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耐热钢(Heat-resisting-steel)

耐热钢 精密钢管

耐热钢是指在高温下具有较高强度和良好的化学稳定性的特殊钢。它包括抗氧化钢(高温不起皮钢)和热强钢两类。抗氧化钢通常在550~1250℃温度区间内使用,要求较好的化学稳定性(如抗氧化性及抗高温腐蚀能力等),但承受的载荷较低,对抗蠕变及抗蠕变断裂能力要求不高。热强钢通常在450~900℃温度区间内使用,承受应力较大,要求材料兼有良好的抗蠕变、抗破断性和抗氧化性能。

耐热钢用途广泛。热电厂的锅炉、汽轮机和燃气轮机的主体设备构件都是由耐热钢制造的。在石油化工方面的炼油、合成氨及乙烯装置的关键设备均离不开耐热钢。此外还广泛用作冶金、机械、建材、轻工等各种工业炉窑中的耐热结构材料。在煤的液化、气化及核能方面(如高温气冷堆、快堆)一些核心部位的结构材料也大量采用耐热钢。

简史由于电站,石油化工工业发展的需要,在20世纪30年代就发现了钼是提高耐热钢热强性的有效元素,在低碳钢中加入0.5%钼,工作温度可以从450℃提高到500℃。为了解决含钼钢石墨化的问题,发展了低合金铬钼钢,英国1938年就把含0.8%铬、0.5%钼的钢(相当15CrMo)用于锅炉过热器,其后又发展了性能更高的10.25铬-0.5钼及2.25铬-1钼等钢种。为了进一步提高钢的热强性,节约钼资源,发展了铬钼钒钢系列,前苏联的12CrlMoV就是典型代表,现在仍然是制造电站锅炉的主要材料。

20世纪50年代中国开始引进和生产低合金铬钼钢和铬钼钒钢,用于电站锅炉及石油化工等方面。低合金耐热钢以价廉、工艺性能良好等特点一直受到重视,为了进一步提高钢的性能和工作温度,60年代以来,国内外通过大量的研究工作,研制出多元的低合金热强钢,工作温度达600~620℃并在使用中部分代替了镍铬奥氏体钢。如中国研制的12Cr2MoWVTiB(102)钢,其性能超过了其他国家同类钢的水平,作为过热器管等已在中国200、300、600Mw机组中普遍应用。

中高合金耐热钢基本上是和不锈钢同时发展起来的,1914年德国施特劳斯等指出,含足够镍和铬的钢具有抗氧化和耐酸作用,1920年以后逐渐研制出铬和铬镍不锈耐热钢,并形成了多种分支。如以12铬型的中合金耐热钢为主的叶片钢系列,主要用作汽轮机,燃气轮机叶片;汽车拖拉机中内燃机进排气阀用阀门钢,包括铬硅、铬镍及铬锰镍氮型钢;用于冶金机械、石油化工、轻工、建材工业炉用耐热钢及耐热铸钢,包括高铬铁素体钢及高铬镍奥氏体钢。由于耐热铸钢比变形材具有更高的蠕变强度,近20年来在石油化工及炉用材料方面得到了广泛应用,发展了一系列用钨、钼、铌、钛等强化的高铬镍奥氏体耐热铸钢。广泛用于合成氨及乙烯裂解装置。在上述耐热钢领域,世界发达国家使用比较成熟,多已形成了自己国家的专用标准。中国自50年代以来,在生产实践中形成了较完整的耐热钢系列和标准牌号。如现在除有GB1221-90一热钢棒及GB413890耐热钢板基础标准外,还有高压锅炉用钢管及管坯(GB5310-85,GB5311-89)、汽轮机叶片钢(GB8732-88)、内燃机气阀钢(GB/T1277391)、耐热钢铸件(GB8492-87)等产品标准,基本满足中国国民经济发展的需要。在引用国外牌号的同时,结合本国的资源特点,发展了一些新的耐热钢牌号,如2Cr20Mn9Ni2Si2N、3Cr24Ni7SiN(RE)、3Cr18Mn12Si2N等,分别列入有关标准,使中国耐热钢标准系列具有自己的特色。

合金元素的作用(1)铬、铝、硅。这些元素形成和稳定铁素体,在高温下能促使钢表面生成致密的氧化膜,防止继续氧化,是提高钢的抗氧化性、抗高温气体腐蚀的主要元素。但钢中铝和硅含量过高会使室温塑性和热塑性严重恶化。铬能显著提高低合金钢的再结晶温度,含量为2%时,强化效果最好。(2)镍、锰。可以形成和稳定奥氏体。提高奥氏体钢的高温强度和改善抗渗碳性。锰虽然可以代替镍形成奥氏体,但有损于耐热钢的抗氧化性。(3)钼、钨。是铁素体形成元素。可以提高钢的再结晶温度,同时主要以固溶强化,提高耐热钢的蠕变强度。在低合金钢中钼是提高热强性最关键的元素,钨、钼复合比单独加入有更明显的效果。由于钼、钨在高温下易于挥发和氧化,钢中加入过多的钼和钨,会给高温抗氧化性带来不利影响。(4)钒、铌、钛。是铁素体形成元素和强碳化物形成元素,能形成细小弥散的碳化物,提高钢的高温强度。钛、铌和碳结合还可防止奥氏体钢在高温下或焊后产生晶间腐蚀。(5)碳、氮。可扩大和稳定奥氏体,从而提高耐热钢的高温强度,钢中含铬、锰较多时,可显著提高氮的熔解度,加入氮或提高碳含量,可以代替贵重金属镍。生成碳化物或碳氮化物,控制其形态和数量可进一步起到强化作用。(6)硼、稀土。均为耐热钢中的微量元素。硼溶入固溶体中,使晶体点阵发生畸变,晶界上的硼又能阻止元素扩散和晶界迁移,从而提高钢的高温强度。钢中加入微量稀土,提高钢的抗氧化性,改善热塑性;稀土富集晶界,能净化和强化晶界,有利于提高钢的热强性。但加入稀土类型、数量和%26lsquo;加入方法至关重要,要恰当控制稀土在钢中的存在状态,否则难以收到预期效果。

分类耐热钢按其组织可分为4类,珠光体耐热钢,马氏体耐热钢,铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢。

通常也把沉淀硬化不锈钢列入耐热钢中,这是因为这类钢在540~650℃范围内具有较高的热强性和足够的抗氧化性。

另外,在实际生产中也常按用途将耐热钢分为:电站锅炉用低合金钢;汽轮机和燃气轮机用叶片钢;汽车、舰船用阀门钢;石油化工和炉用耐热钢及耐热铸钢等。

生产工艺耐热钢生产工艺主要有冶炼、轧制及热处理等。

(1)冶炼。耐热钢一般采用电弧炉及炉外精炼工艺,叶片钢则采用电弧炉加电渣工艺,要求较高的高合金耐热钢可采用真空感应炉冶炼再经电渣重熔的工艺。低合金耐热钢或奥氏体耐热钢(Cr18Ni9型)可采用连铸工艺。

(2)轧制。低合金珠光体钢和Cr18Ni9、Cr25Ni20等奥氏体钢可采用初轧开坯,马氏体或含合金元素较多的奥氏体钢采用锻造开坯。奥氏体钢由于导热性差,加热时要均热透烧,马氏体钢及合金化较高的珠光体钢则应注意钢锭和轧坯的退火和缓冷,以防裂纹。

(3)热处理。珠光体钢一般正火加回火或调质后使用,马氏体耐热钢采用调质处理,以稳定组织,获得良好综合力学性能。

铁素体钢不能通过热处理强化,为消除冷变形或焊后所导致的内应力,可在650~830℃进行退火,退火后快速冷却,以迅速通过475℃脆性温度范围。

奥氏体抗氧化钢采用高温固溶处理,以获得良好的冷变形性。奥氏体热强钢则先用高温固溶处理,然后在高于使用温度60~100℃条件下进行时效处理,使组织稳定化,同时析出第二项,达到弥散强化目的。奥氏体耐热铸钢多在铸态下使用。

铸造在耐热钢中耐热铸钢占有相当大的比例,尤其是奥氏体耐热铸钢。铸造方法,一般的炉用耐热构件除采用砂型铸造外,对于表面要求较高的精细零件采用失蜡或树酯砂等精密铸造工艺,以获得表面光滑、尺寸精确的产品。对于合成氨、乙烯裂解炉用高温炉管及炉底辊和辐射管则采用离心浇注的方法生产。


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