高温强度铁基合金简介

.对蒸汽轮机和锅炉来讲,在本世纪30~40年代蒸汽温度不过400~450℃,蒸汽压力不过近100大气压,而现在蒸汽温度巳达650℃,蒸汽压力也高达340大气压以上,因此所使用的金属材科也从低碳钢发展到复杂的各类合金钢.耐热钢按合金元素多少通常可以分为两类:一类是在低合金结构钢基础上发展起来的低合金珠光体型热强钢,另一类是在不锈钢基础上发展起来的高合金专用耐热钢.专用耐热钢按对使用性能的要求可以分为热强钢和热稳定钢.热强钢是指在高温下有一定抗氧化能力并具有足够强度而不产生大量变形或断裂的钢种,如高温螺栓,涡轮叶片等.它们工作时要求承受较大的载荷,失效的主要原因是高温下强度不够.热强钢广泛用于制造锅炉管道,紧固件,汽轮机转子,叶片,排气阀等.热稳定钢是指在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀而不破坏的钢种,如炉底,炉栅等.它们工作时的主要失效形式是高温氧化,而单位面积上承受的载荷并不大.故又称抗氧化钢.热稳定钢广泛用于工业炉中的构件,炉底板,马弗罐,料架,辐射管等.按组织的晶体结构特征可以分为奥氏体型,铁素体型,马氏体型和沉淀硬化型四类,其中奥氏体型,铁素体型钢大都用于要求抗氧化性较高的场合,马氏体型和沉淀硬化型钢则多用于要求高温强度较高的场合.现代航空工业的发展出现了超音速飞机,其发动机的工作温度高达1200℃,从而,出现了各类镍基,钴基合金.由此可见,根据工程结构的要求不同,耐热钢和高温合金的使用温度范围是十分宽广的,从几百度到千度以上.一般来讲,耐热钢和高温合金工作温度是指该金属或合金的(0.3~0.5)T熔点℃以上的温度.高温合金根据成分,组织和成型工艺不同,有不同分类方法.按基体元素分类,以铁为主,加入的合金元素总量超过50%的铁基合金称为铁基高温合金;以镍为主或以钴为主的合金分别称为镍基或钴基高温合金.按制备工艺分类,有变形高温合金,铸造高温合金和粉末冶金高温合金.按强化方式分类,有固溶强化型,沉淀强化型,金属间化合物,氧化物弥散强化型和纤维强化型等.铁基,钴基和镍基合金的使用温度一般不超过1000℃,温度再高就必须选用难熔金属(指熔点高于1650℃的金属)或其合金了.本章主要讲述耐热钢和铁基高温合金.必须指出的是,由于珠光体型热强钢,马氏体型热强钢在加热和冷却时会发生相变,所以要进一步提高使用温度受到限制.由于它们在中温下有较好的热强性,热稳定性及工艺性能,线膨胀系数小,含碳量也较低,价格低廉,广泛应用于制造锅炉,汽轮机及石油提炼设备等,是适宜在600℃~650℃以下温度使用的热强钢.更高温度下则须使用奥氏体型热强钢.也就是说一种钢可以兼有多种用途.第一节珠光体型热强钢这类钢是合金结构钢中的一部分钢种,其特点是碳含量较低,工艺性,导热性好,热处理工艺简单,价格便宜.同时,使用少量的合金元素固溶强化和改善Fe2O3氧化膜的稳定性;使这类钢经适当合金化后就成为500℃~620℃以下良好的热强钢.珠光体型热强钢按碳含量和应用特点又可分为低碳珠光体热强钢和中碳珠光体热强钢.一,低碳珠光体型热强钢这类钢对应于普通低合金高强度结构钢,要求有制管,焊管,冷弯等良好工艺性能.由于这类钢主要用于制作锅炉钢管,对于锅炉钢管来说,管内是具有一定压力的过热蒸汽,外壁接触火焰.因此要求500℃~600℃左右的高温持久强度和一定的抗氧化性.可见,低碳钢稍加合金化即能符合这些要求.经过多年来的研究和工业实践,形成了一些典型钢种,如12Cr1MoV和12Cr2MoWSiVTiB等,其中12Cr1MoV用于540℃的导管或580℃的过热蒸汽管,而12Cr2MoWSiVTiB用于600℃~620℃的过热器管.1.低碳珠光体型热强钢的合金化这类钢的成分设计主要包括:(1)低碳,即这类钢的碳含量一般为0.08%~0.20%.低碳一方面不仅可使钢基体组织保持有大量的铁素体,利用铁素体的高熔点和组织稳定性的特点获得良好的耐热性;而且使钢中碳化物数量相对较少,钢中的珠光体不易发生球化,珠光体中的渗碳体也不易发生石墨化,这有利于组织稳定.另一方面,低碳还使钢具有良好的加工工艺性能(如容易轧制,穿管,拉拔,延伸,焊接,冷弯等).(2)这类钢实现固溶强化的主加合金元素是铬和钼,辅加元素是V,Ti,Nb,W等.我们知道提高钢的热强性的途径有固溶强化和第二相强化,对于低碳珠光体型热强钢,固溶强化即加入合金元素固溶强化铁素体基体(包括珠光体和索氏体中的铁素体),以提高钢的热强性和再结晶温度;第二相强化即利用合金元素形成第二相并强化第二相,如加入合金元素形成一定数量的碳化物,并通过合金化稳定碳化物,使形成的碳化物不仅在高温下不易球化,不易石墨化,而且在400℃~620℃形成弥散分布的,稳定性高的,不易聚集长大的碳化物,保持弥散强化作用.主加元素铬和钼是铁素体基体的最有效的强化元素,使这类钢的热强性大为提高.但仅经过铬和钼固溶强化的铁素体在工作温度和应力的长期作用下,会缓慢地向碳化物中富集,而铁和锰等其它元素则被排挤到固溶体中去,产生合金元素在使用过程中的再分配现象,其结果将导致固溶体中的强化元素减少,热强性下降.为此钢中还需加入一定量的辅加元素,以减少合金元素的再分配趋势,如常加入的辅加元素主要有V,Ti,Nb等,这些合金元素与碳形成稳定的碳化物,使铬和钼等的固溶强化元素难以发生向碳化物转移的再分配现象,从而保持固溶体的强化特性.必须指出的是,还可以采用复合固溶强化,比如在钢中同时加入钼,钨,铬等合金元素,利用这些元素的复合作用,不仅提高了固溶体中的原子间结合力,而且还使扩散困难,阻碍合金元素发生再分配.对于第二相强化,合金化的主要目的不仅是获得一定数量的强碳化物相,更重要的是阻止珠光体的球化和碳化物的聚集,阻止钢中的C发生石墨化,保证并促进碳化物弥散强化.我们知道,珠光体球化及碳化物的聚集长大,在普通钢中需要经过球化退火等热处理时才会出现,但在珠光体耐热钢中,由于温度和应力的长期作用,片状珠光体转变为球状并聚集长大是降低表面自由能的自发过程,钢的这种组织变化将引起钢的高温强度明显降低.其中碳化物的析出和聚集长大又大多发生在晶界,严重时在晶界长成连续的薄膜,使钢的持久强度和持久塑性显著降低.影响碳化物球化及聚集长大的主要因素是服役温度,时间和材料的化学成分.就化学成分而言,由于这种变化是通过C原子的扩散进行的,因此这种珠光体球化及碳化物的聚集长大倾向随着碳含量的增加而增加;在钢中凡是降低碳的扩散速度和增加合金碳化物稳定性(或原子结合力)的元素,如Cr,Mo,V,Ti等均能阻碍或延缓珠光体球化及碳化物的聚集长大过程.石墨化是珠光体型钢在工作温度和应力长期作用下,碳化物分解成游离石墨的过程.当石墨形成后,不但消除或降低了碳化物的第二相强化作用,而且石墨存在于钢中也割裂了基体(相当于小裂纹),使钢的强度及塑性显著下降.C,Al,Si等是促进石墨化元素,因此这类钢冶炼时一般不用Al脱氧.V,Cr等是阻碍石墨化的元素.为了保证并促进碳化物弥散强化,这类钢中常加入Mo,W,V,Nb,Ti等附加合金元素,并配合适当的热处理,以获得稳定的弥散强化效果.经过热处理,在500~750℃范围内析出MeC型或Me2C型碳化物时,能产生沉淀强化效果,特别是VC,NbC,TiC一类的间隙碳化物,具有很高的稳定性.如果钢中V/C的比值符合VC的化学式的比例,C和V几乎全部结合成VC,可以达到最高的沉淀强化效果.这时VC既产生沉淀强化,又能保证Cr,Mo溶入α固溶体,从而使铁素体获得较好的强化.12Cr1MoV钢就是在上述合金化思路下发展起来的典型的钢种.2.低碳珠光体型热强钢的热处理低碳珠光体型热强钢在科学的合金化基础上还必须采取正确的热处理工艺才能获得满意的性能.由于这类钢中含有Cr,Mo,V等合金元素,因此显著提高了钢的淬透性,并强烈地推迟珠光体区的转变,使得这类钢在正火时可以获得大量的贝氏体组织.研究证明,合适的热处理制度可以使Cr,Mo保留在固溶体基体中,使VC均匀分布在马氏体,贝氏体的高密度位错网络上,此时强化效果可以得到充分发挥.因此,通过马氏体,贝氏体相变,细化基体嵌镶块结构,加上VC在此基体上的析出,则能得到上述的强化效果.又由于基体经过Cr,Mo的固溶强化,提高了基体的再结晶温度,使这种强化在高温回火时仍能保持.由此可见,只有含Mo,W,V,Ti,Nb等强碳化物形成元素的这类钢,马氏体和贝氏体的回火组织,才能显示这种优越性.若是C钢,Mn钢,则因基体再结晶温度不高,渗碳体容易聚集长大,即使马氏体,贝氏体相变能进行,这种相变引起的强化也不能在高温下保持.由上分析可知,这类钢一般采用正火加高温回火.正火可以得到相当数量的贝氏体组织,工艺简便,生产上容易控制.正火的温度通常选择得较高,即980℃~1020℃,以使碳化物完全溶解并均匀分布.由于经正火处理得到的组织是不稳定的,为了保证在使用温度下组织性能稳定,一般采用高于使用温度100℃~150℃的回火处理.通常回火温度为720℃~740℃,2h~3h.但回火温度也不宜过高,以避免超过Ac1,出现局部高碳奥氏体,在回火冷却时出现少量黄色的高碳马氏体块,使钢的性能变坏.这类钢经热处理后的高温力学性能如图6-1所示.图中表明,以铬,钼合金化的钢种,热强性和碳钢相比有显著提高.12Cr1MoV钢的使用温度可达580℃.此外,我国研制的12Cr2MoWSiVTiB(钢研102)和12Cr3MoVSiTiB(П11),在620℃时的620100000σ均达到75MPa,并具有良好的焊接及冷弯性能.这种钢中除了运用Cr,Mo,W,V,Ti的综合固溶强化和第二相强化作用外,还用微量B强化晶界,并适当提高Si含量,增强了钢的抗氧化性能,从而使使用温度有了较大的提高.6-1)·'&`Jv,Xz'=UL$'^.)·'_&`JvE2OJvhb."GA×BüJv¨E8N8G*ü&`K6¨EWU"^&y,X5&`4§X~E2OJv,XS*ü#z"bE&`:!1uF',X#z¨zU"!¤".)·'_5&`JvUP~·!8".)·'_5&`Jv,X.GE'PG^$CE~,X6U"~E2OJvU*üb0"QEB15&`2¨"QEBE@$~EH^EB1~.)·'_&`Jvü*üb>G!2¨G2¨ 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bE2OJv8AEU"&y'¨·5à3E*ü.)·'_¨L_,XJv/V35Cr2MoV^33Cr3WMoV1~'E2OJv21u$*üJv,!¤¨L8ZC含量较高外,还具有更高的淬透性(铬含量的提高一方面可以提高淬透性,另一方面还可以提高耐热性)和更高的回火稳定性(钨,钒等的加入可以提高钢的回火稳定性,同时增加高温析出强化效应).表6-1为典型的珠光体型热强钢(合金结构钢)的化学成分,表6-2为典型的珠光体型热强钢(合金结构钢)的力学性能,主要特性和用途举例.表6-1珠光体型热强钢(合金结构钢)的化学成分(GB/T3077-1999)化学成分/%牌号CSiMnCrMoV12CrMo0.08~0.150.17~0.370.40~0.700.40~0.700.40~0.55-15CrMo0.12~0.180.17~0.370.40~0.700.80~1.100.40~0.55-20CrMo0.17~0.240.17~0.370.40~0.700.80~1.100.15~0.25-30CrMo0.26~0.340.17~0.370.40~0.700.80~1.100.15~0.25-30CrMoA0.26~0.330.17~0.370.40~0.700.80~1.100.15~0.25-35CrMo0.32~0.400.17~0.370.40~0.700.80~1.100.15~0.25-42CrMo0.38~0.450.17~0.370.50~0.800.90~1.200.15~0.25-12CrMoV0.08~0.150.17~0.370.40~0.700.30~0.600.25~0.350.15~0.3035CrMoV0.30~0.380.17~0.370.40~0.701.00~1.300.20~0.300.10~0.2012Cr1MoV0.08~0.150.17~0.370.40~0.700.90~1.200.25~0.350.15~0.3025Cr2MoVA0.22~0.290.17~0.370.40~0.701.50~1.800.25~0.350.15~0.3025Cr2Mo1VA0.22~0.290.17~0.370.50~0.802.10~2.500.90~1.100.30~0.502100433B

严格来说，钢铁材料也属于铁基合金，但工程上通常将两者区别开来。铁基合金是指那些刻意加入金属合金元素，形成置换固溶体的合金，非金属碳引起的所有强化效应是次要的。

最典型的时效硬化型铁基合金是马氏体时效钢（18Ni型）。其碳的质量分数极低，不超过0.03%，加入大量的Ni，空冷至室温就能获得板条马氏体，因碳的质量分数低，马氏体强度硬度并不高，但韧性良好。在450～500℃时效处理，合金元素首先在位错处偏聚形成“气团”，再以“气团”为核心析出Ni₂M、Ni₃M（M代表其他金属合金元素）型金属间化合物，沉淀强化使钢的屈服强度提高到1400～3500MPa。马氏体时效钢有3种强化机制：沉淀强化、固溶强化和相变强化（马氏体），其中沉淀强化的贡献最大。沉淀强化效果来自：（1）溶质原子向位错偏聚；（2）大量细小、弥散分布、高硬度的金属间化合物。

高温耐压强度是耐火材料高温力学性能之一，可用实验方法测定。即按一定速度施压至其破坏时，每单位截面积上所能承受的极限压力。单位为帕

铁基合金按不同金相组织可分以下几类。

（1）马氏体合金钢

主要硬化元素是Cr，还有Si、Mo、Mn、V、W等强化元素，合金元素总量不超过10%。涂层组织为低碳马氏体，有良好的机加工性能，涂层硬度HRc30"para" label-module="para">

（2）高铬铸铁

该类合金硬度高，HRc48"_blank" href="/item/碳化钨">碳化钨硬面材料，但价格仅为碳化钨材料的1/3。

高铬铸铁含碳量2%～6%，含铬量20%～35%，焊层中主要耐磨硬质相Cr₇C₃，基体组织有马氏体和奥氏体。

高铬铸铁采用电焊条或管状焊丝明弧或埋弧堆焊，堆焊过程中因有大量碳化物析出，焊层产生龟裂释放焊层中的内应力，并不影响其使用性能。主要用于农机、矿山、煤粉研磨机辊等中等或严重磨粒磨损件。

高铬铸铁型自熔合金粉末，氧乙炔火焰（或等离子）喷焊，涂层硬度（HRc50以上），用于不受强烈冲击的磨粒磨损件。

（3）奥氏体锰钢

高锰钢硬面材料能经受高冲击及轻微到中等的磨粒磨损，堆焊层无磁性，具有高韧性，焊后硬度HRc16～20，冷作硬化后可提高到HRc4448，随含碳量不同而变。

高锰钢含有Mn12%～15%及Cr、Ni、Mo，奥氏体组织是用锰稳定的。施焊时不用气焊只用电焊以缩小热影响区求得焊层快速冷却。施焊不当会出现马氏体相而导致焊层胞裂。

高锰钢电焊条和明弧焊丝，用于严重的金属间冲击和矿石对金属的冲磨件的堆焊。

（4）马氏体不锈钢

此类合金属低碳高铬马氏体钢。主要成分含碳C 0.2%和含铬>12%。具有良好的综合机械性能，硬度HRc50左右，强度、韧性都很好，能耐大气和蒸汽的腐蚀，还有耐冷热疲劳的能力。产品有金属丝材和管状丝。主要用在中等冲击，中等金属间磨损和中等磨粒磨损的场合。

马氏体不锈钢型喷涂粉，氧乙炔火焰喷涂，涂层硬度（HB320～450），用于轴类、活塞、柱塞等耐磨件。

（5）光体钢

此类合金含低碳（0~25%）量其他合金元素，组织结构为珠光体、耐冲击性，硬度低（HRc25~35），具有极好的可焊性，适用于堆焊，主要用于恢复机械设备零件尺寸。如受滚压、滑动或冲击负荷的重型机械设备的旋转轴、轧辊等零件。另一重要用途是作为堆焊过渡层。