高溫設(shè)備用耐熱鋼

王志江 張衛(wèi)敏 張 春

（1.中國華電科工集團(tuán)有限公司環(huán)保南京分公司 2.華東管道設(shè)計(jì)研究院 3.中石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司管道科學(xué)研究院)

高溫設(shè)備用耐熱鋼

王志江*1張衛(wèi)敏2張 春3

（1.中國華電科工集團(tuán)有限公司環(huán)保南京分公司 2.華東管道設(shè)計(jì)研究院 3.中石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司管道科學(xué)研究院)

在450～800℃溫度范圍內(nèi)，耐熱鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和耐腐蝕性能，且具有經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢，通常用作高溫設(shè)備的主體材料。闡述了耐熱鋼的強(qiáng)化機(jī)理，不同合金元素對(duì)耐熱鋼的強(qiáng)化作用和對(duì)耐熱鋼抗高溫氧化性能的影響，以及溫度對(duì)耐熱鋼疲勞性能的影響，可為高溫設(shè)備的合理選材提供一定的指導(dǎo)。

高溫設(shè)備 耐熱鋼 強(qiáng)化機(jī)理 合金元素 力學(xué)性能

高溫下工作的設(shè)備其所用材料應(yīng)具有足夠的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度。在這種情況下，材料應(yīng)以高溫強(qiáng)度作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。選用較高強(qiáng)度的材料，不僅可以提高設(shè)備抵抗外力破壞的能力，保障設(shè)備安全運(yùn)行，還可以避免因承壓殼體厚度過大給設(shè)備加工制造帶來的困難。因此，在保證設(shè)備安全的前提下，從降低制造難度和加工成本的角度考慮，高溫設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)選擇合適的材料尤為重要。

耐熱鋼和高溫合金是高溫設(shè)備制造時(shí)常用的材料。從選材的角度出發(fā)，這里的 “高溫”只是一個(gè)溫度范圍，沒有固定的界限。工程上通常將高于450℃的工作溫度劃為 “高溫”的范疇。一般在450～800℃的溫度范圍內(nèi)，耐熱鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和抗腐蝕性能，且價(jià)格低于高溫合金，故在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，通常選用耐熱鋼作為設(shè)備的主體材料[1]。合金元素的成分和含量是影響耐熱鋼高溫強(qiáng)度的主要因素。現(xiàn)就耐熱鋼的強(qiáng)化機(jī)理、合金元素的強(qiáng)化作用、合金元素對(duì)抗高溫氧化性能的影響和耐熱鋼的特點(diǎn)等幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

1 耐熱鋼的強(qiáng)化機(jī)理

高溫強(qiáng)度是耐熱鋼的主要性能指標(biāo)。耐熱鋼的強(qiáng)化機(jī)理主要有三種：固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化。

（1）固溶強(qiáng)化

固溶強(qiáng)化亦稱基體強(qiáng)化。一般以鐵素體為基體，通過加入一定量的合金元素，形成單相過飽和固溶體來達(dá)到強(qiáng)化的目的。在固溶強(qiáng)化過程中，原子間結(jié)合力的提高和晶格畸變使固溶體中的滑移變形更加困難，從而使基體得以強(qiáng)化。

（2）彌散強(qiáng)化

彌散強(qiáng)化亦稱沉淀強(qiáng)化或析出強(qiáng)化。沉淀析出相具有高度的穩(wěn)定性，能更有效地阻礙高溫下的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。耐熱鋼的沉淀強(qiáng)化主要是通過在鋼中加入適量的強(qiáng)碳化物形成元素來實(shí)現(xiàn)的。如果在鋼中加入多元合金元素，則可以得到穩(wěn)定的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的碳化物相，從而增強(qiáng)沉淀強(qiáng)化的效果。

（3）晶界強(qiáng)化

高溫形變時(shí)晶界是薄弱環(huán)節(jié)，晶界強(qiáng)度隨溫度的升高而迅速下降。因此，在耐熱鋼中應(yīng)加入能強(qiáng)化晶界的微量元素。在耐熱鋼中加入一些微量元素，可以顯著消除有害氣體和雜質(zhì)的不利影響，提高晶界的高溫強(qiáng)度，進(jìn)而改善耐熱鋼的高溫性能。

2 合金元素對(duì)耐熱鋼的強(qiáng)化作用 [2 ]

（1）鉻的作用

鉻的熔點(diǎn)高，其本身具有優(yōu)良的抗蠕變性能。在低合金鋼中加入微量的鉻元素，能顯著提高鋼材的高溫強(qiáng)度性能。在低合金鋼中，鉻經(jīng)常與鉬組合應(yīng)用，以滿足耐熱鋼的高溫性能。

（2）鉬的作用

鉬溶于α鐵素體中，能顯著提高α鐵素體的再結(jié)晶溫度，強(qiáng)化鐵素體；同時(shí)鉬能以細(xì)小碳化物的形式產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，從而提高鋼材的蠕變強(qiáng)度。

（3）釩的作用

一般情況下，釩在鋼中不會(huì)形成復(fù)雜的碳化物，經(jīng)適當(dāng)熱處理后可以生成細(xì)小的、均勻分布的碳化物顆粒，從而使鋼材得以強(qiáng)化。在Cr-Mo-V鋼中，由于釩的碳化物十分穩(wěn)定，能將碳固定而促使鉻、鉬等合金元素更多地溶入固溶體，所以間接起到了促進(jìn)固溶強(qiáng)化的作用。

（4）其他合金元素的作用

鈦元素能形成強(qiáng)碳化物和金屬間化合物。在耐熱鋼中，鈦可形成極微小的而又彌散分布的碳化物和金屬間化合物，從而提高鋼材的熱強(qiáng)性能。鎢元素不僅可以溶入固溶體形成固溶強(qiáng)化，還可以生成碳化物形成彌散強(qiáng)化。鎢元素形成碳化物的能力比鉬元素強(qiáng)，而鎢與鉬的復(fù)合作用對(duì)提高熱強(qiáng)性更為有效。鈮元素和鉭元素也具有很好的熱強(qiáng)性能。

3 合金元素對(duì)耐熱鋼抗高溫氧化性能的影響

抗高溫氧化性能也是耐熱鋼的重要性能指標(biāo)之一。有助于提高耐熱鋼抗高溫氧化性能的合金元素主要有鋁、鉻、硅和稀土元素[3]。

（1）鉻的作用

鉻是耐熱鋼中極為重要的合金元素，當(dāng)合金鋼中鉻的含量足夠高時(shí)，能夠在鋼的表面形成致密的氧化鉻 （Cr2O3）氧化膜。致密的氧化膜不僅可以阻止氧、硫、氮等腐蝕性氣體向鋼中擴(kuò)散，還能阻止鋼中金屬離子向外擴(kuò)散。

（2）鋁的作用

鋁是耐熱鋼中重要的抗氧化合金元素，且經(jīng)濟(jì)性較高。含鋁的耐熱鋼在其表面有一層氧化鋁（Al2O3）薄膜，其抗氧化能力優(yōu)于Cr2O3。

（3）硅的作用

在高溫下，硅與氧化合反應(yīng)可以在鋼材表面形成一層保護(hù)性良好的、致密的氧化硅 （SiO2）膜，從而提高耐熱鋼的抗高溫氧化性能。

（4）稀土元素的作用

稀土元素對(duì)耐熱鋼的抗氧化性能具有明顯的增強(qiáng)作用。稀土元素氧化物可增強(qiáng)氧化膜與基體金屬之間的結(jié)合力，促進(jìn)其他元素在鋼中擴(kuò)散，使合金元素在鋼的表面形成氧化膜。因此，往往在耐熱鋼中加入微量的稀土元素以提高其抗高溫氧化性能。

4 耐熱鋼的特點(diǎn)

高溫用耐熱鋼的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在下述幾個(gè)方面：高溫下的蠕變現(xiàn)象、高溫下組織結(jié)構(gòu)的變化以及高溫下力學(xué)性能的變化。

4.1 高溫下的蠕變現(xiàn)象

所謂高溫蠕變現(xiàn)象，是指金屬長時(shí)間在恒定溫度和應(yīng)力的雙重作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。一方面位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增殖引起形變和硬化；另一方面原子的擴(kuò)散和移動(dòng)產(chǎn)生回復(fù)現(xiàn)象消除形變和硬化。金屬的蠕變就是在這一交錯(cuò)過程中進(jìn)行。由于溫度的升高加速了原子的擴(kuò)散，回復(fù)過程易于進(jìn)行，且高溫下晶界的滑動(dòng)對(duì)形變的影響較大，故蠕變現(xiàn)象隨著溫度的升高而越發(fā)顯著。

4.2 高溫下組織結(jié)構(gòu)的變化

設(shè)備鋼材在高溫下長期運(yùn)行，不僅會(huì)發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象，而且其本身的組織結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化。鋼材組織的不穩(wěn)定性會(huì)引起鋼材性能退化，特別是影響高溫力學(xué)性能。常見的組織結(jié)構(gòu)變化有：滲碳體石墨化、珠光體球化、合金元素的再分配、新相的形成等。

4.3 高溫下力學(xué)性能的變化

在高溫下鋼材力學(xué)性能的變化主要體現(xiàn)在高溫硬度、高溫短時(shí)拉伸性能和高溫疲勞性能的變化。

（1）高溫硬度

硬度是指材料抵抗局部塑性變形的能力。高溫硬度是耐熱鋼重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。研究表明，鋼材的硬度隨著溫度的升高而降低。

（2）高溫短時(shí)拉伸性能

在評(píng)定高溫力學(xué)性能時(shí)，雖然主要考慮其持久強(qiáng)度極限和蠕變極限等力學(xué)指標(biāo)，但在某些特殊情況下，鋼材在高溫下的工作時(shí)間很短，蠕變現(xiàn)象和持久強(qiáng)度不起決定性作用。因此，高溫短時(shí)拉伸的力學(xué)性能數(shù)據(jù)就成為衡量鋼材短時(shí)高溫力學(xué)性能的重要指標(biāo)。高溫拉伸實(shí)驗(yàn)表明：鋼材高溫下的拉伸速率比室溫下的拉伸速率要大得多。

（3）高溫疲勞性能

高溫疲勞是指鋼材在高于再結(jié)晶溫度下所發(fā)生的疲勞現(xiàn)象。高溫疲勞與溫度和時(shí)間相關(guān)。隨著溫度的升高，材料的高溫疲勞強(qiáng)度降低；隨著時(shí)間的延長，鋼材的強(qiáng)度下降得愈明顯。

5 結(jié)束語

耐熱鋼和高溫合金是高溫設(shè)備上常用的材料。本文通過對(duì)耐熱鋼的強(qiáng)化機(jī)理、合金元素對(duì)耐熱鋼的強(qiáng)化作用和對(duì)耐熱鋼抗高溫氧化性能的影響、高溫耐熱鋼的特點(diǎn)等方面的論述，分析了不同合金元素對(duì)耐熱鋼強(qiáng)度的影響和高溫對(duì)耐熱鋼性能的影響，可為高溫設(shè)備的合理選材提供一定的指導(dǎo)。

[1]王非，林英.化工設(shè)備用鋼 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003：16-17.

[2]梁耀能.工程材料及加工工程 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：108-109.

[3]左景伊，左禹.腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995：259-263.

Heat Resistant Steel Used in High-temperature Equipment

Wang Zhijiang Zhang Weimin Zhang Chun

In the temperature range of 450～800℃,heat resistant steel has excellent comprehensive mechanical properties and corrosion resistance,and as well as economic advantage,so it is usually used as the host material of high-temperature equipment.The strengthening mechanism of heat-resistant steel,the influences of different alloying elements on heat-resistant steel strengthening and its high-temperature oxidation resistance,and the effect of temperature on the fatigue properties of heat-resistant steel are described,which can provide some guidance for rational material selection of high temperature equipment.

High-temperature equipment;Heat-resisting steel;Strengthening mechanism;Alloying element; Mechanical property

TQ 050.4+8

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.012

2016-08-26)

*王志江，男，1984年生，工程師。南京市，210013。