第七章耐热钢及耐热合金

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,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,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）,（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Fe2O3Fe3O4组成，但超过570主要由FeOFe3O4+Fe2O3组成，而FeO是缺位固溶体，氧原子能自由进入,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600650使用5Cr80012Cr95020Cr110028CrAl，Si元素Cr-Al，Cr-Si，Cr-Al-SiLa、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,（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,（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,2.提高热强性途径,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-Fe基耐热钢：p耐热钢，M耐热钢，F耐热钢(抗氧化钢)-Fe基耐热钢：A耐热钢,第二节抗氧化钢,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,Cr13型：Cr13Si3，Cr13SiAl，800-850Cr18型：Cr18Si2，Cr17Al4Si，1000Cr25型：Cr24Al2Si，Cr25Si2，1050-1100特点：抗氧化性能良好，但韧性低，不宜承受载荷,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,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,二、奥氏体型抗氧化钢,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,（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,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,2.化学成分特点,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,3.组织稳定性,（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。,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Fe3C3FeG（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,（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）,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,二、马氏体耐热钢,汽轮机叶片,叶片用钢内燃机排气阀用钢,（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,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,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-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-Fe基奥氏体耐热钢或耐热合金-Fe基奥氏体耐热钢比-Fe基耐热钢具有更高的热强性，原因在于：1.-Fe晶型的原子间结合力比-Fe大；2.-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-Fe再结晶温度为450600。,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：Incoloy800Cr20Ni32,二、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）5Cr25Ni33NbW5.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,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Ni3(Al,Ti)相沉淀强化2.代表钢种：GH132（0Cr15Ni26MoTi2AlVB）GH1303.应用：600-700，载荷较大构件，如涡轮盘，导向叶片等,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,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,一、镍基高温合金的合金化,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,由于熔炼新工艺的发展，使铸造镍基高温合金质量获得较大的提升和改善，使用温度可达1050.由于铸造后冷却缓慢，多数析出反应进行的较完全，在铸态下可直接使用。组织特点：显微组织有疏松，偏析和枝晶（通过热等静压工艺消除）,2.铸造镍基高温合金,第六节、高温合金的发展,一、采用特殊的先进技术生产高温合金目的：提高使用温度，力学性能和耐蚀能力1.粉末冶金高温合金消除组织的不均匀性，并细化晶粒还可以制备出含有更多强化相（硼化物，氧化物，硅化物等）的新合金2.定向凝固高温合金起因：大多数高温合金制造的涡轮叶片的破坏，是由于垂直于应力轴方向的晶界断裂引起的，如能减少或消除叶片中垂直于应力轴的晶界，将大大提高叶片的使用寿命缺点：结晶速度低，生产成本高,