第六章 耐热钢和耐热合金(05.5)

第六章耐热钢和耐热合金 第一节提高抗氧化性和热强性的方法第二节铁素体耐热钢第三节工业炉用耐热钢第四节奥氏体耐热钢第五节镍基耐热合金第六节新型耐热合金 概述 一 定义 在高温下工作的钢叫耐热钢 二 耐热钢及合金的工作条件火力发电用的蒸气锅炉 蒸气涡轮或者燃气涡轮 航空工业上的喷气发动机以及一般工业生产上加热炉的构件等 它们都在高温下工作 并承受各种载荷 除此之外 钢件在工作时还与高温蒸汽 空气或燃气相接触 表面要发生高温氧化或燃气腐蚀 三 对耐热钢及合金的性能要求1 要有足够的高温强度 高温疲劳强度以及与之相适应的塑性 2 要有足够的高温化学稳定性 3 具有良好的工艺性能 如铸造 热加工 焊接 冲压等性能 以及物理性能等等 四 耐热钢及耐热合金的分类 1 铁素体型耐热钢 2 奥氏体型耐热钢 3 镍基合金 4 难熔金属基耐热合金 如钼 钴基 其中耐热钢按用途可分为 1 抗氧化钢高温下长期工作不致因介质侵蚀而破坏的钢叫抗氧化钢 又叫耐热不起皮钢或热稳定钢 2 热强钢在高温下仍具有足够的强度不会大量变形或破断的钢叫热强钢 热强钢在具有高温强度的同时又应具有抗氧化性 表示高温强度的指标有下列三种 1 蠕变极限 又称蠕变强度 表示在一定温度下 在规定时间内 如10000小时 达到规定变形量 如0 1 时所能承受的应力 记做 0 1 10000 单位是MPa 2 持久强度 是指在一定温度下 在规定时间断裂所能承受的应力 如 800 100 单位是MPa 3 持久寿命 是指在某温度 在规定应力作用下 从开始到拉断的时间 单位是小时 第一节提高耐热钢抗氧化性和热强性的方法 一 提高耐热钢的抗氧化性1 加入合金元素降低氧化膜中的扩散 如Ni 2 加入合金元素形成致密稳定的合金氧化膜层 提高氧化膜的稳定性 如Cr Ti Al Si元素 形成以合金氧化物为主的氧化膜 如Al2O3 Cr2O3 SiO2及致密和稳定的尖晶石类型结构的氧化膜 如FeO Alr2O3 FeO Cr2O3等 稀土元素钇 Y 铈 Ce 澜 La 也有同样的作用 二 提高耐热钢的热强性1 提高合金基体的原子间结合力 固溶强化基体 W Mo Cr 金属的原子结合力越强 则熔点越高 耐热钢的使用温度越高 因此要选择熔点越高的金属作基体 例如镍基合金 2 强化晶界 晶界在高温下强度低 所以在耐热钢中采用 适当地粗化晶粒 来提高高温强度 粒数适当减少 晶界面相应减少 薄弱的晶界总数也就减少了 此外 钢中加入B 稀土 RE 等元素 与低熔点元素化合 如与S P元素化合 形成高熔点稳定化合物 也可提高晶界强度 3 沉淀强化 加入合金元素Mo W V Ti等 在钢中形成大量的碳化物或金属间化合物相 使其在时效处理时呈弥散析出 形成稳定相 在高温下保持对位错运动的机械阻碍作用 但Mo W的加入会降低钢的抗氧化性 4 获得奥氏体基体 不发生相变 如Ni Mn的作用 5 碳是扩大 相区的元素 对钢有强化作用 但碳质量分数较高时 由于碳化物在高温下易聚集 使高温强度显著下降 同时 碳也使钢的塑性 抗氧化性 焊接性能降低 所以 耐热钢的碳质量分数一般都不高 0 1 0 5 第二节铁素体型耐热钢 一 铁素体一珠光体耐热钢退火后的组织是铁素体 珠光体 一般在正火 高温回火后使用 正火后的组织根据合金元素的种类及含量不同以及工件大小不同 持久强度依次为 马氏体高温回火 粒状贝氏体高温回火 铁素体一珠光体 而持久塑性 则是铁素体一珠光体 马氏体高温回火 粒状贝氏体高温回火 合金元素总含量一般不超过5 属低合金钢 工作温度350 620 常用做锅炉 气轮机耐热零件 与奥氏体型耐热钢相比 铁素体型耐热钢有较好的工艺性能 较小的线膨胀系数 较高的导热系数 在400 650 温度范围的工作条件下 铁素体型耐热钢具有较好的经济效果 典型钢种有12Cr1MoV等 新发展的钢种有12Cr2MoWVSiTiB等 二 马氏体耐热钢这类钢一般经过淬火 高温回火后使用 其中一部分是在1Cr13马氏体不锈钢基础上发展起来的 但组织稳定性差 只能做450 以下的汽轮机叶片等 另一部分为Cr12型马氏体耐热钢 通过加入钼 钨 钒 铌 氮 硼等元素来进行综合强化 例如 2Cr12WMoV钢由于钢中合金元素含量高 因而淬透性很高 钢经1000 1050 淬火 650 750 回火 得到回火屈氏体或回火索氏体组织 有很高的回火稳定性 适合制造500 580 工作温度的大型热力发电设备中大口径厚壁高压锅炉蒸汽管道 汽轮机转子和涡轮叶片等 1Cr9W2MoVNbNB钢采用多元合金复合合金化 强化相有MC MN M23C6和M6C 钨钼的固溶强化和硼的晶界强化 使此钢在600 和650 有很高的蠕变强度 可作为高蠕变强度的高压锅炉用耐热钢 第三节工业炉用耐热钢 机械工业及冶金工业许多工厂的加热炉 热处理炉使用着大量的耐热钢构件 工作时所受的负荷并不十分大 但要抗工作介质的化学腐蚀 根据工作温度可分为三种情况 1 一般淬火 退火 正火热处理炉的耐热构件 在 900 工作 2 渗碳炉 在 950 工作 3 加热炉和高温固溶处理炉 在1000 1200 范围工作 一 Fe Al Mn系炉用耐热钢此类钢种成分为 0 65 0 85 C 23 30 Mn 6 10 Al 1 0 1 5 Si 0 1 RE 其中铝主要是用来提高钢的抗氧化能力 碳和锰的作用主要是扩大 相区和稳定奥氏体作用 微量的稀土元素 0 1 对抗氧化性有好处 同时提高了钢液的流动性 提高了铸件表面质量 改善了铁铝锰钢的热裂倾向 二 Cr Ni奥氏体炉用耐热钢对工作温度超过1000 的热处理炉或加热炉内的构件 特别是要求使用期限较长 比较耐久的构件 常用的是铬镍奥氏体钢Cr20Ni20或铬镍硅钢Cr18Ni20Si2及Cr25Ni20Si2 加入2 3 硅是为了进一步提高铬镍奥氏体钢的抗氧化性 三 Fe Cr Al合金铁铬铝合金是良好的抗氧化不起皮合金 常用的Cr25Al5合金有很高的电阻率 在20 时 135 145微欧 厘米3 主要用于电炉加热元件 使用温度范围不同 铬和铝的含量也不相同 Cr25Al5合金的加热元件可在1350 下工作 在氧化性气氛中 表面生成Al2O3保护膜 具有良好的保护性 第四节奥氏体型耐热钢 最常用的钢种是1Crl8Ni9Ti 它和Cr13一样 既是不锈钢又可作耐热钢使用 其热化学稳定性和热强性都比珠光体和马氏体耐热钢强 工作温度可达750 800 常用于制造一些比较重要的零件 如燃气轮机轮盘和叶片等 实际上 在650 或更高温度下工作的零件 铁素体型耐热钢已经不能使用了 这是由于体心立方点阵的基体中原子的扩散很强烈 碳化物聚集长大的速度非常快 因而钢迅速软化 奥氏体耐热钢 如1Cr18Ni9Ti 在650 时高温强度也很低 只有进一步通过沉淀强化的办法得到沉淀强化奥氏体耐热钢才能满足要求 一 碳化物沉淀强化奥氏体耐热钢这类钢的沉淀强化相为MC型碳化物 并含有钨 钼等固溶强化元素 常用的是以锰部分代镍的4Cr13Mn8Ni8MoVNb GH36 钢 沉淀强化相是 V Nb C 以VC为主 GH36钢经1140 保温1 5 2h 水冷 固溶处理后 需进行两次时效处理 第一次在670 时效16h 第二次在760 800 时效14 16h然后空冷 GH36耐热钢用于工作温度在650 的零件 如涡轮盘件 固溶处理 将合金加热至高温单相区恒温保持 使过剩相充分溶解到固溶体中 然后快速冷却 以得到过饱和固溶体的热处理工艺 二 金属间化合物沉淀强化奥氏体耐热钢常用牌号是GH132 A 286 钢 主要用来制造喷气发动机部件 有较高的高温强度 可以在650 700 使用 成分为 0 08 C 0 001 0 01B 13 5 16 Cr 24 0 27 0 Ni 1 0 2 0 Mn 1 0 1 5 Mo 1 75 2 3 Ti 0 40 Al 钛和铝在时效过程中能析出金属间化合物 相为主要沉淀强化相 铬主要是提高钢的化学稳定性 钼主要起固溶强化作用 硼可产生晶界强化并提高持久塑性 合金元素溶于基体金属中形成固溶体而使金属强化 称为固溶强化 通过热处理可对GH132 A 286 钢的显微组织和性能加以控制 通常在980 1000 固溶处理 可获得合适的晶粒度 并使成分均匀 得到较高的室温伸长率 成型性和焊接性 时效温度在700 760 可达到最大的沉淀强化效果 Ni3 Ti Al 以极细小的球状颗粒分布在基体上 与基体保持共格 第五节镍基耐热合金 镍基合金是在Cr20Ni80基础上加入大量钨 钼 钛 铝 铌 钴 钽等强化元素形成的高温合金 镍基耐热合金同样采用金属间化合物 Ni3 Al Ti 相作为沉淀强化相 常用的镍基合金有GH33 C0 03 0 08 Cr19 0 22 0 Al0 60 1 00 Ti2 40 2 80 GH37 GH49及GH130等高温合金的牌号与化学成分在 GB T14992 1994 可查 钨 钼 铬在镍基合金中能提高原子间结合力 减缓扩散 起固溶强化作用 铬的另一个主要作用是提高镍基合金的抗氧化性 钴溶于 相 形成 Ni Co 3 Al Ti 相 提高其稳定性 并增加 相的数量 杂质元素 特别是低熔点金属 如铅 锑 锡 铋等 强烈地降低晶界的强度 高温冲击韧性和高温塑性 故镍基合金的纯净度特别重要 第六节新型耐热合金 一 定向凝固耐热合金大多数耐热合金的蠕变裂纹产生在垂直于主应力方向的晶界上 为减少这种薄弱环节 消除横向晶界 进而消除全部晶界 发展了定向凝固柱晶叶片和单晶叶片 由于采用了真空冶炼 高合金化 气冷技术 定向凝固柱晶和单晶等技术 使高温合金的使用温度获得大幅度提高 二 粉末高温合金由于耐热合金工作温度越高 合金中加入的强化元素量也越高 合金的成分越复杂 这导致合金的热加工性变差 只能在铸态使用 由于成分复杂 凝固后偏析也严重 造成组织和性能的不均匀 采用粉末冶金工艺生产高温合金 就能完全克服上述缺点 如In 100合金和FGH95 与常规法生产相比 粉末合金可节省大量机加工切削量 成材率高 节约费用 粉末高温合金已用于先进型号发动机上的涡轮盘 压气机盘等重要零件上 三 氧化物弥散强化 ODS 高温材料采用机械方法在基体中加入氧化物Y2O3颗粒 同