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發(fā)布者：管理員 發(fā)布時間：2010/4/8 閱讀：2546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鋼兩類�？寡趸撚趾喎Q不起皮鋼。熱強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度的鋼。耐熱鋼主要用于在高溫下長期使用的零件
heat-resisting steels
在高溫下具有較高的強度和良好的化學穩(wěn)定性的合金鋼。它包括抗氧化鋼(或稱高溫不起皮鋼)和熱強鋼兩類�？寡趸撘话阋筝^好的化學穩(wěn)定性，但承受的載荷較低。熱強鋼則要求較高的高溫強度和相應的抗氧化性。耐熱鋼常用于制造鍋爐、汽輪機、動力機械、工業(yè)爐和航空、石油化工等工業(yè)部門中在高溫下工作的零部件。這些部件除要求高溫強度和抗高溫氧化腐蝕外，根據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。中國自1952年開始生產耐熱鋼。以后研制出一些新型的低合金熱強鋼，從而使珠光體熱強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、鈮與碳結合還可防止奧氏體鋼在高溫下或焊后產生晶間腐蝕。
碳、氮 可擴大和穩(wěn)定奧氏體，從而提高耐熱鋼的高溫強度。鋼中含鉻、錳較多時，可顯著提高氮的溶解度，并可利用氮合金化以代替價格較貴的鎳。
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陣發(fā)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；稀土元素能顯著提高鋼的抗氧化性，改善熱塑性。
類別 耐熱鋼按其組織可分為四類：
珠光體鋼 合金元素以鉻、鉬為主，總量一般不超過5％。其組織除珠光體、鐵素體外,還有貝氏體。這類鋼在500～600℃有良好的高溫強度及工藝性能，價格較低，廣泛用于制作 600℃以下的耐熱部件。如鍋爐鋼管、汽輪機葉輪、轉子、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,以及在此基礎上發(fā)展出來的鋼號如1Cr11MoV，1Cr12WMoV,2Cr12WMoNbVB等,通常用來制作汽輪機葉片、輪盤、軸、緊固件等。此外,作為制造內燃機排氣閥用的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，有較好的高溫強度和組織穩(wěn)定性，焊接性能良好。通常用作在 600℃以上工作的熱強材料。典型鋼種有 1Cr18Ni9Ti, 1Cr23Ni13, 1Cr25Ni20Si2，2Cr20Mn9Ni2Si2N,4Cr14Ni14W2Mo等。
生產工藝
冶煉 耐熱鋼一般在電弧爐或感應爐中熔煉。質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，生產鑄件不僅比軋材合算，而且鑄件還有較高的持久強度。所以在耐熱鋼中耐熱鑄鋼占有相當大的比例。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、尺寸精確的產品。對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 珠光體熱強鋼通常經正火或調質后使用；馬氏體耐熱鋼用調質處理，以穩(wěn)定組織，得到良好的綜合力學性能和高溫強度。
鐵素體鋼不能通過熱處理強化。為消除因冷塑性變形加工和焊接所導致的內應力，可在650～830℃進行退火處理，退火后快速冷卻,以便迅速地經過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℃條件下進行時效處理,使組織穩(wěn)定化，同時析出第二相，以強化基體。耐熱鑄鋼多在鑄態(tài)下使用，也有根據耐熱鋼的種類采用相應的熱處理的。
耐熱鋼焊接工藝
1. 鍋爐及壓力容器對鋼材性能的要求
按工作條件分為兩大類：
一、用以制造室溫及中溫承壓元件的鋼板與鋼管
具有特點：
1 有較高的室溫強度
通常以屈服極限σs和強度極限σb為設計依據，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，在考慮強度的同時也不能忽略韌性，
(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)還需要考慮時效韌性
時效就是鋼材經冷加工變形后，在室溫或較高溫度下，沖擊韌性隨時間變化。通常在200-300℃，沖擊韌性值顯著降低。一般要求下降率不超過50%。
由于容器斷裂過程包括在缺陷處形成裂紋和裂紋擴散兩個階段，相應兩種防止斷裂方法
(1)選用具有足夠韌性的鋼材以防止裂紋產生，要求如上表所示
(2)選用韌性更高的材料，以求在裂紋產生后能夠阻止裂紋擴展。(要求溫度比無塑性轉變溫度NPT高一定數值，例如元件的設計應力為屈服極限σs一半時，要高17℃
3 較低的缺口敏感性
制造過程中，開孔和焊接會產生局部應力集中，要求材料有較低的缺口敏感性，以防止產生裂紋
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
(1)降低熱影響區(qū)材料的韌性、塑性
(2)在焊縫內產生各種缺陷
其中(1)、(2) 均會產生裂紋
在選材料時需考慮
(1)材料中碳的當量值(保證材料具有較好的可焊性)
(2)適當的焊接材料和焊接工藝
(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(防止裂紋的產生)
二、用以制造高溫承壓元件的鋼管
1 具有足夠的蠕變強度、持久強度和持久塑性
通常以持久強度為設計依據，保證在蠕變的條件下安全運行
2 具有良好的高溫組織穩(wěn)定性
長期高溫下不發(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
一、工作溫度低于500℃的鋼材
碳素鋼和低合金結構鋼
1 鐵素體-珠光體結構鋼
屈服強度σs為300-450MPa
16Mn，15MnV，15MnVN加入合金元素，固溶強化，結晶強化作用
2 低碳貝氏體類型鋼
屈服強度σs為500-700Mpa
14CrMnMoVB延緩奧氏體分解，得到貝氏體，增加強度
3 馬氏體型調質高碳鋼
屈服強度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
低合金熱強鋼和奧氏體不銹鋼
1 低合金珠光體熱強鋼
15CrMo和12Cr1MoV，結晶強化，沉淀強化
2 低合金貝氏體熱強鋼
12Cr2MoWVTiB和12Cr3MoVSiTiB，特點：合金數量多而量少，高溫強度高，抗氧化性強
3 奧氏體不銹鋼
18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼：1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni9Ti，高溫強度高，抗氧化性強，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性能的影響
1 碳的影響
碳增加，強度增大，塑性減少，可焊性變差，時效敏感性降低
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
降低強度、塑性
7 氮的影響
提高強度、硬度，降低塑性
8 氫的影響
氫脆
二、碳鋼的分類
化學成分：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：普通碳素結構鋼、優(yōu)質碳素結構鋼和碳素工具鋼
1 普通碳素結構鋼
甲類鋼：按機械性能供應(A)，鋼板，角鋼等
2 優(yōu)質碳素結構鋼
按機械性能和化學成分供應
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，因為塑性、韌性、加工工藝性和可焊性好
(1) 優(yōu)質碳素結構鋼
10號和20號無縫鋼管
20號鋼含碳量比10號鋼多一倍，強度高，屈服極限σs和強度極限σb高20%，時效敏感性低，多采用20號鋼
(2) 專用碳素鋼
A3g A3R 15g 20g，沖擊韌性好，金屬表面和內部缺陷少
4. 普通低合金結構鋼
低合金鋼是在碳素鋼的基礎上加入少量Si,Mn,Cu,Ti,V,Nb,P等合金元素構成的，它的含碳量較低，多數小于0.2%。其組織多數仍為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。它廣泛用于制造遠洋輪船、大跨度橋梁，高壓鍋爐，大型容器，汽車，礦山機械及農業(yè)機械等。
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. 低合金熱強鋼
在原油加熱，裂解，催化設備中，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號鋼在540℃下于氧化性氣體中，因氧化強度只有50MPa。因為石墨化。
常用的抗氧化鋼
——Cr13SiAl,Cr25Ti,Cr17Ti,Cr25Ni2
熱強鋼
——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
有較高的抗拉強度，較低屈服點，極好的塑性和韌性，焊接性能和冷彎成型性能好，用來制造貯罐，塔器，反應釜，應用最廣。
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械性能。
常用低溫用鋼
1) 低合金低溫用鋼
16MnDR -40℃ 機械性能優(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
國外低溫設備用鋼，以高鉻鎳為主，其次用鎳鋼，銅，鋁。
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