第五章耐热钢和耐热合金

第五章耐热钢和耐热合金 第一节耐热钢的工作条件及性能第二节合金元素对耐热钢性能的影响第三节耐热钢钢种第四节耐热合金

在高温下具有高的热化学稳定性和热强性的特殊钢称之为耐热钢。在高温下具有高的热化学稳定性和热强性的特殊钢称之为耐热钢。广泛用于制造工业加热炉、热工动力机械（如内燃机）、石油及化工机械与设备等高温条件工作的零件。

第一节耐热钢的工作条件及性能 • 高温抗氧化性金属的抗氧化性通常不是说其不氧化，而是其在高温下表面迅速氧化形成一层致密的氧化膜，隔离了高温氧化环境与钢基体的直接作用，使钢不再被氧化。一般碳钢在高温下表面生成疏松多孔的氧化亚铁（FeO），易剥落，且环境中氧原子能不断地通过FeO扩散至钢基体，使钢连续不断地被氧化。

通过合金化方法，如向钢中加入Cr、Si、Al和Ni等元素后，钢在高温氧化环境下表面就容易生成高熔点致密的且与基体结合牢固的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜，或与铁一起形成致密的复合氧化膜，这就抑制了疏松FeO的生成，阻止了氧的扩散；另外为防止碳与Cr等抗氧化元素的作用而降低材料耐氧化性，耐热钢一般只含有较低的碳，约为(0.1~0.2)%之间。

高温强度 高温强度又称热强性，是钢在高温下抵抗塑性变形和破断的能力，它通常以蠕变极限和持久强度表示。为了提高钢的高温强度，通常采用固溶强化，沉淀析出相强化和晶界强化的方法，以阻碍原子扩散及位错的运动。由于材料在高温下，其晶界强度低于晶内强度，晶界成为薄弱环节。可通过加入钼锆钒硼等晶界吸附元素，降低晶界表面能，稳定和强化晶界。

耐热钢的高温强度指标 ① 蠕变极限：材料在高温长期载荷下对缓慢塑性变形（即蠕变）的抗力；以表示700℃下经1000h产生0.2%残余变形量的最大应力。 ② 持久强度：材料在高温长期载荷下对断裂的抗力；以表示在500℃下经10000h发生断裂的应力值。 ③持久寿命：表示材料在规定温度和规定应力作用下拉断的时间。

第二节合金元素对耐热钢性能的影响 • 合金元素对抗氧化性的影响 ① 常用Cr、Al、Si抗氧化性元素在钢表面生成致密稳定连续而牢固的Cr2O3、Al2O3、SiO2氧化膜，但Al、Si 明显增加钢的脆性，常与Cr一起加入；当Cr达5％时，工作温度达600～650℃，含量28％时，可达1100℃。 ② 微量稀土(RE)元素如钇(Y)、镧(La)等，能防止高温晶界的优先氧化，明显改善耐热钢的抗氧化性。 ③ 金属表面渗Cr、Al、Si也有效提高钢抗氧化性。

合金元素对热强性的影响 ① 基体固溶强化元素Cr、Ni、W、Mo等，形成单相组织并提高再结晶温度。 ② 第二相沉淀强化元素V、Ti、Nb、Al等，形成细小弥散分布的稳定碳化物(VC、TiC、NbC)或稳定性更高的金属间化合物(Ni3Ti、Ni3Nb、Ni3Al)，获得第二相沉淀强化效果并提高组织稳定性。 ③ 微量晶界强化元素硼(B)与稀土(RE)元素，起净化晶界或填充晶界空位的作用。

第三节耐热钢的钢种 • 珠光体耐热钢组织为细片P＋F，碳0.10%～0.40%；工作温度600℃ 以下。耐热性合金Cr、Mo、W、V、Ti、Nb等强化铁素体并防止碳化物的球化聚集长大以保证热强性。 ① 低碳12CrMo、15CrMoV，优良的冷热加工性能，主要用做锅炉管线等，正火后使用。 ② 中碳35CrMo、35CrMoV，调质后使用，具有优良的高温综合力学性能，主要用做耐热的紧固件和汽轮机转子。

马氏体耐热钢 空冷形成马氏体＋高温回火状态下使用： ① 碳高铬型：Cr13型不锈钢加入Mo、W、V、Ti、Nb等元素而形成，牌号有1Cr11MoV、1Cr12WMoV等,因这种钢还有优良的消振性，最适宜制造工作温度在600℃以下的汽轮叶片，故又称叶片钢。 ② 中碳铬硅钢：4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等，良好的高温抗氧化性和热强性，还有较高的硬度和耐磨性，最适合于制造工作温度在750℃以下的发动机排气阀，故又称气阀钢。

奥氏体耐热钢 在奥氏体不锈钢的基础上添加W、Mo、V、Ti、Nb、Al等，强化奥氏体并能形成稳定的特殊碳化物或金属间化合物。具有比珠光体热强钢和马氏体热强钢更高的热强性和抗氧化性，此外还有高的塑性、韧性及良好可焊性、冷塑性成形性。常用1Cr18Ni12Ti、4Cr14Ni14W2Mo等，用于工作高达800℃的各类紧固件与汽轮机叶片、发动机气阀，使用状态为固溶处理状态或时效处理状态。

第四节耐热合金 航空、航天工业的喷气式发动机在800℃以上的高温下长期承受一定的载荷工作，耐热钢已不能满足抗氧化性尤其是热强性要求，此时便应采用高温合金，它包括铁基、镍基、钴基。 1）铁基高温合金工作温度800～900℃的零件，使用状态为固溶或固溶＋时效。常用牌号如GH1131，Cr20％、 Ni28%、W5％、Mo4％左右。 2）镍基高温合金基本性能类似于铁基高温合金，但热强性和组织稳定性稍优；但价格昂贵。如GH3030，Cr20 ％、微量的Ti、Al等元素。

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