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| 耐熱鋼論 |
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發(fā)布者：管理員 發(fā)布時(shí)間：2010/4/8 閱讀：2503次 【字體：大 中 小】 |
耐熱鋼
[1][2]在高溫條件下，具有抗氧化性和主夠的高溫強(qiáng)度以及良好的耐熱性能的鋼稱作耐熱鋼。耐熱鋼包括抗氧化鋼和熱強(qiáng)鋼兩類(lèi)�？寡趸撚趾�(jiǎn)稱不起皮鋼。熱強(qiáng)鋼是指在高溫下具有良好的抗氧化性能并具有較高的高溫強(qiáng)度的鋼。耐熱鋼主要用于在高溫下長(zhǎng)期使用的零件
heat-resisting steels
在高溫下具有較高的強(qiáng)度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性的合金鋼。它包括抗氧化鋼(或稱高溫不起皮鋼)和熱強(qiáng)鋼兩類(lèi)�？寡趸撘话阋筝^好的化學(xué)穩(wěn)定性，但承受的載荷較低。熱強(qiáng)鋼則要求較高的高溫強(qiáng)度和相應(yīng)的抗氧化性。耐熱鋼常用于制造鍋爐、汽輪機(jī)、動(dòng)力機(jī)械、工業(yè)爐和航空、石油化工等工業(yè)部門(mén)中在高溫下工作的零部件。這些部件除要求高溫強(qiáng)度和抗高溫氧化腐蝕外，根據(jù)用途不同還要求有足夠的韌性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的組織穩(wěn)定性。中國(guó)自1952年開(kāi)始生產(chǎn)耐熱鋼。以后研制出一些新型的低合金熱強(qiáng)鋼，從而使珠光體熱強(qiáng)鋼的工作溫度提高到600～620℃；此外，還發(fā)展出一些新的低鉻鎳抗氧化鋼種。
耐熱鋼和不銹耐酸鋼在使用范圍上互有交叉，一些不銹鋼兼具耐熱鋼特性，既可用作為不銹耐酸鋼，也可作為耐熱鋼使用。
合金元素的作用
鉻、鋁、硅 這些鐵素體形成的元素，在高溫下能促使金屬表面生成致密的氧化膜，防止繼續(xù)氧化，是提高鋼的抗氧化性和抗高溫氣體腐蝕的主要元素。但鋁和硅含量過(guò)高會(huì)使室溫塑性和熱塑性嚴(yán)重惡化。鉻能顯著提高低合金鋼的再結(jié)晶溫度,含量為2％時(shí)，強(qiáng)化效果最好。
鎳、錳 可以形成和穩(wěn)定奧氏體。鎳能提高奧氏體鋼的高溫強(qiáng)度和改善抗?jié)B碳性。錳雖然可以代鎳形成奧氏體，但損害了耐熱鋼的抗氧化性。
釩、鈦、鈮 是強(qiáng)碳化物形成元素，能形成細(xì)小彌散的碳化物，提高鋼的高溫強(qiáng)度。鈦、鈮與碳結(jié)合還可防止奧氏體鋼在高溫下或焊后產(chǎn)生晶間腐蝕。
碳、氮 可擴(kuò)大和穩(wěn)定奧氏體，從而提高耐熱鋼的高溫強(qiáng)度。鋼中含鉻、錳較多時(shí)，可顯著提高氮的溶解度，并可利用氮合金化以代替價(jià)格較貴的鎳。
硼、稀土 均為耐熱鋼中的微量元素。硼溶入固溶體中使晶體點(diǎn)陣發(fā)生畸變，晶界上的硼又能阻止元素?cái)U(kuò)散和晶界遷移，從而提高鋼的高溫強(qiáng)度；稀土元素能顯著提高鋼的抗氧化性，改善熱塑性。
類(lèi)別 耐熱鋼按其組織可分為四類(lèi)：
珠光體鋼 合金元素以鉻、鉬為主，總量一般不超過(guò)5％。其組織除珠光體、鐵素體外,還有貝氏體。這類(lèi)鋼在500～600℃有良好的高溫強(qiáng)度及工藝性能，價(jià)格較低，廣泛用于制作 600℃以下的耐熱部件。如鍋爐鋼管、汽輪機(jī)葉輪、轉(zhuǎn)子、緊固件及高壓容器、管道等。典型鋼種有：16Mo，15CrMo，12Cr1MoV， 12Cr2MoWVTiB，10Cr2Mo1,25Cr2Mo1V,20Cr3MoWV等。
馬氏體鋼 含鉻量一般為7～13%,在650℃以下有較高的高溫強(qiáng)度、抗氧化性和耐水汽腐蝕的能力，但焊接性較差。含鉻12%左右的1Cr13、2Cr13,以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的鋼號(hào)如1Cr11MoV，1Cr12WMoV,2Cr12WMoNbVB等,通常用來(lái)制作汽輪機(jī)葉片、輪盤(pán)、軸、緊固件等。此外,作為制造內(nèi)燃機(jī)排氣閥用的4Cr9Si2,4Cr10Si2Mo等也屬于馬氏體耐熱鋼。
鐵素體鋼 含有較多的鉻、鋁、硅等元素，形成單相鐵素體組織，有良好的抗氧化性和耐高溫氣體腐蝕的能力,但高溫強(qiáng)度較低,室溫脆性較大，焊接性較差。如1Cr13SiAl,1Cr25Si2等。一般用于制作承受載荷較低而要求有高溫抗氧化性的部件。
奧氏體鋼 含有較多的鎳、錳、氮等奧氏體形成元素，在 600℃以上時(shí)，有較好的高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性，焊接性能良好。通常用作在 600℃以上工作的熱強(qiáng)材料。典型鋼種有 1Cr18Ni9Ti, 1Cr23Ni13, 1Cr25Ni20Si2，2Cr20Mn9Ni2Si2N,4Cr14Ni14W2Mo等。
生產(chǎn)工藝
冶煉 耐熱鋼一般在電弧爐或感應(yīng)爐中熔煉。質(zhì)量要求高的往往采用真空精煉和爐外精煉工藝。
鑄造 某些高合金耐熱鋼難以加工變形，生產(chǎn)鑄件不僅比軋材合算，而且鑄件還有較高的持久強(qiáng)度。所以在耐熱鋼中耐熱鑄鋼占有相當(dāng)大的比例。鑄造方法除采用砂型鑄造外，還可用精密鑄造工藝以獲得表面光滑、尺寸精確的產(chǎn)品。對(duì)合成氨和乙烯裂解用的高溫爐管往往采用離心鑄造的方法。
熱處理 珠光體熱強(qiáng)鋼通常經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)后使用；馬氏體耐熱鋼用調(diào)質(zhì)處理，以穩(wěn)定組織，得到良好的綜合力學(xué)性能和高溫強(qiáng)度。
鐵素體鋼不能通過(guò)熱處理強(qiáng)化。為消除因冷塑性變形加工和焊接所導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力，可在650～830℃進(jìn)行退火處理，退火后快速冷卻,以便迅速地經(jīng)過(guò)475℃脆性溫度范圍。
奧氏體抗氧化鋼大多采用高溫固溶熱處理，以獲得良好的冷變形性。奧氏體熱強(qiáng)鋼則先用高溫固溶處理，然后在高于使用溫度60～100℃條件下進(jìn)行時(shí)效處理,使組織穩(wěn)定化，同時(shí)析出第二相，以強(qiáng)化基體。耐熱鑄鋼多在鑄態(tài)下使用，也有根據(jù)耐熱鋼的種類(lèi)采用相應(yīng)的熱處理的。
耐熱鋼焊接工藝
1. 鍋爐及壓力容器對(duì)鋼材性能的要求
按工作條件分為兩大類(lèi)：
一、用以制造室溫及中溫承壓元件的鋼板與鋼管
具有特點(diǎn)：
1 有較高的室溫強(qiáng)度
通常以屈服極限σs和強(qiáng)度極限σb為設(shè)計(jì)依據(jù)，要求有較大的σs和σb良好的韌性性能
材料需具有足夠的韌性防止脆性斷裂，在考慮強(qiáng)度的同時(shí)也不能忽略韌性，
(1) 材料的韌性通常用沖擊韌性值αk表示。
壓力容器用鋼的沖擊韌性要求
沖擊韌性值αk(N·m/cm2)
20℃ -40℃
>=60 >=35
(2)還需要考慮時(shí)效韌性
時(shí)效就是鋼材經(jīng)冷加工變形后，在室溫或較高溫度下，沖擊韌性隨時(shí)間變化。通常在200-300℃，沖擊韌性值顯著降低。一般要求下降率不超過(guò)50%。
由于容器斷裂過(guò)程包括在缺陷處形成裂紋和裂紋擴(kuò)散兩個(gè)階段，相應(yīng)兩種防止斷裂方法
(1)選用具有足夠韌性的鋼材以防止裂紋產(chǎn)生，要求如上表所示
(2)選用韌性更高的材料，以求在裂紋產(chǎn)生后能夠阻止裂紋擴(kuò)展。(要求溫度比無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度NPT高一定數(shù)值，例如元件的設(shè)計(jì)應(yīng)力為屈服極限σs一半時(shí)，要高17℃
3 較低的缺口敏感性
制造過(guò)程中，開(kāi)孔和焊接會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，要求材料有較低的缺口敏感性，以防止產(chǎn)生裂紋
4 良好的加工工藝性能和焊接性能
由于焊接熱循環(huán)作用，會(huì)
(1)降低熱影響區(qū)材料的韌性、塑性
(2)在焊縫內(nèi)產(chǎn)生各種缺陷
其中(1)、(2) 均會(huì)產(chǎn)生裂紋
在選材料時(shí)需考慮
(1)材料中碳的當(dāng)量值(保證材料具有較好的可焊性)
(2)適當(dāng)?shù)暮附硬牧虾秃附庸に?
(3)材料具有良好的塑性(碳鋼和碳錳鋼δs不低于16%，合金鋼δs不低于14%)
(4)良好的低倍組織
(5)鋼材的分層、非金屬夾雜物、氣孔、疏松等缺陷盡可能減少(防止裂紋的產(chǎn)生)
二、用以制造高溫承壓元件的鋼管
1 具有足夠的蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和持久塑性
通常以持久強(qiáng)度為設(shè)計(jì)依據(jù)，保證在蠕變的條件下安全運(yùn)行
2 具有良好的高溫組織穩(wěn)定性
長(zhǎng)期高溫下不發(fā)生組織變化
3 具有良好的的高溫抗氧化性
要求材料在高溫條件下的氧化腐蝕速度小于0.1mm/a
4 具有良好的加工工藝性
要求冷加工性(冷態(tài)彎曲)和焊接性
2. 鍋爐與壓力容器用鋼的分類(lèi)
一、工作溫度低于500℃的鋼材
碳素鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼
1 鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)鋼
屈服強(qiáng)度σs為300-450MPa
16Mn，15MnV，15MnVN加入合金元素，固溶強(qiáng)化，結(jié)晶強(qiáng)化作用
2 低碳貝氏體類(lèi)型鋼
屈服強(qiáng)度σs為500-700Mpa
14CrMnMoVB延緩?qiáng)W氏體分解，得到貝氏體，增加強(qiáng)度
3 馬氏體型調(diào)質(zhì)高碳鋼
屈服強(qiáng)度σs為600Mpa以上
18MnMoNb和14MnMoNbB正火加回火，有良好的低溫韌性
二、工作溫度高于500℃的鋼材
低合金熱強(qiáng)鋼和奧氏體不銹鋼
1 低合金珠光體熱強(qiáng)鋼
15CrMo和12Cr1MoV，結(jié)晶強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化
2 低合金貝氏體熱強(qiáng)鋼
12Cr2MoWVTiB和12Cr3MoVSiTiB，特點(diǎn)：合金數(shù)量多而量少，高溫強(qiáng)度高，抗氧化性強(qiáng)
3 奧氏體不銹鋼
18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼：1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni9Ti，高溫強(qiáng)度高，抗氧化性強(qiáng)，且具有很高的韌性和較好的加工工藝性
3. 碳素鋼
一、碳素鋼中主要成分對(duì)性能的影響
1 碳的影響
碳增加，強(qiáng)度增大，塑性減少，可焊性變差，時(shí)效敏感性降低
2 錳的影響
脫氧(FeO)脫硫，改善熱加工性能
3 硅的影響
脫氧
4 硫的影響
熱脆性
5 磷的影響
冷脆性
6氧的影響
降低強(qiáng)度、塑性
7 氮的影響
提高強(qiáng)度、硬度，降低塑性
8 氫的影響
氫脆
二、碳鋼的分類(lèi)
化學(xué)成分：高(含碳量在于0.65%)、中(含碳量0.25-0.65%)、低碳鋼(含碳量小于0.25%)
用途：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼
1 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼
甲類(lèi)鋼：按機(jī)械性能供應(yīng)(A)，鋼板，角鋼等
2 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼
按機(jī)械性能和化學(xué)成分供應(yīng)
含碳量低：鋼板、容器、螺釘、螺母
含碳量中：齒輪、軸
含碳量高：彈簧、鋼絲繩
3 碳素工具鋼(T)
高硬度和耐磨性，制造刀具、量具、模具
三、鍋爐與壓力容器常用碳素鋼
承壓元件主要使用低碳鋼，因?yàn)樗苄浴㈨g性、加工工藝性和可焊性好
(1) 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼
10號(hào)和20號(hào)無(wú)縫鋼管
20號(hào)鋼含碳量比10號(hào)鋼多一倍，強(qiáng)度高，屈服極限σs和強(qiáng)度極限σb高20%，時(shí)效敏感性低，多采用20號(hào)鋼
(2) 專(zhuān)用碳素鋼
A3g A3R 15g 20g，沖擊韌性好，金屬表面和內(nèi)部缺陷少
4. 普通低合金結(jié)構(gòu)鋼
低合金鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入少量Si,Mn,Cu,Ti,V,Nb,P等合金元素構(gòu)成的，它的含碳量較低，多數(shù)小于0.2%。其組織多數(shù)仍為F+P。由于少量合金元素的加入可以大大提高鋼材的強(qiáng)度，并改善了鋼材的耐腐蝕性能和低溫性能。
低合金鋼可軋制成各種鋼材，如板材，管材，棒材和型材等。它廣泛用于制造遠(yuǎn)洋輪船、大跨度橋梁，高壓鍋爐，大型容器，汽車(chē)，礦山機(jī)械及農(nóng)業(yè)機(jī)械等。
大型化工容器材料采用16MnR，生量比碳鋼可減輕1/3。用15MnV制造球形貯罐，與碳鋼相比節(jié)省45%。
焊接
5. 低合金熱強(qiáng)鋼
在原油加熱，裂解，催化設(shè)備中，常用到許多能耐高溫的鋼材。如裂解爐管，要求承受650～800℃高溫。
20號(hào)鋼在540℃下于氧化性氣體中，因氧化強(qiáng)度只有50MPa。因?yàn)槭?
常用的抗氧化鋼
——Cr13SiAl,Cr25Ti,Cr17Ti,Cr25Ni2
熱強(qiáng)鋼
——12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20
6. 不銹耐酸鋼
是不銹鋼(耐大氣)和耐酸鋼(不銹)的總稱，
鉻不銹鋼——1Cr13多用作化工機(jī)器中受力大的耐蝕零件，如軸，活塞桿，閥件，螺栓，浮閥等
0Cr13,Cr17Ti F組織，有良好塑性
鉻鎳不銹鋼——1Cr18Ni9 18-8不銹鋼
有較高的抗拉強(qiáng)度，較低屈服點(diǎn)，極好的塑性和韌性，焊接性能和冷彎成型性能好，用來(lái)制造貯罐，塔器，反應(yīng)釜，應(yīng)用最廣。
7. 低溫用鋼
深冷分離，空分，液化氣貯罐低溫使用。
低溫鋼平均含碳量0.08～0.18%，單相F組織，加入適量的Mn,Al,Ti,Nb,Cu,V,N等元素改善鋼的綜合機(jī)械性能。
常用低溫用鋼
1) 低合金低溫用鋼
16MnDR -40℃ 機(jī)械性能優(yōu)于一般低碳鋼
2) 鎳鋼
2.25% -60℃
3.5% -100℃
9% -200℃
3) 高錳奧氏體鋼
15Mn25Al4 其中Mn是形成A的基本元素，Al作為穩(wěn)定A的元素。
4) 鉻鎳奧氏體不銹鋼
18-8奧氏體不銹鋼
國(guó)外低溫設(shè)備用鋼，以高鉻鎳為主，其次用鎳鋼，銅，鋁。
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