耐热钢基础知识总览

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1、耐热钢相关基础知识总览耐热钢相关基础知识总览耐热钢是指在高温下工作的钢材。耐热钢的发展与电站、锅炉、燃气轮机、内燃机、航空发动机等各工业部门的技术进步密切相关。由于各类机器、装置使用的温度和所承受的应力不同，以及所处环境各异，因此所采用的钢材种类也各不相同。这里所谈的温度是个相对的概念。最早在锅炉和加热炉中使用的材料是低碳钢，使用的温度一般在 200左右，压力仅为 0.8MPa。直到现在使用的锅炉用低碳钢，如 20g，使用温度也不超过 450，工作压力不超过 6MPa。随着各类动力装置的使用温度不断提高，工作压力迅速增加，现代耐热钢的使用温度已高达 700，使用的环境也变得更加复杂与苛刻。现在

2、，耐热钢的使用温度范围为 2001300，工作压力为几兆帕到几十兆帕，工作环境从单纯的氧化气氛，发展到硫化气氛、混合气氛以及熔盐和液金属等更复杂的环境。 为了适应各种工作条件不断发展的要求，耐热钢也在不断地发展。从最早期的低碳钢、低合金钢，到成分复杂的、多元合金化的高合金耐热钢。 现按珠光体型低合金热强钢、马氏体型热强钢、阀门钢、铁素体型耐热钢、奥氏体型耐热钢、等分别介绍如下。 1）珠光体型低合金热强钢 该种钢的代表：12Cr1MoV 此种钢组织稳定性较好，当温度高达 580时仍具有良好的热强性。 2）马氏体型热强钢 该种钢的代表：Cr12 型马氏体热强钢，有优良的综合力学性能、较好的热强性、

3、耐蚀性及振动衰减性，广泛用于制造汽轮机叶片而形成独特的叶片钢系列，并广泛用作气缸密封环、高温螺栓、转子和锅炉过热器、在热器管、燃气轮机涡轮盘、叶片、压缩机及航空发动机压气机叶片、轮盘、水轮机叶片及宇航导弹部件等。Cr12 型耐热钢的开发与应用已有 60 多年历史，至少已有 300 余种牌号。但其成分的差别不大，都是以 Cr12 钢为基础在添加钨、钼、钒、镍、铌、硼、氮、钛、钴等元素含量上做些变化。 3）阀门钢 阀门钢是耐热钢的一个重要分支，该种钢的代表：21Cr-9Mn-4Ni-N 钢（21-4N） ，与 21Cr-12NiN、14Cr-14Ni2W-Mox 相比，性能优越较经济，在汽油机排气

4、阀门上迅速得到广泛应用。在 21-4N 钢基础上添加硫改善切削性能形成了 21-4NS。添加铌、钼、钨和钒，提高了高温强度、疲劳强度和耐磨性，开发了 21-4WNbN，X60CrMnMoVNbN2110 钢。 4）铁素体型耐热钢 在室温和使用温度条件下这类钢的组织为铁素体。这类钢铬含量高于 12%，不含镍，只含有少量的硅、钛、钼、铍等元素。 5）奥氏体型耐热钢 该种钢的代表：18Cr-8Ni、25Cr-20Ni 及 Cr-Mn-N、Fe-Mn-Al 等钢。这类钢在高温下具有较高的热强性，及优异的抗氧化性。一般制作用于 600以上承受较高应力的部件，其抗氧化性温度可达 8501250。这类钢基本

5、上是和不锈钢同时发展起来的，有些钢同时就是优异的奥氏体型不锈钢。 我国在奥氏体型钢方面，除仿制和生产了大量国外耐热钢牌号外，多年来还开发了 Cr-Mn-N、Cr-Mn-Ni-N、Cr-Ni-N 及 Fe-Al-Mn 和Cr-Mn-Al-Si 系耐热钢。Cr18Mn12Si2N、Cr20Mn9Ni2Si2N 及 3Cr24Ni7SiNRe 列入国家标准推广应用。 铸造耐热钢在耐热钢领域中占有相当大的比重。20 世纪 7080 年代以来，由于石油化学工业的飞速发展，在大型合成氨及乙烯装置中采用了大量的高合金耐热铸钢，其使用温度可达 1150，开发了一系列 Fe-Cr-Ni 基耐热钢及耐热合金。如4

6、Cr25Ni35Co15W、4Cr25Ni35WNb、5Cr28Ni48W5 等。一些发达国家早在 20 世纪 30 年代就制定了耐热铸钢标准。1987 年，我国建立了第一个耐热铸钢国家标准。 6）沉淀硬化型耐热钢 沉淀硬化型耐热钢按其组织可分成马氏体沉淀硬化耐热钢（如 0Cr17Ni4Cu4Nb） 、 （半奥氏体-马氏体过滤型）沉淀硬化耐热钢（如0Cr17Ni7Al 和 0Cr15Ni7Mo2Al）和奥氏体沉淀硬化耐热钢（如 0Cr15Ni25Ti2MoVB）等。2、耐热钢的分类 2.1 按合金元素含量分类 a）低碳钢：在此类钢中部含或很少含有其他合金元素，其碳含量一般不超过 0.2%。 b

7、）低合金耐热钢：在此类钢中都含有一种或几种合金元素，但含量不高，一般钢中所含合金元素的总量不超过 5%，碳含量不超过0.2%. c）高合金耐热钢：在此类钢中合金元素多，合金元素含量一般在 10%以上，甚至高达 30%以上。 2.2 按钢的特性分类 a）抗氧化钢（或称耐热不起皮钢）：此类钢在高温下（一般在 5501200）具有较好的抗氧化性能及抗高温腐蚀性能，并有一定的高温强度。用于制造各类加热炉用零件和热交换器，制造热汽轮机的燃烧市、锅炉吊瓜、加热炉炉底板和辊道以及炉管等。抗氧化性能是主要指标，部件本身不承受很大压力。 b）热强钢：在高温（通常在 450900）既能承受相当的附加应力又要具有优

8、异的抗氧化、抗高温气体腐蚀能力，通常还要求承受周期性的可变赢利。通常用作汽轮机、燃气轮机的转子和叶片，锅炉的过热器、高温下工作的螺栓和弹簧、内燃机的进排气阀、石油加氢反应器等。 2.3 按钢的主要用途分类 工业炉用耐热钢：除反应堆、电站锅炉、石化工业炉外，在冶金、机械、建材、轻工等工业中，广泛用作热交换器、加热炉管、反映罐等多种炉窑中的各种耐热部件，除采用板、管、棒等耐热钢变形材外，并采用大量的耐热钢铸件。冶金厂的各种退火炉罩，可控气氛连续加热炉的马弗罐、辐射管、装料框架、链带等，多采用 310（0Cr25Ni20）或 3Cr24Ni7SiNRe、2Cr25Ni13 钢等。冶金厂连续式加热炉和

9、热处理炉中大量的炉底辊和辐射管亦采用高合金耐热钢离心铸管，常用的牌号有0Cr18Ni9、00Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni12Mo2、3Cr24Ni7SiNRe、0Cr23Ni13、1Cr20Ni14、Cr25Ni20Si2、00Cr10Ni20Mo6Cu6、4Cr25Ni35NbW、70CrMoVBRe、 4Cr28Ni48W5Si2、3Cr26Ni4MnMoRe 等。在水泥工业中，湿法水泥窑预热带中的耐热钢链条，大型水泥窑蓖冷机用的篦子板，冷却机用的物料斗等，均使用了大量的耐热钢件，如 3Cr24Ni7SiNRe、1Cr20Ni14、Cr2

10、5Ni20Si2 等。 3、耐热钢的牌号表示方法 中国耐热钢的牌号表示方法 根据我国钢铁产品表示方法国家标准（GB/T2212000）规定，产品牌号的命名采用汉语拼音字母、化学元素符号及阿拉伯数字相结合的方式表示。汉语拼音字母用于表示产品名称、用途、特性和工艺方法。 耐热钢与不锈钢的牌号表示方法相同，一般采用规定的合金元素符号和阿拉伯数字表示。通常在牌号的第一位用一位阿拉伯数字表示平均含碳量（以千分之几计） ； 当平均含碳量不小于 1.00%时，采用两位阿拉伯数字表示； 当含碳量上限不大于 0.03%时（超低碳或极低碳）以两位阿拉伯数字表示（以万分之几计） 。 当含碳量上限小于 0.1%时以“

11、0”表示含碳量； 当含碳量上限不大于 0.03%且大于 0.01%时（超低碳） ，以“00”表示含碳量； 当含碳量上限不大于 0.01%时（极低碳） ，以“01”表示含碳量。合金元素平均含量小于 1.50%时，牌号中仅标明元素符号，一般不标明含量；合金元素平均含量为 1.50%2.49%、2.50%3.49%22.50%23.49%时,相应地写成 2、323。专门用途、工艺方法或易切削的耐热钢，在牌号前面冠以专用钢、专用工艺方法或易切削钢的符号。例如：2Cr13：表示平均含碳量为 0.2%的平均含铬量为 13%的铬耐热钢； 0Cr18Ni10Ti：表示含碳量低于 0.1%但大于 0.03%的平

12、均含铬 18%、含镍 10%且含钛的低碳铬镍耐热钢；00Cr19Ni10：表示含碳量低于 0.03%的平均含铬 19%、含镍 10%的超低碳铬镍钢；01Cr19Ni11：表示含碳量低于 0.01%的平均含铬 19%、含镍 11%的极低碳铬镍钢；11Cr17：表示平均含碳量 1.10%的平均含铬量为 17%的高碳铬钢； 4Cr10Si2Mo：表示平均含碳量为 0.40%的平均含铬量为 10%、平均含硅量为 2%且含钼的铬硅钼钢。珠光体型耐热钢的钢号表示方法，与合金结构钢相同，即前两位用阿拉伯数字表示平均含碳量（以万分之几计） ，后边为元素符号和表示合金元素平均含量的百分数。耐热铸钢与一般耐热钢的

13、牌号表示方法基本相同，只是在牌号前冠以“ZG”字母（“Z”、 “G”分别为“铸”、 “钢”汉语拼音的首位字母） ，以区别于各类变形钢。例如：ZG1Cr18Ni9Ti 是和 1Cr18Ni9Ti 成分相近的耐热铸钢。4、耐热钢的基本性能 4.1 主要合金元素在耐热钢中的作用 耐热钢中常见的合金元素有铬（Cr） 、镍（Ni） 、钼（Mo） 、钨（W） 、钒（V） 、硅（Si） 、铝（Al） 、钛（Ti） 、铌（Nb） 、硼（B） 、钴（Co） 、锰（Mn） 、碳（C） 、氮（N） 、稀土（Re） 、铜（Cu） 、铁（Fe）等。磷和硫一般为有害的杂质元素。铬、铝、硅和稀土元素能提高耐热钢的抗氧化性能

14、。铬、钼、钨、钒、钛、铌、钴、硼、稀土等能提高或改善耐热钢的热强性。铁为耐热钢的基本元素。镍和锰的作用主要是获得奥氏体组织。下面分别介绍一下主要合金元素在耐热钢中的作用。 4.1.1 铬是耐热钢中抗高温氧化和抗高温腐蚀的主要元素，并能提高耐热钢的热强性。耐热钢的抗高温腐蚀性能与其含铬量有一定的关系。因此常用的耐热钢的铬含量应不低于 12%。 4.1.2 镍是耐热钢中的重要合金元素之一。为了使钢在室温下获得纯奥氏体组织，其中镍含量不低于 25%。但当钢中含有其他合金元素时，为获得纯奥氏体组织，镍含量可适当减少。例如，当钢中含碳量 0.1%含碳量为 18%时，为了获得钢的纯奥氏体组织，含镍量为 8

15、%即可，这就是典型的 18-8 型奥氏体耐热不锈钢。当钢中含有其他铁苏体形成元素时，为获得纯奥氏体组织，含镍量就要增加，如不增加镍含量，或降低镍含量，就会出现双向组织，或出现不稳定的奥氏体组织，冷加工时可能产生相变（奥氏体组织转变为马氏体组织） 。 4.1.3 钼为难熔金属，熔点高（2625） 。对提高耐热钢的热强性有较好的作用。 4.1.4 钨为难熔金属，熔点高（3380） 。加钨可提高固溶体的热强性。 4.1.5 钒为难溶金属，熔点高（1910）钒是提高铁素体型耐热钢的热强性的有效元素，钒也在奥氏体型耐热钢中获得应用，但凡含量一般在 0.3%0.5%之间。 4.1.6 硅是耐热钢中抗高温腐

16、蚀的有益元素，同时，在钢中加入硅也能改善它在室温条件下工作的性能。耐热钢中的硅含量一般不超过2%。 4.1.7 铝是耐热钢中抗氧化的重要合金元素， ，耐热钢中的铝含量一般不超过 6%。 4.1.8 钛是强碳化物形成元素之一，钼的是防止间接腐蚀。 4.1.9 铌也是强碳化物形成元素，铌的碳化物在高温下十分稳定，只比钛的碳化物略为逊色。由于铌具有良好的热强性，因此铌在体合金耐热钢和高合金耐热钢中获得了广泛的应用。高合金耐热钢中的铌含量一般为 1%2%。 4.1.10 硼与氮和氧都有很强的亲和力，钢中微量硼（0.001%）就可以成培地提高其淬透性。在珠光体耐热钢中，微量硼可以提高钢的高温强度；在奥氏体耐热钢中加入 0.025%硼可以提高其抗蠕变性能，但彭含量较高时，其作用相反。加入硼强化晶界对增强耐热钢的持久强度十分重要。硼原子主要分布在晶界上，因此硼对强化晶界起着重要的作用。 4.1.11 钴在奥氏体型耐热钢中的作用与镍的作用类似，在铬镍奥氏体型耐热钢中加钴对提高该钢的耐高温腐蚀性能是有利的。钴是一种稀有而昂贵的金属，应当节约使用。