨化，现象不明显， 游离碳占20%左右。
2级明显石墨化，游离碳占 40%左右。σb降低30%，
（3）合金元素在固溶体和碳化物中的扩散和再分 配
含Mo的珠光体耐热钢，如16Mo， 15CrMo等，在高温下工作，固溶体中的 Mo会逐渐减少，而碳化物中的Mo会逐渐 增多 使钢的热强性严重下降 降低合金元素再分配方法 固溶体复合合金化（钢中加入Cr，Mo，W 等，提高原子结合能力，使扩散困难） 加入Ti，V，Nb等强碳化物形成元素
4.低碳珠光体耐热钢热处理 一般在正火状态使用组织是珠光体＋铁素体
如果性能要求高的话，采用正火＋高温回火 使组织稳定性更好。
(二)中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转子用钢）
耐热的紧固件（螺栓，螺 母，气封弹簧片，阀杆）， 汽轮机转子（主轴，叶轮） 等
二、中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转子用钢）
Fe2O3
O2
570 ℃以上Fe氧化膜示意图
（二）提高钢抗氧化性的途径
形成保护性的氧化膜,主要采用合金化的方法，一般添加Cr， Al，Si元素形成Cr2O3，Al2O3和SiO2氧化膜，防止氧化
Cr是最常用的抗氧化元素
600～650 ℃使用 800 ℃ 950 ℃ 1100 ℃ 5 ％ Cr 12 ％ Cr 2 0％ Cr 2 8％ Cr
二、马氏体耐热钢
叶片用钢
内燃机排气阀用钢
汽轮机叶片
（一）叶片用钢
工作环境：承受复杂应力 高压蒸汽冲刷 性能要求：高的耐蚀性，热强性，耐磨性， 抗氧化性 成分特点：在Cr13基础上适当添加W，V， Nb等元素提高热强性 代表钢种：1Cr13，2Cr13， 15Cr11MoV
（二）内燃机排气阀用钢
中度球化，珠光体区域中的碳 化物已明显分散，并已向晶界 聚集，珠光体尚保留其形态
完全球化，珠光体已基本消失， 球状碳化物分布在晶界及铁素 体基体上，分散度大
严重球化，晶 界及铁素体基 体上的碳化物 已逐渐长大， 分散度大
（2）石墨化
是低碳珠光体耐热钢组织变化中最危险的组 织 渗碳体分解出石墨 Fe3C＝3Fe＋G（石墨） 后果：钢的蠕变极限，持久强度，塑性，韧 性明显下降 预防：0.3-0.5％的Cr可预防石墨化，强 碳化物形成元素可抑制石墨化 促进石墨化元素：Mo，Al，Si，Ni
（一）普通钢的高温氧化
超过300℃，碳钢就会发生明显氧化，温度再升高， 氧化加剧。超过570 ℃氧化特别强烈。570 ℃以 下，Fe的氧化膜主要由Fe2O3＋Fe3O4组成，但 超过570 ℃主要由FeO＋Fe3O4+Fe2O3组成， 而FeO是缺位固溶体，氧原子能自由进入
Fe
FeO
Fe3O4
（二）提高耐热钢热强性途径
1.影响热强性的因素 （1）影响耐热钢软化的因素 温度提高，原子间结合力下降，原子扩散系 数增大，使钢中的亚稳态向稳态过渡等导致 软化 （2）形变断裂方式的变化 穿晶－沿晶
2.提高热强性途径
（1）基体强化 提高基体的原子间结合力，降低固溶体的扩散过程。一般熔点 高，自扩散系数小，能提高再结晶温度的合金元素固溶于基体 都能提高热强性，如Mo，W，Co，Cr等。另外，奥氏体组织 较铁素体结合紧密，扩散不易进行。 （2）第二相沉淀强化 主要要求第二相稳定，不易聚集长大，能在高温长期保持细小弥散 分布。耐热钢大多用高熔点碳化物作强化相，如MC，M23C6， M6C，更高温度则用金属间化合物作强化相，如Ni3（Al， Ti），Ni3Ti，Ni3Al等 （3）晶界强化 高温晶界强度低，适当增加晶粒度，减少晶界数量是常用的方 法，另外，还可以采用a.净化晶界；b.填充晶界空位；c.晶界 沉淀强化等手段强化晶界
工作环境：高温下长期工作 载荷不大 应用举例：工业加热炉的构件 分类：铁素体型抗氧化钢 奥氏体型抗氧化钢
一、铁素体型抗氧化钢
常用铁素体型抗氧化钢
在铁素体不锈钢基础上添加适量的Si，Al发展而来
Cr13型：Cr13Si3，Cr13SiAl， 800-850℃ Cr18型：Cr18Si2，Cr17Al4Si，1000 ℃ Cr25型：Cr24Al2Si，Cr25Si2，1050-1100 ℃ 特点：抗氧化性能良好，但韧性低，不宜承受载荷
奥氏体耐热钢的优点 较高的抗氧化性，高的塑性、韧性，良好的可 焊性 缺点：室温强度低，导热性差，压力加工及 切削困难 分类：固溶强化型 碳化物沉淀强化型 金属间化合物沉淀强化型（铁基耐热 合金）
一、固溶强化型
1. 合金化特点 低碳，主加元素为Cr，Ni形 成奥氏体组织，添加W， Mo固溶强化提供固溶强化 2. 特点：焊接及冷加工成型性 好 3. 使用环境：温度较高，承受 载荷不大的零件上，如高温 传送带，喷气发动机的喷嘴 等 3. 代表钢种：Incoloy800 『Cr20Ni32』
二、碳化物沉淀强化型
1. 化学成分特点 高Cr，Ni％以形成奥氏体； 含有强碳化物形成元素：W，Mo，Nb，V等； 2. 特点：以碳化物为沉淀强化相 3. 热处理：铸态使用或锻轧后经固溶处理＋时 效处理后使用
4. 代表钢种：4Cr25Ni20（HK40） 5Cr25Ni35（HP） 5Cr25Ni33NbW 5. 组织特点：M7C3，MC为骨架强化晶界 6. 用途：石化装置 600-1050℃ 载荷不高