第7章 耐温用结构材料 7.1 耐热钢 7.1.1概述 耐热钢:在高温下工作的钢。 高温下,工件会在远低于材料抗拉强度的应力下破断。 第7章 耐温用结构材料 7.1 耐热钢 7.1.1概述 耐热钢:在高温下工作的钢。 高温下,工件会在远低于材料抗拉强度的应力下破断。 原因是: 高温下钢被急剧地氧化,形成氧化皮,因受力截面逐渐↓而导致破坏; 温度升高使钢的强度急剧↓而导致破坏。 耐热钢:高温下保持足够的强度和抗氧化性的钢。
1、耐热钢的分类 (1)按性能分类: 热稳定钢(抗氧化钢):在高温下长期工作不致因介质腐蚀而破坏钢。 热强钢:在高温下仍具有足够的强度不会大量变形或破断的钢。
(2)按显微组织分类 珠光体型耐热钢:一般在正火-高温回火后使用,主要用作热强钢,工作温度350℃~620℃,常用作锅炉零件等。 马氏体型耐热钢:一般在淬火-高回后使用,主要用作热强钢,由马氏体型不锈钢发展而来。主要用作汽轮机叶片、阀门钢等 铁素体型耐热钢:主要用作抗氧化钢,系高铬钢加入硅、铝等元素形成,由铁素体型不锈钢发展而来。可用作加热炉的炉底板、炉珊等。 奥氏体型耐热钢:由奥氏体型不锈钢发展而来。 用作热强钢,工作温度为600℃~810℃; 用作抗氧化钢,工作温度可达1200℃。 奥氏体耐热钢可作燃汽涡轮、航空发动机、工业炉耐热构件的高温材料。
2、工作条件及性能要求 工作条件:300~1200℃。 性能要求: (1)良好的抗氧化性(耐热不起皮性) ,不会因高温引起表面的剧烈氧化、腐蚀。 (2)抗蠕变性、热强性、抗热松驰性和抗热疲劳性要好。 (3)在高温下组织稳定,以及强化机制在高温下仍有效。 (4)良好的热传导性,小的热膨胀性; (5)良好的工艺性能,好的铸造性、锻造性及焊接性,良好的成批生产性和经济性。
3、金属的抗氧化性 (1)、金属高温氧化机理: 高温下的氧化是典型的化学腐蚀,介质与金属直接接触发生化学反应,腐蚀产物即氧化膜附着在金属表面,若能在金属表面形成一层致密的、完整的、并能与金属表面牢固结合的氧化膜,则金属将不再被氧化。 碳钢不具备这种氧化膜。碳钢的氧化膜为: 560℃以下:基体+Fe3O4+Fe2O3; 560℃以上:基体+FeO+Fe3O4+Fe2O3。 各层氧化膜的厚度比为: FeO:Fe3O4:Fe2O3 =100:10:1 FeO:简单立方点阵,Fe原子的缺位固溶体,存在空隙,Fe2+易通过FeO层向外扩散。O原子也易于向内扩散,加剧Fe的氧化。
(2)提高抗氧化性的途径 从氧化机理可知:要提高钢在高温下的抗氧化性,从机理上应防止FeO形成或提高其形成温度。 基本方法:合金化。
(3)耐热钢的合金化原理 主要用于提高钢抗氧化性的合金元素:Cr、Si、Al。 Fe-Cr合金氧化膜的组成。 Fe-Al合金氧化膜的组成。 随Cr、Si、Al含量的↑,氧化膜中FeO量↓,FeO生成温度↑,直至氧化膜主要为Cr2O3或SiO2(Fe2SiO4)或Al2O3。 这些膜与基体结合牢固,致密,可阻止Fe2+和O原子的扩散,具有良好的保护作用。 合金元素对FeO形成温度的影响 合金成分 纯铁 +1.03%Cr +1.5%Cr +1.4%Si +0.4%Si +0.5%Si +1.1%Al +2.2%Al 氧化皮中出现FeO的下限温度 570℃ 600℃ 650℃ 750℃ 800℃ 850℃
合金化原理2 Fe及Fe-Cr合金氧化膜的组成 a)纯铁 b)12.23%Cr c)25%Cr
合金化原理3 1200℃时Fe-Al合金氧化膜的组成 a) 纯铁 b) 1%Al c ) 3%Al d ) 5%Al
Cr:要使氧化膜具有良好的抗氧化性,单一加入Cr的用量为: 工作温度600℃,需5%Cr; 工作温度800℃,需12%Cr; 合金化原理4 Cr:要使氧化膜具有良好的抗氧化性,单一加入Cr的用量为: 工作温度600℃,需5%Cr; 工作温度800℃,需12%Cr; 工作温度950℃,需20%Cr; 工作温度1100℃,需28%Cr; 复合加入Si、Al,可↓Cr量,↑热强性。如复合加入CrSi、CrAl、CrSiAl。 Si:常用量2-3%,多了将增加脆性。 Al:6%Al有18%Cr钢的抗氧化水平,不单独加入(因为含Al钢脆性大,难加工)
耐热钢中所用的其余合金元素无抗氧化作用,但有其他的作用,如: Ni、Mn:奥氏体形成元素,加入耐热钢中是为了获得奥氏体基体,改善工艺性能。 合金化原理5 耐热钢中所用的其余合金元素无抗氧化作用,但有其他的作用,如: Ni、Mn:奥氏体形成元素,加入耐热钢中是为了获得奥氏体基体,改善工艺性能。 La系稀土:有利于提高抗氧化性,因为它们能提高膜与基体的结合力。 碳:能与铬形成碳化物,将降低有效的Cr含量,有有害作用,其含量应控制在0.1%-0.2%范围内。
4、钢的热强性能(高温机械性能) 金属在高温下长时间承受载荷时的表现: 在远低于抗拉强度的应力作用下会产生破断; 在工作应力远低于屈服应力的情况下,会连续地、缓慢地发生塑性变形。 高温下,金属的强度与温度和时间有关。 (1)温度和时间对机械性能的影响 短时加载:随温度↑,钢的强度、硬度↓,塑性↑; 长时间加载:钢的高温强度不断地↓,塑性也↓,而且温度越高,降低愈多。
20号钢高温时的力学性能 40钢强度随温度和时间的变化
(2)温度和时间对断裂形式的影响 等强温度:晶内和晶界强度相等的温度。 工作温度>等强温度:断裂形式将由穿晶断裂→晶间断裂,即:由韧性断裂→脆性断裂。 晶粒晶界等强温度示意图 σb—短时试验晶内强度; σb’ —短时试验晶界强度; σr—长时试验晶内强度; σr’ —长时试验晶界强度; 长时等强温度低于短时等强温度 t1<t2
(3)常用热强性能指标 蠕变极限:在规定时间内到达规定变形量时,所能承受的应力。 持久强度:在规定时间内材料断裂所能承受的最大应力。 两者的区别: 蠕变极限表征材料高温下对塑性变形的抗力,与常温下的σs相似; 持久强度征材料高温下对破断的抗力,与常温下的σb相似。 持久寿命:在某一温度和规定应力作用下,从开始到拉断的时间。 应力松驰:高温下总变形不变,但零件中的应力随时间的增长而自发下降的现象。
5、提高热强性的途径 (1)基体的固溶强化 基体的熔点高,自扩散激活能大,层错能低,耐热性提高。 基体的强度取决于原子结合力的大小,高温时,奥氏体钢比铁素体钢热强性高。 加入合金元素形成单相固溶体,可↑基体金属的热强性; 溶质原子与基体原子的半径差越大,熔点越高,增强基体热强性越显著。 Cr、Mo、W、Nb 都有固溶强化作用,并能降低基体的层错能。 加入原则:少量多元。
(2)晶界强化 净化晶界:加入B、稀土等与晶界偏聚的S、P等形成高熔点化合物。 减少晶界:控制晶粒度在2-4级,过粗,则脆性增大。 填充晶界上的空位:加入B、Ti、Zr填充晶界空位,降低晶界扩散,提高蠕变抗力, 晶界的沉淀强化:在晶界上沉淀出不连续的强化相,可提高热强性。
(3)弥散相(第二相)强化 时效析出弥散强化相,主要有两类: 难熔合金的碳化物:如MC、M6C碳化物等; 热稳定性更高的金属间化合物,如Ni3Ti、Ni3Al、Ni3(Ti、Al)等。 它们稳定,不易聚集长大,高温下能长期保持细小均匀的弥漫状态。 加入难熔弥散相。 实际应用时,一般都综合采用以上方法 。
7.1.2 抗氧化钢(热稳定性钢) 1、铁素体型 在铁素体型不锈钢基础上进行抗氧化合金化而形成的钢种。具有单相铁素体基体,表面容易获得连续的保护性氧化膜。 铁素体型抗氧化钢的牌号及化学成分(摘自GB/T1221-1992) 序号 牌号 化学成分(质量分数)% C Si Mn P S Cr N 其他 21 2Cr25N ≤0.20 ≤1.00 ≤1.50 ≤0.040 ≤0.030 23.00~27.00 ≤0.25 22 0Cr13Al ≤0.08 11.50~14.50 - Al0.10~0.30 23 00Cr12 11.00~13.00 24 1Cr17 ≤0.12 ≤0.75 16.00~18.00 铁素体型抗氧化钢的钢种主要有3种类型,随铬含量的提高,钢种的使用温度也相应提高。 Cr13型(0Cr13Al、00Cr12):使用温度为800-850℃; Cr18型(1Cr17):使用温度为850-900℃; Cr25型(2Cr25N):使用温度为900-1100℃ 。
性能特点:无相变,有晶粒长大倾向,韧性较低,但抗氧化性强,在含硫的气氛中有好的耐蚀性。 用途:不宜做承受冲击负荷的零件,适宜制作各种承受应力不大的炉用构件,如退火炉罩、热交换器、散热器等。 铁素体型抗氧化钢的特性和应用 牌号 特性和应用 2Cr25N 耐高温腐蚀性强,1082℃以下不产生易剥落的氧化皮,用于燃烧室。 0Cr13Al 由于冷却硬化小,作燃气轮机叶片、退火箱、淬火台架。 00Cr12 耐高温氧化,作要求焊接的部件,汽车排气阀净化装置、锅炉燃烧室、喷嘴。 1Cr17 作900℃以下耐氧化部件、散热器、炉用部件、油喷嘴。 热处理:铁素体型抗氧化钢一般在700~850℃退火后使用。
铁素体型抗氧化钢的热处理制度及力学性能(摘自GB/T1221-1992) 序号 牌号 热处理/℃ 拉伸试验 硬度试验 σ0.2/ MPa σb/ δ5/ (%) φ/ HBS 不小于 21 2Cr15N 退火780~880快冷 275 510 20 40 ≤201 22 0Cr13Al 退火780~830空冷或缓冷 177 410 60 ≥183 23 00Cr12 退火700~830空冷或缓冷 196 365 24 1Cr17 205 450 50
2、奥氏体型抗氧化钢 在奥氏体型不锈钢的基础上进一步经Si,Al抗氧化合金化形成的钢种,使用温度与Cr25型铁素体钢相当,而且比铁素体型抗氧化钢有更好的工艺性和热强性。
奥氏体型抗氧化钢的牌号及化学成分(摘自GB/T1221-1992) 序号 牌号 化学成分(质量分数)% C Si Mn P S Ni Cr N 其他 3 2Cr23Ni13 ≤0.20 ≤1.00 ≤2.00 ≤0.035 ≤0.030 12.00~15.00 22.00~24.00 - 4 2Cr25Ni20 ≤0.25 19.00~22.00 24.00~26.00 5 1Cr16Ni35 ≤0.15 ≤1.50 33.00~37.00 11.00~17.00 7 0Cr18Ni9 ≤0.07 8.00~11.00 17.00~19.00 8 0Cr23Ni13 ≤0.08 9 0Cr25Ni20 12 3Cr18Mn12Si2N 0.22~0.30 1.40~2.20 10.50~12.50 ≤0.060 0.22~0.33 13 2Cr20Mn9Ni2Si2N 0.17~0.25 1.80~2.70 8.50~11.00 2.00~3.00 18.00~21.00 0.20~0.30 18 0Cr18Ni13Si4 3.00~5.00 11.50~15.00 15.00~20.00 ① 19 1Cr20Ni14Si2 1.50~2.50 20 1Cr25Ni20Si2 24.00~27.00
奥氏体型抗氧化钢的钢种主要有3种类型: (1)Cr-Ni系 低碳Cr-Ni系:0Cr18Ni9, 0Cr23Ni13、0Cr25Ni20,抗氧化性随铬含量的增加而提高。 高碳Cr-Ni系: 2Cr23Ni13、2Cr25Ni20,使用温度与相同铬镍含量的低碳系钢相同,强度较高些。 (2)Cr-Ni-Si系 0Cr18Ni13Si:抗氧化性与0Cr25Ni20相当; 1Cr20Ni14Si2、1Cr25Ni20Si2:有较高的高温强度,适宜制作各种承受应力的各种炉用构件。 (3)Cr-Mn-Si-N系 3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N:以Mn、N部分或完全代替Ni,具有较高的高温强度和一定的抗氧化性,并且具有较好的抗硫及抗增碳性,可用作渗碳炉构件等。 2Cr20Mn9Ni2Si2N还可用于盐浴炉坩埚等。
奥氏体性抗氧化钢的特性和应用 牌号 特性和应用 2Cr23Ni13 承受980℃以下反复加热的抗氧化钢。加热炉部件,重油燃烧器。 承受1035℃以下反复加热的抗氧化钢,炉用部件、喷嘴、燃烧室。 1Cr16Ni35 抗渗碳、抗氮化性好的钢种,1035℃以下反复加热。炉用钢材、石油裂解装置。 0Cr18Ni9 通用耐氧化钢,可承受870℃以下反复加热。 0Cr23Ni13 比0Cr18Ni9耐氧化性好,可承受980℃以下反复加热。炉用材料。 0Cr25Ni20 比0Cr23Ni13抗氧化性好,可承受1035℃加热。炉用材料、汽车净化装置用材料。 3Cr18Mn12Si2N 有较高的高温强度和一定的抗氧化性,并且有较好的抗硫及抗增碳性。用于吊挂支架,渗碳炉构件、加热炉传送带、料盒、炉爪。 2Cr20Mn9Ni2N 特性和用途同3Cr18Mn12Si2N,还可用于盐浴坩埚和加热炉管道等。 0Cr18Ni13Si4 具有与0Cr25Ni20相当的抗氧化性,汽车排气净化装置用材料。 1Cr20Ni14Si2 1Cr25Ni20Si2 具有较高的高温强度及抗氧化性,对含硫气氛较敏感,在600~800℃有析出相的脆化倾向,适于制作承受应力的各种炉用构件。
热处理:在固溶处理后使用。 奥氏体型抗氧化钢的热处理制度及力学性能(摘自GB/T1221-1992) 序号 牌号 热处理/℃ 拉伸试验 硬度试验 σ0.2/ MPa σb/ δ5/ (%) φ/ HBS 不小于 3 2Cr23Ni13 固溶1030~1150快冷 205 560 45 50 ≤201 4 2Cr25Ni20 固溶1030~1180快冷 590 40 5 1Cr16Ni35 7 0Cr18Ni9 固溶1010~1150快冷 520 60 ≤187 8 0Cr23Ni13 9 0Cr25Ni20 12 3Cr18Mn12Si2N 固溶1100~1150快冷 390 680 35 ≤248 13 2Cr20Mn9Ni2Si2N 635 18 0Cr18Ni13Si4 ≤207 19 1Cr20Ni14Si2 固溶1080~1130快冷 295 20 1Cr25Ni20Si2
7.1.3、珠光体型热强钢 珠光体型热强钢:在正火状态下,显微组织由P+F所组成的一类耐热钢。 它的合金元素含量少,工艺性能好,广泛用作在600℃以下工作的动力工业和石油工业的构件。 珠光体热强钢按含碳量的高低可分为两类: (1)低碳珠光体型热强钢:主要用作锅炉管等,工作温度范围500-600℃; (2)中碳珠光体型热强钢:主要用作耐热紧固件、汽轮机转子等(包含轴、叶轮)。
高压锅炉管用珠光体型热强钢的牌号和化学成分(摘自GB5310-1995) 1、低碳珠光体型热强钢 高压锅炉管用珠光体型热强钢的牌号和化学成分(摘自GB5310-1995) 钢号 化学成分(质量分数)% C Mn Si Cr Mo V Ti B W P S 15Mo 0.12~0.20 0.40~0.80 0.17~0.37 - 0.25~0.35 ≤0.030 20Mo 0.15~0.25 0.44~0.65 12CrMo 0.08~0.15 0.40~0.70 0.40~0.55 15CrMo 0.12~0.18 0.80~1.10 12Cr2Mo ≤0.50 2.00~2.50 0.90~1.20 12Cr1MoV 0.15~0.30 12Cr2MoWVTiB 0.45~0.65 0.45~0.75 1.60~2.10 0.50~0.65 0.28~0.42 0.08~0.18 0.002~0.008 0.30~0.55 12Cr3MoVSiTiB 0.09~0.15 0.50~0.80 0.60~0.90 2.50~3.00 1.00~1.20 0.22~0.38 0.005~0.011
(1)成分特点及典型钢种: 低碳:0.08%~0.15%;原因: 使钢具有良好的加工性能(轧制、穿管、拉拔、焊接、冷弯)。 使钢基体具有大量F。F的高熔点和组织稳定性有利于耐热,也有利于表面生成Fe2O3的保护膜。 使碳化物相减少,不易产生P球化、石墨化的变化,有利于组织稳定性。 主加合金元素为Cr、Mo:主要作用是固溶强化F,↑热强性和再结晶温度,阻止P球化和石墨化。 辅加合金元素为V、Ti、W:主要作用是形成稳定碳化物,阻止Cr、Mo向碳化物中转移,保持固溶体的强化特性,同时阻止P球化和石墨化。稳定碳化物也有弥散强化作用,可↑热强性。 典型钢种:12CrMo、12Cr1MoV等,使用温度可达580℃。 12Cr2MoWVTiB、12Cr3MoVSiTiB:用微量硼强化晶界,并适当↑硅含量,↑钢的抗氧化性,使用温度可达600~620℃。
热处理:正火+高温回火 Cr、Mo、V:能显著↑钢的淬透性,并强烈推迟P转变,使钢在正火后即能得到相当数量的贝氏体组织,使钢的热强性↑,并且工艺简便,容易控制 。 正火温度: AC3+50℃(980℃~1020℃),使碳化物完全溶解并均匀分布; 回火温度:高于使用温度100-150 ℃ (720~740℃),提高使用温度下的组织稳定性。
高压锅炉管用珠光体型热强钢的热处理制度(摘自GB5310-1995) 牌号 热处理制度 15Mo 20Mo 910~940℃正火 12CrMo 900~930℃正火,670~720℃回火。保温时间:周期式炉大于2h,连续炉大于1h 15CrMo 930~960℃正火,680~720℃回火。保温时间:周期式炉大于2h,连续炉大于1h 12Cr2Mo 900~960℃正火。700~750℃回火。也可加热至900~960℃,炉冷至700℃保温1h以上,空冷 12Cr1MoV 980~1020℃正火,保温时间按壁厚每毫米1min计,但不少于20min。720~760℃回火,保温时间,周期式炉大于2h,连续炉大于1h,当壁厚大于30mm至40mm应进行强制冷却;当壁厚大于40mm,应进行调质处理,淬火温度950~990℃,回火温度720~760℃,保温时间:周期式炉大于2h 12Cr2MoWVTiB 1000~1035℃正火,保温时间:按壁厚每毫米1.5min计,但不少于20min。760~790℃回火,保温时间:周期式炉大于2h,连续炉大于1h 12Cr3MoVSiTiB 1040~1090℃正火,保温时间:按壁厚每毫米1.5min计,但不少于20min。720~770℃回火,保温时间:周期式炉大于2h,连续炉大于1h
(2)中碳珠光体型热强钢 成分及性能特点: 含碳量0.17-0.35%,较锅炉管用钢含碳量高,因而强度更高些,工艺上主要采用热锻成形。 合金化原理:与低碳珠光体型相同。 Cr、Mo、Ni为主要合金元素,固溶强化铁素体; V、Ti、Nb、W等为辅加合金元素,形成稳定碳化物; B强化晶界,以提高热强性。 用途: 高温用紧固件,汽轮机转子等。
高温紧固件及汽轮机转子用钢的牌号和化学成分(摘自DL 439-1991、JB/T 7022-95) 钢号 化学成分(质量分数)% C Mn Si Cr Mo V Ti B Ni P S 20CrMo 0.17~0.24 0.40~0.70 0.20~0.40 0.80~1.10 0.15~0.25 - ≤0.040 35CrMo 0.32~0.40 0.17~0.37 ≤0.030 25Cr2MoV 0.22~0.29 1.50~1.80 0.25~0.35 0.15~0.30 25Cr2Mo1V 0.50~0.80 2.10~2.50 0.90~1.10 0.30~0.50 20Cr1Mo1V1 0.18~0.25 0.30~0.60 1.00~1.30 0.70~1.00 ≤0.035 20Cr1Mo1VNbTiB 0.17~0.23 0.40~0.65 0.40~0.60 0.90~1.30 0.75~1.10 0.50~0.70 0.05~0.14 0.005 Nb0.11~0.22 20Cr1Mo1VTiB 0.75~1.00 0.45~0.65 0.16~0.28 20Cr12NiMoWV 0.20~0.25 0.50~1.00 ≤0.50 11.00~12.50 0.90~1.25 0.20~0.30 W0.90~1.25 ≤0.025 34CrMo1 0.30~0.38 0.70~1.20 0.40~0.55 Cu ≤0.20 ≤0.30 ≤0.020 28CrMoNiV 0.25~0.30 0.30~0.80 1.10~1.40 0.80~1.00 Al ≤0. 01 0.50~0.75 ≤0.012 30CrMoNiV 0.28~0. 34 1.00~1.20 Cu≤0.20 30Cr1Mo1V 0.27~0.34 0.20~0.35 1.05~1.35 0.21~0.29 Cu≤0.15 34CrNi3Mo 0.30~0.40 0.50~0.65 0.70~1.10 0.25~0.40 2.75~3.25 ≤0.015 ≤0.018 25CrNiMoV 0.22~0.28 0.25~0.45 0.05~0.15 1.00~1.50 30Cr2Ni4MoV ≤0.35 1.50~2.00 0.07~0.15 ≤0. 015 3.25~3.75
紧固件:在高温和压力作用下工作,应能长期保持一定预紧应力,要求钢具有高的松驰稳定性。 在珠光体Cr-Mo-V钢中,回火贝氏体组织具有高的松驰稳定性。 25Cr2Mo1V室温下的屈服极限较高,但持久塑性较低。 而20Cr1Mo1VNbTiB、20Cr1Mo1VTiB持久强度及持久塑性都高,可以使用在570℃左右工作的紧固件上。
高温紧固件材料的力学性能(摘自DL439-1991) 牌号 室温力学性能(不小于) HB 高温强度 σ0.2 MPa σb δ5 % ψ ak J/cm2 试验温度 ℃ σ10-5 σ105 20CrMo 490 637 14 40 69 197~241 470 137 255 35CrMo 686 15 45 59 217~255 450 103 - 25Cr2MoV 588 735 16 50 241~277 500 49 108 25Cr2Mo1V 550 67 162 20Cr1Mo1V1 60 248~277 20Cr1Mo1VNbTiB 834 241~285 189 214~294 20Cr1Mo1VTiB 784 255~293 570 172~212 20Cr12NiMoWV 760 930 32 277~331 ≥95 95~170
由主轴和叶轮组成的汽轮机转子,或整锻转子,承受的是巨大的复杂应力,要求: 高的沿轴向、径向均匀一致的综合机械性能; 高的热强性和持久塑性; 良好的淬透性和工艺性能。 因而含碳量较紧固件高。
汽轮机转子材料的力学性能(摘自JB/T 7022-93) 钢种 尺寸范围 mm 取样部位 σ0.2 MPa σb δ5 [δ4] % ψ AKV [AKU] J FATT50 34CrMo1 ≤250 纵向 600~750 ≥720 ≥15 ≥40 ≥47 ≤40 ≤500 570~720 ≥680 ≥11 ≥32 ≥39 28CrMoNiV ≤900 切向、纵向 550~700 700~850 ≥24 ≤85 30CrMoNiV 30Cr1Mo1V ≤1200 590~690 ≥8 ≤116 心部纵向 550 ≥690 ≥7 34CrNi3Mo ≥820 ≥14 ≤20 切向 670~820 ≥780 25CrNiMoV ≤1000 ≥500 ≥650 4≥80 ≥620 30Cr2Ni4MoV ≥760 860~970 ≥16 ≥45 ≥41 ≤13 ≥725 ≥825 ≥34
热处理特点 25Cr2Mo1V:二次正火+回火;第一次正火温度较高(1030-1050℃),使碳化物溶解较完全,以提高抗松弛能力,第二次正火温度较低(950~970℃),使晶粒度细些,以改善缺口敏感性。 热处理后的组织:F+P+B。 其松弛稳定性较淬火+回火后高,是因为正火获得了部分贝氏体组织。 35CrMoV、34CrNi3Mo:淬火+高温回火; 热处理后的组织:回火S。
紧固件及汽轮机转子的热处理工艺 钢种 热处理工艺 20CrMo 880~900℃水或油冷,580~600℃回火 35CrMo 850~870℃油或水冷,540~620℃回火 25Cr2MoV 920~940℃油冷,640~690℃回火 25Cr2Mo1V (1) 1030~1050℃空冷,950~970℃空冷,680℃回火6h后空冷 (2) 950~980℃空冷,680℃6h回火 20Cr1Mo1V1 1000℃淬火,700℃回火 20Cr1Mo1VNbTiB 1020~1040℃油冷,700~720℃回火6h后空冷 20Cr1Mo1VTiB 1030~1050℃油冷,700℃回火6h 20Cr12NiMoWV 980℃油冷,680℃回火 34CrMo1 28CrMoNiV 30CrMoNiV 30Cr1Mo1V 34CrNi3Mo 25CrNiMoV 30Cr2Ni4MoV
7.1.4、马氏体型热强钢 马氏体型热强钢的牌号与成分。 马氏体型热强钢的特性和应用。 马氏体型热强钢主要有两类: Cr12型钢:主要用作汽轮机叶片用钢; 铬硅型钢:主要用作排气阀钢。
马氏体型热强钢的牌号和化学成分(摘自GB/T1221-1992) 序号 牌号 化学成分(质量分数)% C Si Mn Ni Cr Mo V N 其他 25 1Cr5Mo ≤0.15 ≤0.50 ≤0.60 4.00~6.00 0.45~0.60 - 26 4Cr9Si2 0.35~0.50 2.00~3.00 ≤0.70 8.00~10.00 27 4Cr10Si2Mo 0.35~0.45 1.90~2.60 9.00~10.50 0.70~0.90 28 8Cr20Si2Ni 0.75~0.85 1.75~2.25 0.20~0.60 1.15~1.65 19.00~20.50 29 1Cr11MoV 0.11~0.18 10.00~11.50 0.50~0.70 0.25~0.40 30 1Cr12Mo 0.10~0.15 0.30~0.50 11.50~13.00 0.30~0.60 31 2Cr12MoVNbN 0.15~0.20 0.50~1.00 10.00~13.00 0.30~0.90 0.10~0.40 0.05~0.10 Nb0.20~0.60 32 1Cr12WMoV 0.12~0.18 0.50~0.90 0.40~0.80 11.00~13.00 0.18~0.30 W0.70~1.10 33 2Cr12NiMoWV 0.20~0.25 0.75~1.25 0.20~0.40 W0.70~1.25 34 1Cr13 ≤1.00 11.50~13.50 35 1Cr13Mo 0.08~0.18 11.50~14.00 36 2Cr13 0.16~0.25 12.00~14.00 37 1Cr17Ni2 0.11~0.17 ≤0.80 1.50~2.50 16.00~18.00 38 1Cr11Ni2W2MoV 0.10~0.16 1.40~1.80 10.50~12.00 W1.50~2.00
马氏体型热强钢的特性和应用 牌号 特性和应用 1Cr5Mo 能抗石油裂化过程中产生的腐蚀。作再热蒸气管、石油裂解管、锅炉低吊架、汽轮机气缸衬套、泵的零件、阀、活塞杆、高压加氢设备部件、紧固件。 4Cr9Si2 有较高的热强性,作内燃机进气阀、轻负荷发动机的排气阀。 4Cr10Si2Mo 8Cr20Si2Ni 作耐磨性为主的吸气、排气阀、阀座。 1Cr11MoV 有较高的热强性,良好的减振性及组织稳定性,用于蜗轮机叶片及导向叶片。 1Cr12Mo 作汽轮机叶片。 2Cr12MoVNbN 作汽轮机叶片、盘、叶轮轴、螺栓。 1Cr12WMoV 有较高的热强性、良好的减振性及组织稳定性。用于蜗轮机叶片、紧固件、转子及轮盘。 2Cr12NiMoWV 作高温结构部件,汽轮机叶片、叶轮、螺栓。 1Cr13 作800℃以下耐氧化用部件。 1Cr13Mo 作汽轮机叶片、高温、高压蒸气用机械部件。 2Cr13 淬火状态下硬度高,耐蚀性良好,汽轮机叶片。 1Cr17Ni2 作具有较高程度的耐硝酸及有机酸腐蚀的零件、容器和设备。 1Cr11Ni2W2MoV 具有良好韧性和抗氧化性能,在淡水和湿空气中有较好的耐蚀性。
1、叶片用钢 (1)成分特点及典型钢种 Cr12型叶片用钢:在Cr13型不锈钢基础上进一步合金化,↑了热强性的钢种。 成分特点: 主加合金元素Cr、Mo:Cr、Mo主要溶入固溶体中,以↑固溶强化效果来提高热强性。 加入V、W、Nb:优先与碳形成碳化物,有利于Cr、Mo溶入固溶体,同时有析出强化效应,进一步↑热强性和使用温度。 典型钢种:1Cr11MoV,1Cr12WMoV等。
(2)叶片热处理 工作温度:450~620℃; 使用状态:调质态下使用。 回火温度:需高于工作温度。 例如:1Cr11MoV 淬火温度:1050℃~1100℃; 这类钢的淬透性很强,淬火空冷可得马氏体。 回火温度:720~740℃。 回火组织:回火T+回火S。
2、气阀钢 内燃机进气阀的工作温度:300~400℃,受力和抗腐蚀要求不高,一般采用40Cr等即可。 而排气阀阀端处在燃烧室中,工作温度600~800℃,最高850℃,且要求抗燃气中的PbO、V2O5、Na2O、SO2等的腐蚀。阀门的高速运动和频繁的起动,还使阀门受到机械疲劳和热疲劳,阀门对冲刷的燃气和阀门座的相对运动,还使阀门受冲刷腐蚀磨损以及摩擦磨损。 阀门钢的性能要求: 高的热强性、硬度、韧性; 高温下的抗氧化性、耐腐蚀性; 高温下的组织稳定性和良好的工艺性等。
(1)成分特点及典型钢种 (2)热处理 中碳:含碳量0.40%左右,以↑综合力学性能和耐磨性; Cr、Si复合合金化:以↑抗氧化、抗热疲劳及回火稳定性; 加入Mo:以减轻回火脆性,↑热强性。 典型钢种:4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。 (2)热处理 淬火+高温回火 4Cr9Si2:1020-1040 ℃油淬,组织:M+K;700~780℃回火,油冷,组织:回火S+K,用于工作温度<700℃的排气阀。 4Cr10Si2Mo:1010-1040 ℃油淬,组织:M+K;720~760℃回火,空冷,组织:回火S+K,用于工作温度<750℃的排气阀。 工作温度>750℃的排气阀,则要采 用奥氏体型热强钢。
7.1.5、奥氏体型热强钢 工作温度:600~800℃,>P型及M型热强钢。 主要原因:γ- Fe的原子结合力较α- Fe大,合金元素在γ- Fe中的扩散系数小,γ- Fe的再结晶温度约800℃,也高于α- Fe 450℃~600℃的再结晶温度。 特性:A型钢的塑、韧性好,焊接性及冷加工等工艺性能也好于P型及M型热强钢。 虽然A型钢的切削加工性较差,但由于热强性的优点,A型钢仍得到充分的发展和广泛的应用。 分类:根据热强钢合金化原理,奥氏体热强钢有固溶强化型、碳化物强化型、金属间化合物强化型 。
1、固溶强化型 (1)成分特点及典型钢种 (2)热处理 (3)用途 基本成分:18-8奥氏体不锈钢基体成分; 加Mo、Nb、Ti:↑固溶体的原子间结合力,强化固溶体。Nb、Ti可形成部分NbC、TiC,强化晶界。 Mo、Nb、Ti等是铁素体形成元素,需↑Ni含量,以保持A基体。 典型钢种:0Cr18Ni11Nb等。 (2)热处理 因是固溶强化型,这类钢一般经固溶处理后使用。 (3)用途 喷气发动机排气管或燃烧室中的构件等。
2、碳化物强化型 (1)成分特点及典型钢种 成分特点:高Cr、Ni配合,形成奥氏体基体,配以较高的含碳量,含碳量可高达0.50%,同时加入W、Mo以形成碳化物强化相。Mn、N代替Ni获得A,即可节约Ni,也可进一步↑强度。 典型钢种:4Cr14Ni14W2Mo、5Cr21Mn9Ni4N等。 (2)热处理 1150℃~1200℃固溶处理后,得到A, 650℃~750℃时效处理,析出细小K,以获得沉淀强化效果。 工作温度:低于时效温度30~50 ℃下工作。
3、金属间化合物强化型(铁基高温合金) (1)成分特点及典型钢种 含碳量很低,低于0.08%,所以又称为铁基高温合金; Ni含量高,约25%,以形成A,还有一部分形成金属间化合物; 含Al、Ti,与Ni形成金属间化合物强化相γ‘-Ni3(Al、Ti); Mo能溶于奥氏体,产生固溶强化效应; V和B能强化晶界,B还可使晶界的网状沉淀相变为断续沉淀相,提高合金的持久塑性。 典型钢种:0Cr15Ni25Ti2MoAlVB等。 GH132: 0Cr15Ni26MoTi2AlVB
(2)热处理 固溶+时效处理后使用,而且时效时间很长,要16小时。 组织:γ‘-Ni3(Al、Ti)以极细小颗粒状分布于A基体上。 0Cr15Ni25Ti2MoAlVB经热处理后抗拉强度可达900MPa。 A型热强钢使用温度:只能达到750~800℃,对于更高温度下使用的构件,则需采用Ni基高温合金等材料。
奥氏体热强钢的牌号和化学成分(摘自GB/T1221-1992) 类型 序号 牌号 化学成分(质量分数)% C Si Mn P S Ni Cr Mo V N 其他 固溶强化 10 0Cr17Ni12Mo2 ≤0.08 ≤1.00 ≤2.00 ≤0.035 ≤0.030 10.00~14.00 16.00~18.00 2.00~3.00 - 14 0Cr19Ni13Mo3 11.00~15.00 18.00~20.00 3.00~4.00 15 1Cr18Ni9Ti ≤0.12 8.00~11.00 17.00~19.00 Ti5×(C%- 0.02) -0.08 16 0Cr18Ni10Ti 9.00~12.00 Ti≥5×C% 17 0Cr18Ni11Nb 9.00~13.00 Nb≥10×C% 碳化物强化 1 5Cr21Mn9Ni4N 0.48~0.58 ≤0.35 8.00~10.00 ≤0.040 3.25~4.50 20.00~22.00 0.35~0.50 2 2Cr21Ni12N 0.15~0.28 0.75~1.25 1.00~1.60 10.50~12.50 0.15~0.30 11 4Cr14Ni14W2Mo 0.40~0.50 ≤0.80 ≤0.70 13.00~15.00 0.25~0.40 W2.00~2.75 金属间化合物强化 6 0Cr15Ni25Ti2MoAlVB 24.00~27.00 13.50~16.00 1.00~1.50 0.10~0.50- Ti1.90~2.35 Al<0.35 B0.001~0.010
以要求高温强度为主的汽油及柴油机用排气阀。 2Cr21Ni12N 以抗氧化为主的汽油及柴油机用排气阀。 奥氏体型热强钢的特性和应用 牌号 特性和应用 5Cr21Mn9Ni4N 以要求高温强度为主的汽油及柴油机用排气阀。 2Cr21Ni12N 以抗氧化为主的汽油及柴油机用排气阀。 0Cr15Ni25Ti2MoAlVB 到700℃高温的汽轮机转子,螺栓叶片、轴。 0Cr17Ni12Mo2 高温具有优良的蠕变强度,作热交换用部件,高温腐蚀螺栓。 4Cr14Ni14W2Mo 有较高的热强性,用于内燃机重负荷排气阀。 0Cr19Ni13Mo3 高温具有良好的蠕变强度,作热交换用部件。 1Cr18Ni9Ti 有良好的耐热性及抗腐蚀性,作加热炉管、燃烧室筒体、退火炉罩。 0Cr18Ni10Ti 作为400~900℃腐蚀条件下使用的部件,高温用焊接结构部件。 0Cr18Ni11Nb
奥氏体型热强钢的热处理制度及力学性能(摘自GB/T1221-1992) 序号 牌号 热处理/℃ 拉伸试验 硬度试验 σ0.2/ MPa σb/ δ5/ (%) φ/ HBS 不小于 1 5Cr21Mn9Ni4N 固溶1100~1200快冷,时效730~780空冷 560 885 8 - ≥302 2 2Cr21Ni12N 固溶1050~1150快冷,时效750~880空冷 430 820 26 20 ≤269 6 0Cr15Ni25Ti2MoAlVB 固溶885~915或965~995快冷,时效700~760,16h空冷或缓冷 590 900 15 18 ≥248 10 0Cr17Ni12Mo2 固溶1010~1150快冷 205 520 40 60 ≤187 11 4Cr14Ni14W2Mo 退火820~850快冷 315 705 35 ≤248 14 0Cr19Ni13Mo3 540 1Cr18Ni9Ti 固溶920~1150快冷 50 16 0Cr18Ni9Ti 17 0Cr18Ni11Nb 固溶980~1150快冷
7.2 镍基高温合金 Fe基高温合金的使用温度: 750~800℃; 形变Ni基高温合金的使用温度: 950℃; 7.2 镍基高温合金 Fe基高温合金的使用温度: 750~800℃; 形变Ni基高温合金的使用温度: 950℃; 铸造Ni基高温合金的使用温度: 1050℃。 σ100 =200MPa: GH132可到750 ℃, GH49可到950℃ 800℃下: GH132有σ100 =100MPa GH49有σ100 =380MPa 典型镍基、铁基耐热合金的持久强度
7.2.1 纯镍 晶体结构:面心立方,无同素异构转变。 熔点:1455℃; 密度:8.902g/cm3。 7.2.1 纯镍 晶体结构:面心立方,无同素异构转变。 熔点:1455℃; 密度:8.902g/cm3。 力学性能: σb =317MPa, σ0.2=59MPa,δ=30%,HBS=60~80。 一般特性:优良的抗腐蚀性能,良好的电真空性能,具有铁磁性。 耐热性能:金属键强,蠕变起始温度高,常温下,氧化膜致密,有保护性;800℃下不会发生强烈氧化。 用途:高温合金、耐蚀合金、高电阻合金、电真空合金等。
7.2.2 镍基高温合金的成分及合金化 成分:Ni80Cr20基础上,加W、Mo、Ti、Al、Nb、Co、Ta等。 7.2.2 镍基高温合金的成分及合金化 成分:Ni80Cr20基础上,加W、Mo、Ti、Al、Nb、Co、Ta等。 合金化原理:与Fe基高温合金相同。 Mo、 W、 Cr、Co:固溶强化基体; Cr:↑抗氧化性。 Ti、Al、Nb、 Ta:形成金属间化合物 γ ’ -Ni3(Al、Ti)等。 B、Zr、Ce:强化晶界。
组织:Ni的γ相基体+ γ’-Ni3(Al、Ti)强化相。
热处理 固溶+时效 GH33: 一次固溶,M7C3来不及析出,时效时在晶界大量析出,呈网状,使合金变脆。 二次固溶:1200~1250℃保温2h(碳化物全部溶解),再炉冷到碳化物溶解温度限(1150℃)以下1000℃保温16h,700℃时效16h,碳化物在晶界呈断续链状,能阻碍晶界的滑动,↑持久寿命和塑性。
耐火钢 耐热钢: 高温长时间工作。 高合金钢、价贵、用量少。 耐火钢: 高温短时间工作。 低合金钢、价廉、用量大。 耐火钢、普通钢的强度和温度的关系
耐火钢的具体技术要求如下: (1)良好的高温强度:(600℃) σs≥ (2/3)σs (室温); (2)满足普通建筑用钢的标准要求,室温力学性能等同或优于普通建筑用钢; (3)高的抗震性能,屈强比YR(σs/σb) ≤ 0.80; (4)良好的焊接性能。
耐火钢的概念是80年代末由日本提出的,日本研究者通过在钢中添加微量的Cr、Mo、Nb等合金元素开发出了耐火温度为600℃的建筑用耐火钢,该钢在600℃时的高温屈服强度保持在室温值的2/3以上。 新日铁钢铁公司还在耐火钢材的基础上,采取添加Cu、Ni元素的方法,研制兼有耐火性能和耐候性能的钢材。 欧洲的Creusot-Loire钢厂完成了能保障900~1000℃高温性能的含Mo耐火钢的研究,但由于成本过高而未能推广应用。 目前,日本耐火钢已能批量生产,有资料报道新日铁自1989年至今已生产耐火钢20万吨,其中包括耐火H型钢、板材、带钢、钢管等产品,目前年产量是4万吨左右。
鞍钢开发的耐火钢实际成分及性能 C Si Mn P S Cr Mo Nb V Ceq 0.095 0.30 0.78 0.008 0.004 1 0.095 0.30 0.78 0.008 0.004 0.058 0.40 \ 0.32 2 0.06 0.25 0.48 0.005 0.003 0.38 0.24 0.033 0.26 3 0.08 0.22 0.86 0.01 0.47 0.022 0.02 4 0.052 0.15 0.82 0.015 0.51 0.035 0.36 5 0.045 0.93 0.021 0.011 0.53 0.34 6 0.066 1.05 0.007 0.49 0.43 σs Mpa σb Mpa σs/σb δ5(%) σb (600℃)Mpa 20℃ Akv (J) 状态 270 390 0.6923 34 176 82,86 热轧 325 415 0.7831 39 173 100,106 430 550 26 260 270,,262 430-455 545-555 0.789-0.82 24-26 345-350 100,107 热轧+控冷 370-375 535-570 0.658-0.69 26-31 255-275 34,53 325-370 530-565 0.6132-0.65 12-33 255 82,88
(1)建筑用耐火钢应当在保证600℃的高温强度的同时也要考虑焊接性和工艺成本; (2)Ti形成高温下稳定的氮化物,可以抑制奥氏体晶粒的长大,由于形成TiN而消除了钢中的自由氮,对钢的韧性是有益的;V几乎在奥氏体中不形成析出物,在/转变过程中或之后大量析出物产生析出强化,改善钢的强韧性能; (3)Mo和Cr是有效提高耐火钢的高温强度的元素,而 Nb和 Mo组合效果更明显; (4)Nb是最有效的细化晶粒微合金化元素,它可以在热轧时的奥氏体变形过程中推迟再结晶而产生晶粒细化; (5)低碳贝氏体相可提供良好的综合机械性能; (6)控制轧制工艺是一项节约合金、简化工序、节约能源消耗的先进轧钢技术,作为一种有效的形变热处理手段可以使耐火钢的综合性能大大提高。
7.3 低温用结构材料 7.3.1 低温用钢 目前由于能源结构的变化,液化天然气、液化石油气、液氧(-183℃)、液氢(-252.8℃)、液氮(-195.8℃)和液体二氧化碳(-78.5℃)等液化气体被普遍使用,生产、贮存、运输和使用这些液化气的装备和容器都需要在低温下工作。 另外,寒冷地区的工程装备及其构件常常使用在低温环境中。 低温材料:用于0℃以下的材料。 低温金属材料普遍使用低合金钢、镍钢和铬镍奥氏体钢,还有使用钛合金、铝合金等有色金属。
低温用钢的失效方式:主要为脆断,引起断裂的应力<σs,而且速度极快。 力学性能要求:低温韧性,屈强比(σs/σb的值越接近1,低温脆性越大)。 影响低温韧性的主要因素: ①晶体结构: BCC的F低温韧性差,HCP次之,FCC的A低温韧性最好。 ②化学成分: 钢中碳含量↑,使低温韧性↓;锰含量↑可↓韧脆转变温度;镍是降低钢在低温下变脆的最有效的合金元素,镍含量每↑1%,韧脆转变温度约↓10℃。硅、铝、钒、钛、铌等元素也有↓韧脆转变温度的作用。 ③晶粒尺寸: 细晶粒不但使钢有较高的断裂强度,而且使韧脆转变温度降低。 ④热处理与显微组织: 当钢的化学成分相同时,钢分别经调质处理、正火处理、退火处理后的低温韧性依次变差。当钢中的析出相弥散分布,且尺寸很小时,可能使基体塑性提高,低温脆性变小。
工作温度在-20℃~-269℃之间的低温用钢大致可分为以下几类。 (1)低合金低温用钢 这类钢以锰作为主加元素,用以改善钢的低温韧性,常用的钢种有16MnDR、15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNiDR(GB3531-1996《低温压力容器用低合金钢板》等。 在-40℃低温下使用的钢板16MnDR中,磷的含量P≤0.0030%,S的含量S≤0.0250%,比Q345钢低,所以低温冲击韧性较Q345优良。 09Mn2VDR钢由于含有V,得到的组织是细小的铁素体和少量珠光体,塑性好,与低碳钢的加工工艺性相近,在-70℃低温下使用的09Mn2VDR钢板及09Mn2VDR钢管和锻钢有良好的低温韧性。
(2)镍钢 低温用镍钢中镍的含量通常有三种:2.25%、3.5%、9.0%。 2.25%镍钢:是在-60℃时使用的最经济的钢种,其正火组织是珠光体+铁素体组织,与同样碳含量的低碳钢相比,珠光体的量增多,晶粒变细,因而低温韧性优于低碳钢。 3.5%镍钢:是在-100℃时使用的标准钢种。这种钢常用作低温热交换器的钢管。它正火时的加热温度是870℃,正火后在低于640℃的温度下进行回火,以消除内应力,改善低温韧性。 9.0%镍钢:可在-200℃的低温使用。由于其共析转变温度降低(约为550℃),正火后的回火过程中会出现奥氏体,而碳化物易于溶进奥氏体,使奥氏体含碳量增加,致使马氏体转变温度Ms和Mf更低。所以这种奥氏体在低温时极为稳定而不易发生相变,钢的低温韧性显著提高。
(3)高锰奥氏体钢 在高锰钢的基础上降低碳含量,增加锰含量,再加入形成和强化奥氏体的元素而形成的钢种。目前常用的有20Mn23Al和15Mn26Al4,可分别在-196℃和-253℃下使用。这两种钢都是单相的Fe-Mn-Al奥氏体钢,不仅在低温下具有良好的塑性和韧性,而且加工工艺性比较好。 (4)铬镍奥氏体不锈钢 在-200℃使用的低温用钢,常用0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti。 奥氏体不锈钢在低温下长期使用,会发生奥氏体向马氏体的转变,但有资料表明,即使发生大量相变,钢的塑性和韧性仍较好。 奥氏体不锈钢在液氢温度下能阻止应力集中部位的破裂,因此在深冷条件下被广泛采用。
7.3.2 低温用钛合金 钛合金的强度随温度降低而提高,同时又能保持满意的塑性,并且钛合金在低温下的缺口敏感性小,能保持高韧性,使钛合金可用作低温和超低温工作的结构材料。此外,钛合金的导热性低,膨胀系数小,适宜制造火箭、导弹的燃料储箱和管道结构件。 但不能用钛合金制造盛氧的容器,因为钛与液氧、高压气态氧接触时,可能发生激烈的反应,引起燃烧和爆炸。 用作低温构件的钛合金中氧、氮、碳等间隙元素含量要力求愈低愈好。 低氧的TA7、TC4可作专用的低温钛合金。 TA7(低氧):使用温度可达-253℃,用于制作宇宙飞船中的液氢容器等。 TC4(低氧):使用温度低至-196℃,可用于制作低温高压容器,如导弹储氦气的球状高压容器。