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耐热钢和耐热合金的分类

作者: 发布时间:2016-06-23 浏览次数:1867
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耐热钢和耐热合金的分类

耐热钢、耐热合金等耐热材料广泛用于发动机内燃机、火力发电的锅炉、涡轮机、废弃物焚烧处理设备、热处理炉、加热器等部件,是许多产业不可缺少的材料。日本需要从海外大量进口能源,因此对于日本,必须提高能源使用效率。为提高各种设备的能耗效率,就必须提高耐热材料的性能。汽车发动机性能提高、降低工厂环境污染物的排放等在很大程度上依赖于可以在更高温度和更恶劣环境下长时间工作的耐热材料的开发。产业界的发展也依赖于耐热材料的发展。添加或增加Ni、Co、Mo、W、Ti、Nb等元素是提高耐热钢、耐热合金等耐热材料性能的有效方法,并利用这种方法已经开发出许多耐热钢、耐热合金。由于稀有元素产地的局限,以及稀有元素需求量增加,使耐热钢、耐热合金中的合金元素的供给不稳定导致价格波动较大。

耐热钢、耐热合金种类繁多,这些材料的使用环境不同、要求的性能不同、可接受的价格也不同。例如,汽车发动机进气阀门的最高温度至多只有500℃,所以采用的材料是马氏体耐热钢。Ni基合金对于汽车发动机进气阀门是功能过剩材料并且价格也过高。因此对耐热材料要区别使用。另一方面,降低成本是制造业永恒的课题,因此,如何用更廉价的原料制造出同样性能的材料,是对耐热材料提出的要求。日本在二次大战中对省Ni、Mo型耐热钢进行了开发,此后,日本对省资源型耐热材料的开发长达60余年。


耐热钢、耐热合金

耐热钢和耐热合金的区别没有明确的规定,通常,将合金元素含量小于50%的叫做耐热钢,大于50%的叫做耐热合金。日本耐热钢标准有JIS G4311、G4312,此外还有几个SUH系列标准。根据母相组织的不同,耐热钢可以分为铁素体耐热钢、马氏体耐热钢、奥氏体耐热钢和析出硬化型耐热钢。JIS G5122对SCH系耐热铸钢做了规定,但没有按母相组织对钢的牌号进行分类,将铁素体耐热钢、马氏体耐热钢、奥氏体耐热钢混在一起。在耐热合金方面,JIS G 4091和4092是NCF系耐热合金,没有进行分类,但都是奥氏体耐热合金。在ASTM、AMS、DIN标准中有JIS没有的耐热合金。此外,以合金开发公司的工厂名命合金牌号也是通用做法,如,Inconel Alloy?。另外还有一些材料工厂开发的各种新型耐热材料,这些材料尚未纳入标准。各种耐热材料都分别既有优点、又有不足,应根据用途适当选用。表1是JIS 中的代表性耐热钢、耐热合金的化学成分和用途。图1是各种耐热钢、耐热合金的耐用温度。以下对各种耐热材料的特点和合金元素的作用进行说明。


图1 各种耐热钢和耐热合金的耐热温度性位置

表1 耐热钢和耐热合金的化学组成和主要用途



铁素体耐热钢

广泛使用的具有代表性的铁素体耐热钢是低C-17%Cr的SUS430。Cr是提高钢的耐高温腐蚀性的元素,是耐热钢中不可缺少的元素。SUS430具有良好的抗氧化性。由于钢中不含其它元素,所以SUS430价格比较便宜。但是SUS430经高温淬火不发生硬化,并且高温强度低,只能用于不太要求强度的部件。另一方面,由于SUS430的热膨胀系数小,而奥氏体耐热钢的热膨胀系数大,所以,对于温度反复变化,容易产生热疲劳的部件来说,采用SUS430更好。此外,SUS430在500℃左右长期使用时,由于脆性相析出会发生脆化,对此应予注意。除了Cr,Al也是提高抗氧化元素。高温下,Al在氧化铁皮的表面形成Al2O3,成为坚固的保护膜,起着提高抗氧化的作用。利用Al的这种作用的耐热钢有FCH1。FCH1是在25%Cr钢中添加5%Al的发热体用耐热钢,在1200℃以下具有良好的抗氧化性。


马氏体耐热钢

代表性的马氏体耐热钢是含C量为0.1%左右的12%Cr钢SUS403和SUS410J1。这些耐热钢高温淬火发生硬化,然后进行回火,在母相马氏体上析出M23C6,在600℃以下可保持高强度。如再添加Mo提高回火软化抗力,则可进一步保持高强度。马氏体耐热钢在600℃以上的高温下,会发生软化,使强度急剧下降。因此,马氏体耐热钢适用于工作温度在500~600℃以下、要求高温强度的部件。此外,由于马氏体耐热钢的Cr含量较少,为12%,并且一部分Cr还消耗在碳化物中,不能保证母相中的Cr含量,所以马氏体耐热钢的抗氧化性常常不及铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢。提高抗氧化性的元素Si和 Al同样可在马氏体耐热钢氧化铁皮上生成保护性皮膜。添加Si提高抗氧化性的马氏体耐热钢有SUH3和SUH11。这些耐热钢主要用于发动机进气阀和耐热螺栓。


奥氏体耐热钢

钢中添加Cr的同时,添加奥氏体稳定化元素Ni,钢在所有温度下都是稳定的奥氏体组织。普通的奥氏体组织钢是SUS304和SUS310。众所周知,SUS304是耐蚀不锈钢,但SUS304也可做耐热钢使用。在600℃以下,奥氏体耐热钢的强度处于马氏体耐热钢和铁素体耐热钢之间;在600℃以上,强度大于马氏体耐热钢。此外,SUS304在800℃以下,SUS310在1000℃以下,进行反复加热-冷却时,具有良好的抗氧化性。但在700~900℃长时间使用时,会有脆性相析出,使材料变脆。此外,由于SUS304和 SUS310的热膨胀系数大于马氏体耐热钢和铁素体耐热钢,所以容易发生热疲劳损伤,对于这两点应予以注意。

在要求高温强度的时候,奥氏体耐热钢可以进一步利用析出强化和固溶强化提高强度。用于发动机排气阀的奥氏体耐热钢是SUH35。钢中添加C,利用碳化物析出强化和添加N的固溶强化提高了SUH35的高温强度。再提高奥氏体稳定化元素Mn的含量,即使Ni含量为4%,也可以获得奥氏体组织。耐热螺栓和耐热弹簧使用的SUH660,由于添加Al和Ti,析出γ,相(Ni3(Al、Ti)),实现了强化。


析出强化型耐热钢

按照母相组织,耐热钢可以分为奥氏体耐热钢、马氏体耐热钢和铁素体耐热钢。马氏体耐热钢的代表性牌号是SUS630。SUS630经500℃时效处理,在低C马氏体母相中析出ε相(Cu相)提高了钢的强度。但超过500℃,ε相发生粗化,并且马氏体组织也发生变化,使钢的强度下降。因此,SUS630主要用于500℃以下的涡轮机部件。SUS630钢的主要成分是17Cr-4Ni-4Cu,含Ni量并不太高,并且从奥氏体稳定性考虑,不能再减少Ni含量,因此不是省资源化的开发钢。


耐热合金

日本在开发耐热钢的同时,进行了耐热合金的开发。为了提高耐热性,在合金中添加了Cr、Ti、Al、Nb等元素。根据强化机制,耐热合金可分为固溶强化型耐热合金和析出强化型耐热合金。代表性的固溶强化型耐热合金有NCF600、601、609(相当于Inconel Alloy 600、601、609),代表性的析出强化型耐热合金有NCF718、750(相当于Inconel Alloy 718、X750)和NCF800H(相当于Inconel Alloy 800H)。固溶强化型耐热合金进行时效处理,强度、硬度也不升高,所以高温强度不高,因此,与用于要求高温强度的结构件相比,更适合用于包括高温环境等腐蚀环境下要求耐久性的部件。析出强化型耐热合金中含有Al、Ti等元素,与SUH600一样,析出γ相,提高了合金的强度和硬度,因此,析出强化型耐热合金适用于弹簧、螺栓、发动机部件等要求高温强度的零部件。