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耐熱鋼是指在高溫下具有較高強度和良好的化學穩定性的特殊鋼

耐熱鋼是指在高溫下具有較高強度和良好的化學穩定性的特殊鋼。它包括抗氧化鋼(高溫不起皮鋼)和熱強鋼兩類。抗氧化鋼通常在550~1250℃溫度區間內使用,要求較好的化學穩定性(如抗氧化性及抗高溫腐蝕能力等),但承受的載荷較低,對抗蠕變及抗蠕變斷裂能力要求不高。熱強鋼通常在450~900℃溫度區間內使用,承受應力較大,要求材料兼有良好的抗蠕變、抗破斷性和抗氧化性能。


耐熱鋼用途廣泛。熱電廠的鍋爐、汽輪機和燃氣輪機的主體設備構件都是由耐熱鋼制造的。在石油化工方面的煉油、合成氨及乙烯裝置的關鍵設備均離不開耐熱鋼。此外還廣泛用作冶金、機械、建材、輕工等各種工業爐窯中的耐熱結構材料。在煤的液化、氣化及核能方面(如高溫氣冷堆、快堆)一些核心部位的結構材料也大量采用耐熱鋼。


簡史由于電站,石油化工工業發展的需要,在20世紀30年代發現了鉬是提高耐熱鋼熱強性的有效元素,在低碳鋼中加入0.5%鉬,工作溫度可以從450℃提高到500℃。為了解決含鉬鋼石墨化的問題,發展了低合金鉻鉬鋼,英國1938年把含0.8%鉻、0.5%鉬的鋼(相當15CrMo)用于鍋爐過熱器,其后又發展了性能更高的10.25鉻-0.5鉬及2.25鉻-1鉬等鋼種。為了進一步提高鋼的熱強性,節約鉬資源,發展了鉻鉬釩鋼系列,前蘇聯的12CrlMoV是典型代表,現在仍然是制造電站鍋爐的主要材料。


20世紀50年代中國開始引進和生產低合金鉻鉬鋼和鉻鉬釩鋼,用于電站鍋爐及石油化工等方面。低合金耐熱鋼以價廉、工藝性能良好等特點一直受到重視,為了進一步提高鋼的性能和工作溫度,60年代以來,國內外通過大量的研究工作,研制出多元的低合金熱強鋼,工作溫度達600~620℃并在使用中部分代替了鎳鉻奧氏體鋼。如中國研制的12Cr2MoWVTiB(102)鋼,其性能超過了其他同類鋼的水平,作為過熱器管等已在中國200、300、600Mw機組中普遍應用。


中高合金耐熱鋼基本上是和不銹鋼同時發展起來的,1914年德國施特勞斯等指出,含足夠鎳和鉻的鋼具有抗氧化和耐酸作用,1920年以后逐漸研制出鉻和鉻鎳不銹耐熱鋼,并形成了多種分支。如以12鉻型的中合金耐熱鋼為主的葉片鋼系列,主要用作汽輪機,燃氣輪機葉片;汽車拖拉機中內燃機進排氣閥用閥門鋼,包括鉻硅、鉻鎳及鉻錳鎳氮型鋼;用于冶金機械、石油化工、輕工、建材工業爐用耐熱鋼及耐熱鑄鋼,包括高鉻鐵素體鋼及高鉻鎳奧氏體鋼。由于耐熱鑄鋼比變形材具有更高的蠕變強度,近20年來在石油化工及爐用材料方面得到了廣泛應用,發展了一系列用鎢、鉬、鈮、鈦等強化的高鉻鎳奧氏體耐熱鑄鋼。廣泛用于合成氨及乙烯裂解裝置。在上述耐熱鋼領域,世界發達使用比較成熟,多已形成了自己的專用標準。中國自50年代以來,在生產實踐中形成了較完整的耐熱鋼系列和標準牌號。如現在除有GB1221-90一熱鋼棒及GB413890耐熱鋼板基礎標準外,還有高壓鍋爐用鋼管及管坯(GB5310-85,GB5311-89)、汽輪機葉片鋼(GB8732-88)、內燃機氣閥鋼(GB/T1277391)、耐熱鋼鑄件(GB8492-87)等產品標準,基本滿足中國國民經濟發展的需要。在引用國外牌號的同時,結合本國的資源特點,發展了一些新的耐熱鋼牌號,如2Cr20Mn9Ni2Si2N、3Cr24Ni7SiN(RE)、3Cr18Mn12Si2N等,分別列入有關標準,使中國耐熱鋼標準系列具有自己的特色。


合金元素的作用(1)鉻、鋁、硅。這些元素形成和穩定鐵素體,在高溫下能促使鋼表面生成致密的氧化膜,防止繼續氧化,是提高鋼的抗氧化性、抗高溫氣體腐蝕的主要元素。但鋼中鋁和硅含量過高會使室溫塑性和熱塑性嚴重惡化。鉻能顯著提高低合金鋼的再結晶溫度,含量為2%時,強化效果。(2)鎳、錳??梢孕纬珊头€定奧氏體。提高奧氏體鋼的高溫強度和改善抗滲碳性。錳雖然可以代替鎳形成奧氏體,但有損于耐熱鋼的抗氧化性。(3)鉬、鎢。是鐵素體形成元素。可以提高鋼的再結晶溫度,同時主要以固溶強化,提高耐熱鋼的蠕變強度。在低合金鋼中鉬是提高熱強性關鍵的元素,鎢、鉬復合比單獨加入有更明顯的效果。由于鉬、鎢在高溫下易于揮發和氧化,鋼中加入過多的鉬和鎢,會給高溫抗氧化性帶來不利影響。(4)釩、鈮、鈦。是鐵素體形成元素和強碳化物形成元素,能形成細小彌散的碳化物,提高鋼的高溫強度。鈦、鈮和碳結合還可防止奧氏體鋼在高溫下或焊后產生晶間腐蝕。(5)碳、氮。可擴大和穩定奧氏體,從而提高耐熱鋼的高溫強度,鋼中含鉻、錳較多時,可顯著提高氮的熔解度,加入氮或提高碳含量,可以代替貴重金屬鎳。生成碳化物或碳氮化物,控制其形態和數量可進一步起到強化作用。(6)硼、稀土。均為耐熱鋼中的微量元素。硼溶入固溶體中,使晶體點陣發生畸變,晶界上的硼又能阻止元素擴散和晶界遷移,從而提高鋼的高溫強度。鋼中加入微量稀土,提高鋼的抗氧化性,改善熱塑性;稀土富集晶界,能凈化和強化晶界,有利于提高鋼的熱強性。但加入稀土類型、數量和%26lsquo;加入方法至關重要,要恰當控制稀土在鋼中的存在狀態,否則難以收到預期效果。


分類耐熱鋼按其組織可分為4類,珠光體耐熱鋼,馬氏體耐熱鋼,鐵素體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼。


通常也把沉淀硬化不銹鋼列入耐熱鋼中,這是因為這類鋼在540~650℃范圍內具有較高的熱強性和足夠的抗氧化性。


另外,在實際生產中也常按用途將耐熱鋼分為:電站鍋爐用低合金鋼;汽輪機和燃氣輪機用葉片鋼;汽車、艦船用閥門鋼;石油化工和爐用耐熱鋼及耐熱鑄鋼等。

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