耐热材料的失效原因及运用方法

耐热材料的失效原因及运用方法

【摘要】本文旨在阐述金川公司冶金炉窑中所使用耐热材料的失效原因以及材料的选择标准，耐热材料是指在工作温度大于300？C以上所使用的钢铁材料。

【关键词】耐热材料失效原因选择方法

金川公司经过几十年的发展，在火法冶金上有各种冶金炉窑设备，在冶炼方式上是比较齐全，且设备台数较多，大小有数十台设备用于各种铜、镍的冶炼，其中有较先进的冶炼设备，也有比较陈旧的设备。这些设备在生产使用过程中会有一定的周期性产生设备零件的损坏，每年为此消耗各种备件达数千吨以上。而这些零件大都是具有耐热性能的零件，损坏原因多种多样，但最直接、最根本的原因是在热环境下工作零件本身所具备的耐热性能达不到或根本不具备耐热性能，导致零件提前结束使用寿命，造成这种结果的原因是对于零件材料的使用性能选择不当所致。下面就耐热材料的失效原因，采用耐热材料的原则、耐热材料的种类予以介绍供参考。

1 材料的失效原因表现形式及解决原则

钢铁材料在热环境下工作会产生一系列机械性能和物理性能的变化。例如：材料表面金属的氧化，机械强度（包括断裂强度、抗拉强度、疲劳强度、蠕变强度等）的显著降低，材料组织发生的变化，奥氏体的转变、马氏体的转变，珠光体向铁素体的转变，晶粒之间慢性滑移等都将在一个热环境下发生不明显的变化，随着时间的推移，达到宏观的变化，结果引起零件的性能不能满足使用要求而报废，耐热材料失效的最主要原因为：氧化原因、蠕变原因、热疲劳原因、高温静载荷强度降低等。下面逐一分析。

（1）氧化原因：放置于大气中的钢铁材料，表面会吸附大气中的氧原子而与铁发生反应，生成铁氧化物，在表面形成气膜，这一反应过程在自然状态下相对缓慢，通过表面处理如刷漆、电镀等完全可减缓之，几乎不会对结构件性能在短时期内构成威胁，而在热环境下，氧溶入钢铁材料表面的速度呈几何速度递增，钢铁材料表面的氧化层不断加厚，当氧化层厚度达到一定程度时，氧化皮脱落，又重新开始新一轮的氧化脱落，当这个结果累积到一定程度时，钢材的机械性能已不能满足零件的需要，导致零件损坏，失去使用性能。

针对钢铁材料在热环境下工作氧化失效的解决措施就是采用合金化办法，在钢铁中加入铬、铝、硅等合金元素，这些元素在热环境下在钢铁表面迅速形成一层致密的氧化膜，阻止氧化的持续侵入。目前常用的不锈钢等耐热钢均为此原理。

（2）蠕变是指钢铁材料在热环境下工作，承受低于屈服强度的压力而产生的低速率塑性变形现象，热环境下，金属晶体滑移的驱动力减少，使晶体易于产生滑移，同时热激活作用也有利于产生交滑移和形变带，常使滑移阻力更低的新

滑移系出现，另外亚晶粒形成，晶界定位扩散，晶界滑移却导致不同的金属材料产生蠕变，长期处于热环境下的材料，滑移的不断累积导致材料发生变形，当达到材料的强度极限时，材料发生断裂，失去使用性能，蠕变的宏观表现形式为沿晶界开裂，呈现颗粒状或冰糖状脆性断口。

蠕变解决办法：细化组织，提高组织的热稳定性，强化基体和晶界形成致密的组织结构，这些都是减缓蠕变的根本原因，最有效的改善方法是加入钼合金，钼合金的加入强化基体组织，能有效减弱蠕变的发生率。

（3）热疲劳：零件在温度不断起伏变化的条件下，如果工作温度变化产生的体积改变受到限制，零件内部将产生大小和方向不断变化的热应力，经过一定的循环累积后，热应力达到材料的强度极限，使材料表面产生网状裂纹，裂纹继续扩展，将导致零件断裂失效。体积改变的原因是材料中的铁元素与珠光体的热物理性质有差别，两种组织的存在易导致热循环过程产生压力增加，破坏结构，导致开裂。

解决办法：在热环境下的零件尽量采用具有单一铁素体组织的材料。

（4）高温静载强度降低：指金属材料在热环境下内部原子间结合力减弱，热激活作用增强，导致塑变能量减少，晶界强化和固溶作用减弱，这些因素导致金属材料高温强度降低。

解决办法：采用钼合金化，钼具有其它元素不可替代的增强高温强度的元素之一。

2 合金元素在耐热材料中的作用

改善金属材料在热环境下的使用性能，延长使用寿命，唯一的途径就是合金化。合金化元素多种多样，且各种元素共同作用，才能使某一材料满足某一特定条件下的使用性能，现将主要合金的性能予以介绍。

镍：镍是强烈扩大奥氏体的元素，由于镍的加入，将使材料的组织变为单一的奥氏体，奥氏体在热环境下具有相对稳定的性能，故大量采用镍元素。

硅：形成硅氧化物钝化膜，硅量大时，形成单一铁素体组织，抵抗蠕变性能好，一般用于700℃以下工作的耐热零件。

铝：促使组织形成单一铁素体，且生成表面钝化膜，钢合金中铝含量大于4%时，材料耐热特性急剧降低。

钼：强烈提高热环境下基体组织强度的元素，在任何一种耐热材料中均有良好的表现。

耐热材料的分类：

结构钢：包括奥氏体钢、马氏体钢、铁素体钢；

奥氏体钢：热温度范围在1100℃以下，主要用于小的耐热零件。

铁素体钢：耐热温度范围在1100℃以下，抗氧化性能较优。

铸造耐磨材料：包括铸造耐热钢、铸造耐热铸铁；

铸造耐热钢分为：耐热钢、热强钢；

铸造耐热钢适用于一般抗氧化、蠕变为主的环境中，不能承受较高的机械强度。

铸造热强钢：适用于热环境下工作，且承受一定机械强度的零件。

铸造耐热铸铁又分为：铬系耐热铸铁、硅系耐热铸铁、铝系耐热铸铁；

铬系耐热铸铁又分为：低铬耐热铸铁，适用于600℃以下零件；

中铬耐热铸铁，适用于600℃—900℃之间；

高铬耐热铸铁，适用于900℃以上。

硅系耐热铸铁：一般为中硅耐热铸铁，适用于600℃—850℃之间。

铝耐热铸铁又分为：低铝耐热铸铁，适用于700℃以下零件；

中铝耐热铸铁，适用于700℃—900℃之间；

高铝耐热铸铁，适用于900℃—1100℃之间。

参考文献：

[1]郝石坚.现代铸铁学，2004年.