第6章耐熱鋼-2014.ppt

1、第六章 耐熱鋼,熱強(qiáng)性 抗氧化性能 強(qiáng)化方式 熱強(qiáng)鋼 抗氧化鋼 其它耐熱合金(簡(jiǎn)介),高溫 常溫工作零件的根本不同在哪？ 原子擴(kuò)散如何提高晶界強(qiáng)度？ 如何提高熱強(qiáng)性？ 組織轉(zhuǎn)變?nèi)绾伪３譄釓?qiáng)性？ 如何保持組織穩(wěn)定性？,6.1 耐熱鋼工作條件及性能,最基本的要求： 高的高溫強(qiáng)度、高溫疲勞強(qiáng)度及塑性熱強(qiáng)鋼 高的高溫化學(xué)穩(wěn)定性（特別是抗氧化性能）熱穩(wěn)定鋼(抗氧化鋼） 良好的工藝性能及物理性能。,工作條件 蒸汽鍋爐、蒸汽渦輪，航空工業(yè)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等許多工作部件在高溫下工作。不僅要承力，還與高溫蒸氣、燃?xì)?、空氣等接觸，發(fā)生氧化與氣體腐蝕。通常把在高溫條件工作的鋼稱為耐熱鋼。,耐熱鋼的高溫性能指標(biāo),1. 蠕

2、變及蠕變強(qiáng)度 蠕變：鋼和合金在溫度和應(yīng)力作用下將發(fā)生連續(xù)而緩慢的變形。 蠕變強(qiáng)度：它表示在某溫度下，在規(guī)定時(shí)間達(dá)到規(guī)定變形（如0.1%）時(shí)所能承受的應(yīng)力。 可用 0.1/10000700 來表示。 主要針對(duì)使用過程中不允許有稍大變形的尺寸精確的零件，如高溫高壓下工作的鋼管、蒸汽渦輪葉片。,2. 持久強(qiáng)度與持久塑性,持久強(qiáng)度 在規(guī)定溫度和規(guī)定時(shí)間引起斷裂所能承受的最大應(yīng)力值。 通常在設(shè)計(jì)使用時(shí)間不太長(zhǎng)（100-幾千小時(shí)）就可以更換的零件或不要求尺寸精確，但不允許斷裂的長(zhǎng)期工作零件。 塑性 反映鋼材在高溫長(zhǎng)期應(yīng)力下斷裂時(shí)的塑性。 許多鋼種在短時(shí)試驗(yàn)時(shí)其塑性可能很高，但經(jīng)高溫長(zhǎng)期試驗(yàn)后鋼的塑性有急劇

3、下降趨勢(shì)，呈現(xiàn)出蠕變脆性。,3. 持久壽命 它表示在規(guī)定溫度和規(guī)定應(yīng)力作用下拉斷的時(shí)間。 4. 應(yīng)力松弛 高溫下工作的緊固件，在力的作用方向和零件尺寸不改變的條件下，工作零件中應(yīng)力自發(fā)降低的過程稱為應(yīng)力松弛現(xiàn)象。高溫下工作的緊固件要求有低的應(yīng)力松弛性能。 5. 高溫疲勞強(qiáng)度 6. 熱疲勞,熱強(qiáng)性如何提高？ 提高基體原子間結(jié)合力 金屬熔點(diǎn)：高 晶格類型：奧氏體 合金元素：固溶 增強(qiáng)組織結(jié)構(gòu)的抗蠕變能力 回火馬氏體蠕變極限最高 鐵素體和珠光體組織持久塑性高,耐熱鋼的強(qiáng)化 固溶強(qiáng)化（Mo, W, Cr為主）,合金晶格類型：fcc-Fe bcc-Fe, 奧氏體型鋼要 比F、M、P型鋼的蠕變抗力高。,固

4、溶體結(jié)合力：合金化固溶體原子間結(jié)合 力，Mo、W、Cr比Mn、Si 、 Ni作用較大。,常用合金元素對(duì)工業(yè)純鐵蠕變極限的影響,晶界強(qiáng)化 純化、凈化晶界（B，Re, Ca ）; 填充晶界空位，阻礙擴(kuò)散（B，Ce）； 晶界沉淀強(qiáng)化（B）。,凈化晶界：雜質(zhì)易偏聚在晶界，形成易熔夾雜物 晶界強(qiáng)度。Re、B 優(yōu)先結(jié)合雜質(zhì)，形成 高熔點(diǎn)化合物，異質(zhì)晶核從晶界轉(zhuǎn)入晶內(nèi),填充空位：晶界上空位多，原子易快速擴(kuò)散。B 易偏聚晶界，晶界空位。,沉淀強(qiáng)化 只有穩(wěn)定的MC型碳化物或耐熱的金屬間化合物的沉淀強(qiáng)化才使 鋼具有好的高溫強(qiáng)度。 熱處理強(qiáng)化 控制晶粒度； 改善強(qiáng)化相分布狀態(tài)。 細(xì)晶強(qiáng)化 形變強(qiáng)化,高溫化學(xué)穩(wěn)定性,

5、1. Fe的氧化膜的結(jié)構(gòu) 575以下，F(xiàn)e2O3和Fe3O4層; 575 以上，表層Fe2O3, 中間層Fe3O4，內(nèi)層FeO，約1:10:100 （氧化速度加快）。 FeO：結(jié)構(gòu)疏松，結(jié)合力弱，易剝落； Fe2O3、Fe3O4：結(jié)構(gòu)致密，和基體結(jié)合好。 要提高鋼的抗氧化性，首先要阻止FeO出現(xiàn)。 加入合金元素，使FeO形成溫度提高，且優(yōu)先形成穩(wěn)定氧化物； 形成穩(wěn)定而致密氧化膜。,2. 合金元素對(duì)鋼的氧化速度的影響 氧化膜的結(jié)構(gòu)要求：穩(wěn)定、致密、牢固（與基體結(jié)合緊密）。 加入Cr, Si, Al等， Cr、Al可單獨(dú)加入，Si 只能作輔加元素 (增加鋼的脆性)。 可以提高FeO出現(xiàn)的溫度，改善

6、鋼的高溫化學(xué)穩(wěn)定性; Cr2O3或Al2O3或SiO2；FeO-Cr2O3或FeO-Al2O3等尖晶石氧化物膜；Fe2SiO4氧化膜。,耐熱鋼的合金化,Cr：鋼抗氧化性主要元素。形成致密而穩(wěn)定的Cr2O3 T，Cr。如600650，需要5%Cr ；800時(shí)， 為12%Cr，固溶強(qiáng)化效果。,Mo、W：低合金熱強(qiáng)性重要元素。 固溶強(qiáng)化；析出穩(wěn)定相。,Al：抗氧化性的有效元素。 在1000時(shí)， 6%Al18%Cr水平。冶金工 藝性， 使鋼變脆。 不能單獨(dú)加入，作為輔助合金化元素。,Si：抗氧化性的輔助元素。但效果比Al還要有效，但使鋼 脆性大，用Si代替部分Cr。 一般在23%Si。,Ni：獲得奧氏

7、體組織（一般在奧氏體耐熱鋼中使用）。,Ti、Nb、V：形成穩(wěn)定K，鋼松弛穩(wěn)定性，熱強(qiáng)性,C：較低。一方面起強(qiáng)化作用，另一方面促進(jìn)鐵原子擴(kuò)散， K聚集長(zhǎng) 大 盡可能C。一般小于0.5%，多在小于0.2%。,耐熱鋼分類 F型耐熱鋼 350-650 包括F-P、F、M耐熱鋼。 奧氏體耐熱鋼 600-800 。 包括固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化奧氏體耐熱鋼 耐熱合金分類 鐵基合金：750-850 Ni/Co基合金，650-1150。 Mo/Nb基合金，1000。,6.2 耐熱鋼鋼種,（一）F-P 耐熱鋼 按用途主要有鍋爐鋼管、緊固件和轉(zhuǎn)子用鋼等幾大類。 1、鍋爐鋼管常用鋼種 高溫和高壓，高溫?zé)煔夂退羝?安全可

8、靠 抗氧化和耐蝕，組織穩(wěn)定,工藝性能好。 12Cr1MoVG，15CrMoG, 12Cr2MoWVSiTiBG 合金元素作用： V，Ti 沉淀強(qiáng)化； Mo、W、Cr 固溶強(qiáng)化； Si和Cr 提高抗氧化性； B 強(qiáng)化晶界。,成分、熱處理、組織 合金元素總量不超過5%。 一般采用正火或正火加高溫回火：得到F+P組織；也有少量通過快冷或淬火+高溫回火：得到B或M組織。 用途：多用于鍋爐蒸汽管道，在450-620蒸汽介質(zhì)中長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)。 強(qiáng)化方法 固溶強(qiáng)化：以Mo, W, Cr為主要元素 碳化物沉淀強(qiáng)化：以V, Ti, Nb為主要元素 從提高高溫強(qiáng)度（持久強(qiáng)度）： MCM2CM6CM23C6M7C3,12

9、Cr1MoVG鋼為例： 980加熱后 爐冷 F + P組織 持久強(qiáng)度最低，持久塑性最高 空冷 （粒狀 B +少量 F +少量 M ）組織 高溫回火 （740） 淬火 M 組織-高溫回火（740） 高溫回火（740）-回火T-S組織 持久強(qiáng)度最高，持久塑性居中 回火溫度 = 使用溫度 + 100150,2、緊固件用珠光體耐熱鋼,緊 固 件,處于初緊預(yù)應(yīng) 力狀態(tài)工作,高的屈服強(qiáng)度、 松弛穩(wěn)定性， 缺口敏感性小， 一定抗氧化性。,C Cr/ Mo/ V,常用鋼：35CrMoV、25Cr2MoV鋼常用作中壓 氣輪機(jī)的 螺栓和螺母材料，25Cr2Mo1V鋼 在高壓電廠中 廣泛使用。,3、轉(zhuǎn)子用鋼,主軸、

10、葉輪 或整鍛轉(zhuǎn)子,熱強(qiáng)性，沿軸向、徑向均勻一致 的綜合力學(xué)性能淬透性。,常用鋼種：汽輪機(jī)葉輪常用中碳珠光體熱強(qiáng)鋼 制造。如35Cr2MoV、33Cr3WMoV鋼,過熱蒸汽，復(fù)雜應(yīng) 力（扭/彎/熱等）,（二）馬氏體耐熱鋼 1、葉片用鋼 由低C Cr13型馬氏體不銹鋼轉(zhuǎn)變而來，加入W, Mo, V, Nb, N, B ， Cr12型馬氏體耐熱鋼。 可作570汽輪機(jī)葉片、轉(zhuǎn)子。具有良好的消震性，但其組織穩(wěn)定性差。 主要碳化物為(Cr, M)23C6，還有其它碳化物。 鋼種：12Cr12Mo, 14Cr12MoV, 15Cr12WMoV。 回火T-回火S 強(qiáng)化相為M23C6，MC和M6C, 或Fe2W

11、 ； 組織：650-750 回火-回火T-S組織。,2、氣閥鋼 內(nèi)燃機(jī)排氣閥工作條件非常苛刻: 700850工作，受到燃?xì)獾母邷馗g、氧化腐蝕和沖刷腐蝕磨損,熱疲勞 。 常用鋼號(hào)有4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo。 采用1050淬火加熱、油冷，700左右回火，回火屈氏體索氏體，保持馬氏體形貌特征。 高于750的閥門需要采用奧氏體型熱強(qiáng)鋼。,（三）工業(yè)爐用耐熱鋼（抗氧化鋼） Fe-Al-Mn爐用耐熱鋼 +少量，工作溫度900 左右。 Cr-Mn-C-N爐用耐熱鋼 （ 組織 ） Cr19Mn12Si2N， Cr20Mn9Ni2Si2N 可用于850-1000的工業(yè)爐用耐熱件 。 高Cr-Ni奧

12、氏體爐用耐熱鋼 1000-1200長(zhǎng)期工作 ，3Cr18Ni25Si2。,（四）奧氏體耐熱鋼 具有B.C.C的鐵素體型耐熱鋼，在600-650溫度條件下的蠕變強(qiáng)度明顯下降。 具有F.C.C結(jié)構(gòu)的奧氏體型耐熱鋼，在650或更高溫度（750 ）下有較高的高溫強(qiáng)度； 奧氏體型耐熱鋼可分為三類: 簡(jiǎn)單奧氏體耐熱鋼（Cr18Ni9型奧氏體不銹鋼） 固溶強(qiáng)化型奧氏體耐熱鋼; 沉淀強(qiáng)化型奧氏體耐熱鋼。,1. Cr18Ni9型奧氏體不銹鋼 Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼在600左右具有較高的持久強(qiáng)度，也可用來制作600左右工作的鍋爐和汽輪機(jī)和鍛件。 2. 固溶強(qiáng)化型奧氏體耐熱鋼 如12Crl4Ni9W2NbB

13、、06Cr18Ni14Mo2Nb等，以W、Mo進(jìn)行固溶強(qiáng)化，以硼進(jìn)行晶界強(qiáng)化。 這類鋼可用來制造在600-700下工作的蒸氣過熱器和動(dòng)力裝置的管路，680以下燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)、靜葉片及其他鍛件。鋼具有中等持久強(qiáng)度和高塑性。,3. 沉淀強(qiáng)化耐熱鋼,（1）碳化物沉淀強(qiáng)化耐熱鋼 這類鋼的沉淀強(qiáng)化相為MC型碳化物，并含有W、Mo等固溶強(qiáng)化元素。以NbC為沉淀強(qiáng)化相的鋼為40Cr13Ni13Co10Mo2W3Nb3。 常用的是以錳部分代鎳的35Cr13Mn8Ni8MoVNb （GH2036）鋼，強(qiáng)化相是（V，Nb）C，它以VC為主，溶有部分鈮。VC析出的最高速度的溫度在670-700，在此溫度時(shí)效后，鋼具有最

14、高的沉淀硬化。另外一種碳化物是復(fù)合的M23C6型的(Cr，Mn，Mo，F(xiàn)e，V)23C6，但不能成為沉淀強(qiáng)化相。,（2）金屬間化合物沉淀強(qiáng)化型耐熱鋼,合金元素鈦和鋁在奧氏體耐熱鋼時(shí)效過程中能析出金屬化合物為主要沉淀強(qiáng)化相。-Ni3（Ti，Al）點(diǎn)陣常數(shù)與基體相近，二者僅稍有差別，當(dāng)相析出時(shí)，能形成共格，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。 GH2132（A-286）鋼是典型的金屬間化合物沉淀強(qiáng)化耐熱鋼，用來制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件，有較高的高溫強(qiáng)度，可以在650-700使用，對(duì)要求抗氧化而強(qiáng)度要求不高的零件，可以在850長(zhǎng)期工作。它還具有好的熱加工性和切削加工性能。,1）GH2132（A-286）鋼成分 其主要成分為：

15、C 0.08%，Cr 13.5-16%，Ni 24-27，Mn 1-2， Mo 1-1.5， Ti 1.75-2.30， Al0.40%。 Cr: 主要提高鋼的化學(xué)穩(wěn)定性，15%左右； Mo: 主要起固溶強(qiáng)化作用； Ni：獲得穩(wěn)定奧氏體組織，形成金屬間化合物沉淀強(qiáng)化相； Ti, Al：主要是形成-Ni3（Ti，Al），經(jīng)過時(shí)效處理產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化；,GH132鋼時(shí)效沉淀相的相區(qū)與鋁鈦含量的關(guān)系,當(dāng)Ti1.4%, 產(chǎn)生相。含鈦高而含鋁極低時(shí)，析出的相不穩(wěn)定，會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變成簡(jiǎn)單六方結(jié)構(gòu)-Ni3Ti（胞狀沉淀）。因此Al的作用主要用來穩(wěn)定含鈦的相的FCC結(jié)構(gòu)，保持強(qiáng)化作用。鋁含量過高，除形成外，還出現(xiàn)Ni

16、2AlTi相，其穩(wěn)定性差，易聚集長(zhǎng)大，不能作為沉淀強(qiáng)化相。 當(dāng)鈦的含量增加至2.15%，產(chǎn)生最大的沉淀強(qiáng)化作用；當(dāng)鈦的含量過高時(shí),易產(chǎn)生缺口敏感性，除加入鉬改善外，還需加入V和B才能消除。 B能產(chǎn)生晶界強(qiáng)化, 并能提高持久塑性，B0.001-0.01%。 C、Si和Mn要控制在下限，B控制在中下限。,GH2132（A-286）鋼的熱處理 固溶處理溫度為980-1000：可獲得合適的晶粒度，成分均勻，具有較高的伸長(zhǎng)率、成型性和焊接性。 時(shí)效溫度為700-760，沉淀強(qiáng)化效果最好。以極小的球狀顆粒分布在基體上，與基體共格。,（3）鐵基耐熱合金,用W、Mo、Ti、Al進(jìn)一步強(qiáng)化的鐵基耐熱合金如GH2

17、135（Cr15Ni35W2Mo2Ti2Al2.5）等，可在700-750工作。 GH2150（Cr14Ni40W4Mo2Ti2.5Al2）等可在800工作，以取代鎳基合金。 但在長(zhǎng)時(shí)間高溫作用，在晶界易析出脆性相，降低組織穩(wěn)定性和造成脆化傾向。這需要從調(diào)整成分和細(xì)化晶粒來減少其析出程度。,6. 3 鎳基耐熱合金,一合金化原理 鐵基耐熱合金的最高工作溫度只能達(dá)到750-850，在更高溫度下使用的是鎳基耐熱合金。鎳基合金是在Cr20Ni80基礎(chǔ)上加入大量強(qiáng)化元素如鎢、鉬、鈦、鋁、鈮、鈷、鉭等。 鎳基耐熱合金中采用金屬間化合物作為沉淀強(qiáng)化相，首先采用的是-Ni3 (Ti, Al)相。 -Ni3 (

18、Ti, Al)相與鎳基固溶體有相同的點(diǎn)陣類型和相近的點(diǎn)陣常數(shù)，相與基體形成共格，其相界面能低，使其在高溫下長(zhǎng)期停留時(shí)聚集長(zhǎng)大速度小，且-Ni3(Ti, Al)相本身具有較好的塑性，故其是理想的沉淀強(qiáng)化相。,-Ni3(Ti,Al)相對(duì)合金的強(qiáng)化表現(xiàn)在兩方面： 1）共格強(qiáng)化； 2）反相疇界強(qiáng)化。 機(jī)制 當(dāng)鎳基合金時(shí)效時(shí)，析出相與固溶體保持共格，相的點(diǎn)陣常數(shù)稍大于固溶體，形成共格界面時(shí)存在匹配度差，因而在相周圍的固溶體中產(chǎn)生畸變應(yīng)力。匹配度差越大，畸變應(yīng)力也越大。這種畸變應(yīng)力場(chǎng)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高了屈服強(qiáng)度，強(qiáng)化了合金。,合金元素作用 W、Mo、Cr在鎳基合金中能提高原子間的結(jié)合力，起固溶強(qiáng)化作用。 Co可溶于-Ni3(Ti,Al)中形成-(Ni，Co)3(Ti,Al)相，提高其穩(wěn)定性。還可增加的含量，提高高溫強(qiáng)度及其使用溫度。 Cr的另一主要作用是提高鎳基合金鋼的抗氧化性。 雜質(zhì)元素特別是低熔點(diǎn)金屬，如鉛、銻、錫、鉍等，強(qiáng)烈降低晶界的強(qiáng)度、高溫沖擊韌性和高溫塑性。這些雜質(zhì)元素有強(qiáng)的晶界偏聚傾向，富集于晶界，降低了晶界原子擴(kuò)散激活能，使鎳基合金的持久強(qiáng)度強(qiáng)烈降低。加