第6章耐热钢-2014.ppt

1、第六章 耐热钢,热强性 抗氧化性能 强化方式 热强钢 抗氧化钢 其它耐热合金(简介),高温 常温工作零件的根本不同在哪？ 原子扩散如何提高晶界强度？ 如何提高热强性？ 组织转变如何保持热强性？ 如何保持组织稳定性？,6.1 耐热钢工作条件及性能,最基本的要求： 高的高温强度、高温疲劳强度及塑性热强钢 高的高温化学稳定性（特别是抗氧化性能）热稳定钢(抗氧化钢） 良好的工艺性能及物理性能。,工作条件 蒸汽锅炉、蒸汽涡轮，航空工业的喷气发动机等许多工作部件在高温下工作。不仅要承力，还与高温蒸气、燃气、空气等接触，发生氧化与气体腐蚀。通常把在高温条件工作的钢称为耐热钢。,耐热钢的高温性能指标,1. 蠕

2、变及蠕变强度 蠕变：钢和合金在温度和应力作用下将发生连续而缓慢的变形。 蠕变强度：它表示在某温度下，在规定时间达到规定变形（如0.1%）时所能承受的应力。 可用 0.1/10000700 来表示。 主要针对使用过程中不允许有稍大变形的尺寸精确的零件，如高温高压下工作的钢管、蒸汽涡轮叶片。,2. 持久强度与持久塑性,持久强度 在规定温度和规定时间引起断裂所能承受的最大应力值。 通常在设计使用时间不太长（100-几千小时）就可以更换的零件或不要求尺寸精确，但不允许断裂的长期工作零件。 塑性 反映钢材在高温长期应力下断裂时的塑性。 许多钢种在短时试验时其塑性可能很高，但经高温长期试验后钢的塑性有急剧

3、下降趋势，呈现出蠕变脆性。,3. 持久寿命 它表示在规定温度和规定应力作用下拉断的时间。 4. 应力松弛 高温下工作的紧固件，在力的作用方向和零件尺寸不改变的条件下，工作零件中应力自发降低的过程称为应力松弛现象。高温下工作的紧固件要求有低的应力松弛性能。 5. 高温疲劳强度 6. 热疲劳,热强性如何提高？ 提高基体原子间结合力 金属熔点：高 晶格类型：奥氏体 合金元素：固溶 增强组织结构的抗蠕变能力 回火马氏体蠕变极限最高 铁素体和珠光体组织持久塑性高,耐热钢的强化 固溶强化（Mo, W, Cr为主）,合金晶格类型：fcc-Fe bcc-Fe, 奥氏体型钢要 比F、M、P型钢的蠕变抗力高。,固

4、溶体结合力：合金化固溶体原子间结合 力，Mo、W、Cr比Mn、Si 、 Ni作用较大。,常用合金元素对工业纯铁蠕变极限的影响,晶界强化 纯化、净化晶界（B，Re, Ca ）; 填充晶界空位，阻碍扩散（B，Ce）； 晶界沉淀强化（B）。,净化晶界：杂质易偏聚在晶界，形成易熔夹杂物 晶界强度。Re、B 优先结合杂质，形成 高熔点化合物，异质晶核从晶界转入晶内,填充空位：晶界上空位多，原子易快速扩散。B 易偏聚晶界，晶界空位。,沉淀强化 只有稳定的MC型碳化物或耐热的金属间化合物的沉淀强化才使 钢具有好的高温强度。 热处理强化 控制晶粒度； 改善强化相分布状态。 细晶强化 形变强化,高温化学稳定性,

5、1. Fe的氧化膜的结构 575以下，Fe2O3和Fe3O4层; 575 以上，表层Fe2O3, 中间层Fe3O4，内层FeO，约1:10:100 （氧化速度加快）。 FeO：结构疏松，结合力弱，易剥落； Fe2O3、Fe3O4：结构致密，和基体结合好。 要提高钢的抗氧化性，首先要阻止FeO出现。 加入合金元素，使FeO形成温度提高，且优先形成稳定氧化物； 形成稳定而致密氧化膜。,2. 合金元素对钢的氧化速度的影响 氧化膜的结构要求：稳定、致密、牢固（与基体结合紧密）。 加入Cr, Si, Al等， Cr、Al可单独加入，Si 只能作辅加元素 (增加钢的脆性)。 可以提高FeO出现的温度，改善

6、钢的高温化学稳定性; Cr2O3或Al2O3或SiO2；FeO-Cr2O3或FeO-Al2O3等尖晶石氧化物膜；Fe2SiO4氧化膜。,耐热钢的合金化,Cr：钢抗氧化性主要元素。形成致密而稳定的Cr2O3 T，Cr。如600650，需要5%Cr ；800时， 为12%Cr，固溶强化效果。,Mo、W：低合金热强性重要元素。 固溶强化；析出稳定相。,Al：抗氧化性的有效元素。 在1000时， 6%Al18%Cr水平。冶金工 艺性， 使钢变脆。 不能单独加入，作为辅助合金化元素。,Si：抗氧化性的辅助元素。但效果比Al还要有效，但使钢 脆性大，用Si代替部分Cr。 一般在23%Si。,Ni：获得奥氏

7、体组织（一般在奥氏体耐热钢中使用）。,Ti、Nb、V：形成稳定K，钢松弛稳定性，热强性,C：较低。一方面起强化作用，另一方面促进铁原子扩散， K聚集长 大 尽可能C。一般小于0.5%，多在小于0.2%。,耐热钢分类 F型耐热钢 350-650 包括F-P、F、M耐热钢。 奥氏体耐热钢 600-800 。 包括固溶强化、沉淀强化奥氏体耐热钢 耐热合金分类 铁基合金：750-850 Ni/Co基合金，650-1150。 Mo/Nb基合金，1000。,6.2 耐热钢钢种,（一）F-P 耐热钢 按用途主要有锅炉钢管、紧固件和转子用钢等几大类。 1、锅炉钢管常用钢种 高温和高压，高温烟气和水蒸汽,安全可

8、靠 抗氧化和耐蚀，组织稳定,工艺性能好。 12Cr1MoVG，15CrMoG, 12Cr2MoWVSiTiBG 合金元素作用： V，Ti 沉淀强化； Mo、W、Cr 固溶强化； Si和Cr 提高抗氧化性； B 强化晶界。,成分、热处理、组织 合金元素总量不超过5%。 一般采用正火或正火加高温回火：得到F+P组织；也有少量通过快冷或淬火+高温回火：得到B或M组织。 用途：多用于锅炉蒸汽管道，在450-620蒸汽介质中长期运转。 强化方法 固溶强化：以Mo, W, Cr为主要元素 碳化物沉淀强化：以V, Ti, Nb为主要元素 从提高高温强度（持久强度）： MCM2CM6CM23C6M7C3,12

9、Cr1MoVG钢为例： 980加热后 炉冷 F + P组织 持久强度最低，持久塑性最高 空冷 （粒状 B +少量 F +少量 M ）组织 高温回火 （740） 淬火 M 组织-高温回火（740） 高温回火（740）-回火T-S组织 持久强度最高，持久塑性居中 回火温度 = 使用温度 + 100150,2、紧固件用珠光体耐热钢,紧 固 件,处于初紧预应 力状态工作,高的屈服强度、 松弛稳定性， 缺口敏感性小， 一定抗氧化性。,C Cr/ Mo/ V,常用钢：35CrMoV、25Cr2MoV钢常用作中压 气轮机的 螺栓和螺母材料，25Cr2Mo1V钢 在高压电厂中 广泛使用。,3、转子用钢,主轴、

10、叶轮 或整锻转子,热强性，沿轴向、径向均匀一致 的综合力学性能淬透性。,常用钢种：汽轮机叶轮常用中碳珠光体热强钢 制造。如35Cr2MoV、33Cr3WMoV钢,过热蒸汽，复杂应 力（扭/弯/热等）,（二）马氏体耐热钢 1、叶片用钢 由低C Cr13型马氏体不锈钢转变而来，加入W, Mo, V, Nb, N, B ， Cr12型马氏体耐热钢。 可作570汽轮机叶片、转子。具有良好的消震性，但其组织稳定性差。 主要碳化物为(Cr, M)23C6，还有其它碳化物。 钢种：12Cr12Mo, 14Cr12MoV, 15Cr12WMoV。 回火T-回火S 强化相为M23C6，MC和M6C, 或Fe2W

11、 ； 组织：650-750 回火-回火T-S组织。,2、气阀钢 内燃机排气阀工作条件非常苛刻: 700850工作，受到燃气的高温腐蚀、氧化腐蚀和冲刷腐蚀磨损,热疲劳 。 常用钢号有4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo。 采用1050淬火加热、油冷，700左右回火，回火屈氏体索氏体，保持马氏体形貌特征。 高于750的阀门需要采用奥氏体型热强钢。,（三）工业炉用耐热钢（抗氧化钢） Fe-Al-Mn炉用耐热钢 +少量，工作温度900 左右。 Cr-Mn-C-N炉用耐热钢 （ 组织 ） Cr19Mn12Si2N， Cr20Mn9Ni2Si2N 可用于850-1000的工业炉用耐热件 。 高Cr-Ni奥

12、氏体炉用耐热钢 1000-1200长期工作 ，3Cr18Ni25Si2。,（四）奥氏体耐热钢 具有B.C.C的铁素体型耐热钢，在600-650温度条件下的蠕变强度明显下降。 具有F.C.C结构的奥氏体型耐热钢，在650或更高温度（750 ）下有较高的高温强度； 奥氏体型耐热钢可分为三类: 简单奥氏体耐热钢（Cr18Ni9型奥氏体不锈钢） 固溶强化型奥氏体耐热钢; 沉淀强化型奥氏体耐热钢。,1. Cr18Ni9型奥氏体不锈钢 Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢在600左右具有较高的持久强度，也可用来制作600左右工作的锅炉和汽轮机和锻件。 2. 固溶强化型奥氏体耐热钢 如12Crl4Ni9W2NbB

13、、06Cr18Ni14Mo2Nb等，以W、Mo进行固溶强化，以硼进行晶界强化。 这类钢可用来制造在600-700下工作的蒸气过热器和动力装置的管路，680以下燃气轮机动、静叶片及其他锻件。钢具有中等持久强度和高塑性。,3. 沉淀强化耐热钢,（1）碳化物沉淀强化耐热钢 这类钢的沉淀强化相为MC型碳化物，并含有W、Mo等固溶强化元素。以NbC为沉淀强化相的钢为40Cr13Ni13Co10Mo2W3Nb3。 常用的是以锰部分代镍的35Cr13Mn8Ni8MoVNb （GH2036）钢，强化相是（V，Nb）C，它以VC为主，溶有部分铌。VC析出的最高速度的温度在670-700，在此温度时效后，钢具有最

14、高的沉淀硬化。另外一种碳化物是复合的M23C6型的(Cr，Mn，Mo，Fe，V)23C6，但不能成为沉淀强化相。,（2）金属间化合物沉淀强化型耐热钢,合金元素钛和铝在奥氏体耐热钢时效过程中能析出金属化合物为主要沉淀强化相。-Ni3（Ti，Al）点阵常数与基体相近，二者仅稍有差别，当相析出时，能形成共格，产生沉淀强化。 GH2132（A-286）钢是典型的金属间化合物沉淀强化耐热钢，用来制造喷气发动机部件，有较高的高温强度，可以在650-700使用，对要求抗氧化而强度要求不高的零件，可以在850长期工作。它还具有好的热加工性和切削加工性能。,1）GH2132（A-286）钢成分 其主要成分为：

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: 主要提高钢的化学稳定性，15%左右； Mo: 主要起固溶强化作用； Ni：获得稳定奥氏体组织，形成金属间化合物沉淀强化相； Ti, Al：主要是形成-Ni3（Ti，Al），经过时效处理产生沉淀强化；,GH132钢时效沉淀相的相区与铝钛含量的关系,当Ti1.4%, 产生相。含钛高而含铝极低时，析出的相不稳定，会逐渐转变成简单六方结构-Ni3Ti（胞状沉淀）。因此Al的作用主要用来稳定含钛的相的FCC结构，保持强化作用。铝含量过高，除形成外，还出现Ni

16、2AlTi相，其稳定性差，易聚集长大，不能作为沉淀强化相。 当钛的含量增加至2.15%，产生最大的沉淀强化作用；当钛的含量过高时,易产生缺口敏感性，除加入钼改善外，还需加入V和B才能消除。 B能产生晶界强化, 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）钢的热处理 固溶处理温度为980-1000：可获得合适的晶粒度，成分均匀，具有较高的伸长率、成型性和焊接性。 时效温度为700-760，沉淀强化效果最好。以极小的球状颗粒分布在基体上，与基体共格。,（3）铁基耐热合金,用W、Mo、Ti、Al进一步强化的铁基耐热合金如GH2

17、135（Cr15Ni35W2Mo2Ti2Al2.5）等，可在700-750工作。 GH2150（Cr14Ni40W4Mo2Ti2.5Al2）等可在800工作，以取代镍基合金。 但在长时间高温作用，在晶界易析出脆性相，降低组织稳定性和造成脆化倾向。这需要从调整成分和细化晶粒来减少其析出程度。,6. 3 镍基耐热合金,一合金化原理 铁基耐热合金的最高工作温度只能达到750-850，在更高温度下使用的是镍基耐热合金。镍基合金是在Cr20Ni80基础上加入大量强化元素如钨、钼、钛、铝、铌、钴、钽等。 镍基耐热合金中采用金属间化合物作为沉淀强化相，首先采用的是-Ni3 (Ti, Al)相。 -Ni3 (

18、Ti, Al)相与镍基固溶体有相同的点阵类型和相近的点阵常数，相与基体形成共格，其相界面能低，使其在高温下长期停留时聚集长大速度小，且-Ni3(Ti, Al)相本身具有较好的塑性，故其是理想的沉淀强化相。,-Ni3(Ti,Al)相对合金的强化表现在两方面： 1）共格强化； 2）反相畴界强化。 机制 当镍基合金时效时，析出相与固溶体保持共格，相的点阵常数稍大于固溶体，形成共格界面时存在匹配度差，因而在相周围的固溶体中产生畸变应力。匹配度差越大，畸变应力也越大。这种畸变应力场阻碍位错运动，提高了屈服强度，强化了合金。,合金元素作用 W、Mo、Cr在镍基合金中能提高原子间的结合力，起固溶强化作用。 Co可溶于-Ni3(Ti,Al)中形成-(Ni，Co)3(Ti,Al)相，提高其稳定性。还可增加的含量，提高高温强度及其使用温度。 Cr的另一主要作用是提高镍基合金钢的抗氧化性。 杂质元素特别是低熔点金属，如铅、锑、锡、铋等，强烈降低晶界的强度、高温冲击韧性和高温塑性。这些杂质元素有强的晶界偏聚倾向，富集于晶界，降低了晶界原子扩散激活能，使镍基合金的持久强度强烈降低。加