1、Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金主要内容主要内容 第一节第一节 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 第二节第二节 马氏体型热强钢马氏体型热强钢 第三节第三节 铁素体型、奥氏体型铁素体型、奥氏体型 及沉淀硬化型耐热钢及沉淀硬化型耐热钢 第四节第四节 铁基高温合金铁基高温合金Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金基本要求基本要求： 了解耐热金属材料的工作条件及性了解耐热金属材料的工作条件及性能特点；能特点； 耐热钢及铁基高温合金的合金化及耐热钢及铁基高温合金的合金化及其热处理；其热处理； 常用耐热钢和铁基高温合金。常用耐热钢和铁基高温合金。 重点和难点重
2、点和难点：耐热钢及铁基高温：耐热钢及铁基高温合金的性能特点及合金化原理。合金的性能特点及合金化原理。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金背景背景: :耐热钢和高温合金是指在高温下耐热钢和高温合金是指在高温下工作并具有一定工作并具有一定强度强度和和抗氧化、抗氧化、耐腐蚀能力耐腐蚀能力的金属材料。的金属材料。6.0 引言引言6.0 引言引言Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金u对蒸汽轮机和锅炉来讲对蒸汽轮机和锅炉来讲：l在本世纪在本世纪3040年代蒸汽温度年代蒸汽温度不过不过400450，蒸汽压力不过，蒸汽压力不过近近100大气压；大气压；l现在蒸汽
3、温度已达现在蒸汽温度已达650，蒸汽，蒸汽压力也高达压力也高达340大气压以上，因大气压以上，因此所使用的金属材料也从低碳钢此所使用的金属材料也从低碳钢发展到复杂的各类合金钢。发展到复杂的各类合金钢。 6.0 引言引言Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金耐热钢的分类耐热钢的分类u按合金元素多少可分为两类按合金元素多少可分为两类： 一类是在低合金结构钢基础上发展一类是在低合金结构钢基础上发展起来的起来的低合金珠光体型热强钢低合金珠光体型热强钢； 另一类是在不锈钢基础上发展起来另一类是在不锈钢基础上发展起来的的高合金专用耐热钢高合金专用耐热钢。l专用耐热钢按对使用性能的要求
4、可专用耐热钢按对使用性能的要求可以分为：以分为：热强钢热强钢和和热稳定钢热稳定钢。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.0 引言引言热强钢热强钢是指在高温下有一定抗氧化是指在高温下有一定抗氧化能力并具有足够强度而不产生大量变能力并具有足够强度而不产生大量变形或断裂的钢种，如高温螺栓、涡轮形或断裂的钢种，如高温螺栓、涡轮叶片等。它们工作时要求承受较大的叶片等。它们工作时要求承受较大的载荷，失效的主要原因是高温下强度载荷，失效的主要原因是高温下强度不够。不够。热强钢广泛用于制造锅炉管道、紧固热强钢广泛用于制造锅炉管道、紧固件、汽轮机转子、叶片、排气阀等。件、汽轮机转子、叶
5、片、排气阀等。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.0 引言引言热稳定钢热稳定钢是指在高温下抗氧化或抗是指在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀而不破坏的钢种，如高温介质腐蚀而不破坏的钢种，如炉底、炉栅等。它们工作时的主要炉底、炉栅等。它们工作时的主要失效形式是高温氧化，而单位面积失效形式是高温氧化，而单位面积上承受的载荷并不大，故又称抗氧上承受的载荷并不大，故又称抗氧化钢。化钢。热稳定钢广泛用于工业炉中的构件、热稳定钢广泛用于工业炉中的构件、炉底板、马弗罐、料架、辐射管等。炉底板、马弗罐、料架、辐射管等。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.0
6、引言引言u按组织的晶体结构特征可以分按组织的晶体结构特征可以分为为： 奥氏体型奥氏体型 铁素体型铁素体型 马氏体型马氏体型 沉淀硬化型沉淀硬化型Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.0 引言引言 奥氏体型、铁素体型钢奥氏体型、铁素体型钢大都用大都用于要求于要求抗氧化性抗氧化性较高的场合；较高的场合； 马氏体型马氏体型和和沉淀硬化型钢沉淀硬化型钢则多则多用于要求用于要求高温强度高温强度较高的场合。较高的场合。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.0 引言引言 由于由于珠光体型热强钢珠光体型热强钢、马氏体型马氏体型热强钢热强钢在加热和冷却时会发生
7、相在加热和冷却时会发生相变，所以要进一步提高使用温度变，所以要进一步提高使用温度受到限制。受到限制。 更高温度下则须使用更高温度下则须使用奥氏体型热奥氏体型热强钢强钢和和高温合金高温合金。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.0 引言引言 由于由于珠光体型热强钢珠光体型热强钢、马氏体马氏体型热强钢型热强钢在中温下有较好的热在中温下有较好的热强性、热稳定性及工艺性能，强性、热稳定性及工艺性能，线膨胀系数小，含碳量也较低，线膨胀系数小，含碳量也较低，价格低廉，广泛应用于制造锅价格低廉，广泛应用于制造锅炉、汽轮机及石油提炼设备等，炉、汽轮机及石油提炼设备等，是适宜在是适宜在
8、600650以下温以下温度使用的热强钢。度使用的热强钢。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.0 引言引言 现代航空工业的发展出现了超音速现代航空工业的发展出现了超音速飞机，其发动机的工作温度高达飞机，其发动机的工作温度高达1200，从而，出现了各类镍基、，从而，出现了各类镍基、钴基合金。钴基合金。 由此可见，根据工程结构的要求不由此可见，根据工程结构的要求不同，耐热钢和高温合金的使用温度同，耐热钢和高温合金的使用温度范围是十分宽广的，从几百度到千范围是十分宽广的，从几百度到千度以上。度以上。一般来讲，耐热钢和高温一般来讲，耐热钢和高温合金工作温度是指该金属或合金的合
9、金工作温度是指该金属或合金的（0.30.5）T熔点熔点以上的温度。以上的温度。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.0 引言引言高温合金的分类高温合金的分类u按基体元素分类：按基体元素分类： 以铁为主，加入的合金元素总量以铁为主，加入的合金元素总量超过超过50的铁基合金称为的铁基合金称为铁基高铁基高温合金温合金； 类似地，以镍为主的合金称为类似地，以镍为主的合金称为镍镍基高温合金基高温合金。 以钴为主的称为以钴为主的称为钴基高温合金钴基高温合金。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.0 引言引言u按制备工艺分类按制备工艺分类 变形高温合金变形
10、高温合金l饼材、棒材、板材、环形件、管材、饼材、棒材、板材、环形件、管材、带材和丝材等；带材和丝材等； 铸造高温合金铸造高温合金l普通精密铸造合金、普通精密铸造合金、定向凝固高温定向凝固高温合金、单晶凝固高温合金合金、单晶凝固高温合金 粉末冶金高温合金粉末冶金高温合金l普通粉末冶金高温合金、氧化物弥普通粉末冶金高温合金、氧化物弥散强化高温合金散强化高温合金Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.0 引言引言u按强化方式分类按强化方式分类 固溶强化型固溶强化型 沉淀强化型沉淀强化型 金属间化合物金属间化合物 氧化物弥散强化型氧化物弥散强化型 纤维强化型等。纤维强化型等。C
11、hapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.0 引言引言u按使用特性，高温合金又可按使用特性，高温合金又可分为分为 高强度合金高强度合金 高屈服强度合金高屈服强度合金 抗松弛合金抗松弛合金 低膨胀合金低膨胀合金 抗热腐蚀合金等等。抗热腐蚀合金等等。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.4 铁基高温合金铁基高温合金 铁基、钴基和镍基合金的使用铁基、钴基和镍基合金的使用温度一般不超过温度一般不超过1000； 温度再高就必须选用难熔金属温度再高就必须选用难熔金属（指熔点高于（指熔点高于1650的金属）的金属）或其合金了。或其合金了。 本章主要讲述耐热钢和铁
12、基高本章主要讲述耐热钢和铁基高温合金。温合金。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.0 引言引言 珠光体型热强钢是合金结构钢中的珠光体型热强钢是合金结构钢中的一部分钢种，其特点是：一部分钢种，其特点是：碳含量较低，工艺性、导热性好，碳含量较低，工艺性、导热性好，热处理工艺简单，价格便宜；热处理工艺简单，价格便宜；使用少量的合金元素固溶强化和改使用少量的合金元素固溶强化和改善善Fe2O3氧化膜的稳定性；氧化膜的稳定性；在在500620以下具有良好的热以下具有良好的热强性。强性。6.1 珠光体型热珠光体型热强钢强钢Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金
13、合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 珠光体型热强钢按碳含量和珠光体型热强钢按碳含量和应用特点又可分为应用特点又可分为l低碳珠光体热强钢低碳珠光体热强钢l中碳珠光体热强钢中碳珠光体热强钢Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢一、低碳珠光体型热强钢一、低碳珠光体型热强钢 这类钢对应于普通低合金高强这类钢对应于普通低合金高强度结构钢，要求有制管、焊管、度结构钢，要求有制管、焊管、冷弯等良好冷弯等良好工艺性能工艺性能。 由于这类钢主要用于制作由于这类钢主要用于制作锅炉锅炉钢管钢管，对于锅炉钢管来说，管，对于锅炉钢管来说，管内是具有一定压力
14、的过热蒸汽，内是具有一定压力的过热蒸汽，外壁接触火焰。外壁接触火焰。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 要求要求500600左右的左右的高温高温持久强度持久强度和和一定的抗氧化性一定的抗氧化性。 合金化合金化：低碳钢稍加合金化即：低碳钢稍加合金化即能符合这些要求。经过多年来能符合这些要求。经过多年来的研究和工业实践，形成了一的研究和工业实践，形成了一些典型钢种。些典型钢种。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 典型钢种：典型钢种：12Cr1MoV用于用于540的导管或的导管
15、或580的过热蒸汽管。的过热蒸汽管。12Cr2MoWSiVTiB用于用于600 620的过热器管。的过热器管。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢1低碳珠光体型热强钢的合金化低碳珠光体型热强钢的合金化（1）低碳低碳，即这类钢的碳含量，即这类钢的碳含量一般为一般为0.08%0.20%。 低碳低碳使钢具有良好的使钢具有良好的加工工艺加工工艺性能性能（如容易轧制、穿管、拉（如容易轧制、穿管、拉拔、延伸、焊接、冷弯等）。拔、延伸、焊接、冷弯等）。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢
16、 低碳低碳使钢基体组织为大量的使钢基体组织为大量的铁素体铁素体，利用铁素体的高熔点和组织稳定利用铁素体的高熔点和组织稳定性的特点获得良好的耐热性；性的特点获得良好的耐热性；使钢中使钢中碳化物数量相对较少碳化物数量相对较少，钢，钢中的中的珠光体不易发生球化珠光体不易发生球化，珠光，珠光体中的体中的渗碳体也不易发生石墨化渗碳体也不易发生石墨化，这有利于组织稳定。这有利于组织稳定。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢（2）加入合金元素加入合金元素加入合金元素加入合金元素固溶强化铁素体固溶强化铁素体基体（包括珠光体和索氏体中基体（包括珠光体和
17、索氏体中的铁素体），以提高钢的热强的铁素体），以提高钢的热强性和再结晶温度；性和再结晶温度；Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 固溶强化的固溶强化的主加主加合金元素合金元素是是铬铬和和钼钼，辅加辅加元素是元素是V、Ti、Nb、W等等。主加元素铬和钼主加元素铬和钼是铁素体基体是铁素体基体的的最有效的强化元素最有效的强化元素，使这类，使这类钢的热强性大为提高。钢的热强性大为提高。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢辅加辅加元素是元素是V、Ti、Nb、W等减等减少少主加主加合金元
18、素的再分配趋势合金元素的再分配趋势。仅经过铬和钼固溶强化的铁素体仅经过铬和钼固溶强化的铁素体在工作温度和应力的长期作用下，在工作温度和应力的长期作用下，会缓慢地向碳化物中富集，而铁会缓慢地向碳化物中富集，而铁和锰等其它元素则被排挤到固溶和锰等其它元素则被排挤到固溶体中去，产生合金元素在使用过体中去，产生合金元素在使用过程中的再分配现象。程中的再分配现象。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢合金元素的再分配将导致固溶体中的合金元素的再分配将导致固溶体中的主加主加强化元素减少，热强性下降强化元素减少，热强性下降。为为此钢中还需加入一定量的
19、辅加元素，以此钢中还需加入一定量的辅加元素，以减少合金元素的再分配趋势，如常加入减少合金元素的再分配趋势，如常加入的辅加元素主要有的辅加元素主要有V、Ti、Nb等，这些等，这些合金元素与碳形成稳定的碳化物，使铬合金元素与碳形成稳定的碳化物，使铬和钼等的固溶强化元素难以发生向碳化和钼等的固溶强化元素难以发生向碳化物转移的再分配现象，从而保持固溶体物转移的再分配现象，从而保持固溶体的强化特性。的强化特性。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 必须指出的是，还可以采用必须指出的是，还可以采用复合复合固溶强化固溶强化，比如在钢中同时加入，比如
20、在钢中同时加入钼、钼、钨钨、铬等合金元素，利用这、铬等合金元素，利用这些元素的复合作用，不仅提高了些元素的复合作用，不仅提高了固溶体中的原子间结合力，而且固溶体中的原子间结合力，而且还使扩散困难，阻碍合金元素发还使扩散困难，阻碍合金元素发生再分配。生再分配。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢利用合金元素形成第二相利用合金元素形成第二相并强并强化第二相化第二相，如加入合金元素形，如加入合金元素形成一定数量碳化物，并通过合成一定数量碳化物，并通过合金化稳定碳化物，使形成的碳金化稳定碳化物，使形成的碳化物不仅在高温下化物不仅在高温下不易
21、球化不易球化和和石墨化石墨化，而且在，而且在400620形形成成弥散分布的、稳定性高的、弥散分布的、稳定性高的、不易聚集长大的碳化物不易聚集长大的碳化物，保持，保持弥散强化作用。弥散强化作用。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢对于第二相强化，合金化的主对于第二相强化，合金化的主要目的不仅是获得一定数量的要目的不仅是获得一定数量的强碳化物相强碳化物相，更重要的是阻止更重要的是阻止珠光体的球化和碳化物的聚集，珠光体的球化和碳化物的聚集，阻止钢中的阻止钢中的C C发生石墨化，保证发生石墨化，保证并促进碳化物弥散强化并促进碳化物弥散强化。
22、影响碳化物球化及聚集长大的影响碳化物球化及聚集长大的主要因素是服役温度、时间和主要因素是服役温度、时间和材料的化学成分。材料的化学成分。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 就化学成分而言，就化学成分而言，碳化物球化及聚碳化物球化及聚集长大集长大是通过是通过C原子的扩散进行的，原子的扩散进行的，因此珠光体球化及碳化物的聚集长因此珠光体球化及碳化物的聚集长大倾向随着碳含量的增加而增加；大倾向随着碳含量的增加而增加； 在钢中凡是降低碳的扩散速度和增在钢中凡是降低碳的扩散速度和增加合金碳化物稳定性（或原子结合加合金碳化物稳定性（或原子结合
23、力）的元素，如力）的元素，如Cr、Mo、V、Ti等等均能阻碍或延缓珠光体球化及碳化均能阻碍或延缓珠光体球化及碳化物的聚集长大过程。物的聚集长大过程。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 石墨化石墨化是珠光体型钢在工作温度和是珠光体型钢在工作温度和应力长期作用下，碳化物分解成游应力长期作用下，碳化物分解成游离石墨的过程。当石墨形成后，不离石墨的过程。当石墨形成后，不但消除或降低了碳化物的第二相强但消除或降低了碳化物的第二相强化作用，而且石墨存在于钢中也割化作用，而且石墨存在于钢中也割裂了基体（相当于小裂纹），使钢裂了基体（相当于小裂纹
24、），使钢的强度及塑性显著下降。的强度及塑性显著下降。 C、Al、Si等是促进石墨化元素，等是促进石墨化元素，故这类钢冶炼时一般不用故这类钢冶炼时一般不用Al脱氧。脱氧。 V、Cr等是阻碍石墨化的元素。等是阻碍石墨化的元素。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 为了保证并促进为了保证并促进碳化物弥散强化碳化物弥散强化，这类钢中常加入这类钢中常加入Mo、W、V、Nb、Ti等附加合金元素，并配合适当的等附加合金元素，并配合适当的热处理，以获得稳定的弥散强化效热处理，以获得稳定的弥散强化效果。经过热处理，在果。经过热处理，在500750范范
25、围内析出围内析出MeC型或型或Me2C型碳化物型碳化物时，能产生沉淀强化效果，特别是时，能产生沉淀强化效果，特别是VC、NbC、TiC一类的间隙碳化物，一类的间隙碳化物，具有很高的稳定性。具有很高的稳定性。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 如果钢中如果钢中V/C的比值符合的比值符合VC的化学的化学式的比例，式的比例，C和和V几乎全部结合成几乎全部结合成VC，可以达到最高的沉淀强化效果。，可以达到最高的沉淀强化效果。这时这时VC既产生沉淀强化，又能保证既产生沉淀强化，又能保证Cr、Mo溶入溶入固溶体，从而使铁素固溶体，从而使铁素体获
26、得较好的强化。体获得较好的强化。12Cr1MoV钢钢就是在上述合金化思路下发展起来就是在上述合金化思路下发展起来的典型的钢种。的典型的钢种。 这类钢中除了运用这类钢中除了运用Cr、Mo、W、V、Ti的综合固溶强化和第二相强化作的综合固溶强化和第二相强化作用外，还用微量用外，还用微量B强化晶界，并适当强化晶界，并适当提高提高Si含量，增强了钢的抗氧化性含量，增强了钢的抗氧化性能，从而使使用温度有了较大的提能，从而使使用温度有了较大的提高，如高，如12Cr2MoWSiVTiB。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 2低碳珠光体型热强钢的
27、热处低碳珠光体型热强钢的热处理理 低碳珠光体型热强钢在科学的合低碳珠光体型热强钢在科学的合金化基础上还必须采取正确的热金化基础上还必须采取正确的热处理工艺才能获得满意的性能。处理工艺才能获得满意的性能。由于这类钢中含有由于这类钢中含有Cr、Mo、V等等合金元素，因此显著提高了钢的合金元素，因此显著提高了钢的淬透性，并强烈地推迟珠光体区淬透性，并强烈地推迟珠光体区的转变，使得这类钢在正火时可的转变，使得这类钢在正火时可以获得大量的贝氏体组织。以获得大量的贝氏体组织。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 合适的热处理制度可以使合适的热处
28、理制度可以使Cr、Mo保保留在固溶体基体中，使留在固溶体基体中，使VC均匀分布均匀分布在马氏体、贝氏体的高密度位错网在马氏体、贝氏体的高密度位错网络上，此时强化效果可以得到充分络上，此时强化效果可以得到充分发挥。发挥。 因此，通过马氏体、贝氏体相变，因此，通过马氏体、贝氏体相变，细化基体嵌镶块结构，加上细化基体嵌镶块结构，加上VC在此在此基体上的析出，则能得到上述的强基体上的析出，则能得到上述的强化效果。又由于基体经过化效果。又由于基体经过Cr、Mo的的固溶强化，提高了基体的再结晶温固溶强化，提高了基体的再结晶温度，使这种强化在高温回火时仍能度，使这种强化在高温回火时仍能保持。保持。 Chap
29、ter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 由此可见，只有含由此可见，只有含Mo、W、V、Ti、Nb等强碳化物形成元素的这等强碳化物形成元素的这类钢，马氏体和贝氏体的回火组类钢，马氏体和贝氏体的回火组织，才能显示这种优越性。织，才能显示这种优越性。 若是若是C钢、钢、Mn钢，则因基体再结钢，则因基体再结晶温度不高，渗碳体容易聚集长晶温度不高，渗碳体容易聚集长大，即使马氏体、贝氏体相变能大，即使马氏体、贝氏体相变能进行，这种相变引起的强化也不进行，这种相变引起的强化也不能在高温下保持。能在高温下保持。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基
30、高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 这类钢一般采用正火加高温回火。这类钢一般采用正火加高温回火。 正火可以得到相当数量的贝氏体组正火可以得到相当数量的贝氏体组织，工艺简便，生产上容易控制。织，工艺简便，生产上容易控制。正火的温度通常选择得较高，即正火的温度通常选择得较高，即9801020，以使碳化物完全溶，以使碳化物完全溶解并均匀分布。解并均匀分布。 回火温度为回火温度为720740，2h3h。一般采用高于使用温度一般采用高于使用温度100150的回火处理。但回火温度也不宜过的回火处理。但回火温度也不宜过高，以避免超过高，以避免超过Ac1，出现局部高碳，出现局部高碳奥氏体，在回火
31、冷却时出现少量黄奥氏体，在回火冷却时出现少量黄色的高碳马氏体块，使钢的性能变色的高碳马氏体块，使钢的性能变坏。坏。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢二、中碳珠光体型热强钢二、中碳珠光体型热强钢 这类钢对应于中碳低合金调质钢，这类钢对应于中碳低合金调质钢，制造工艺上一般采用热锻成形，较制造工艺上一般采用热锻成形，较少要求冷弯、焊接的耐热结构件。
32、少要求冷弯、焊接的耐热结构件。 这类钢的使用温度低于过热蒸气管这类钢的使用温度低于过热蒸气管道的温度，但对强度要求比低碳珠道的温度，但对强度要求比低碳珠光体型耐热钢要高。因此将低碳珠光体型耐热钢要高。因此将低碳珠光体型耐热钢中的碳含量适当提高光体型耐热钢中的碳含量适当提高即可满足上述的性能要求。即可满足上述的性能要求。 这类钢主要用于制作汽轮机等耐热这类钢主要用于制作汽轮机等耐热紧固件，汽轮机转子（主轴、叶轮紧固件，汽轮机转子（主轴、叶轮等）。等）。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 中碳珠光体型热强钢在用于装配紧中碳珠光体型热强钢
33、在用于装配紧固，即紧固件时，由于处于初紧预固，即紧固件时，由于处于初紧预应力状态，所以首先要求这类钢在应力状态，所以首先要求这类钢在初紧时不产生屈服，即钢在室温下初紧时不产生屈服，即钢在室温下应有高的屈服强度；应有高的屈服强度； 其次，紧固件在高温和压力下工作，其次，紧固件在高温和压力下工作，应能长期保持一定的预紧应力，因应能长期保持一定的预紧应力，因而要求钢有高的松弛稳定性；最后，而要求钢有高的松弛稳定性；最后，为了保证紧固件在长期使用过程中为了保证紧固件在长期使用过程中不出现脆性断裂和氧化咬合，还要不出现脆性断裂和氧化咬合，还要求钢有一定的持久塑性和一定的抗求钢有一定的持久塑性和一定的抗氧
34、化性。氧化性。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢1中碳珠光体型热强钢的合金化中碳珠光体型热强钢的合金化 在低碳珠光体型热强钢的基础上在低碳珠光体型热强钢的基础上适当地提高碳含量以提高室温下适当地提高碳含量以提高室温下的屈服极限；的屈服极限； 增加增加Cr、Mo、V含量，促进正火含量，促进正火后的贝氏体转变量，得到具有高后的贝氏体转变量，得到具有高的松弛稳定性的贝氏体组织。的松弛稳定性的贝氏体组织。 进一步加入稳定碳化物的元素进一步加入稳定碳化物的元素Nb、Ti等，并采用等，并采用B强化晶界，从而强化晶界，从而使其不但具有高的持久强度
35、，而使其不但具有高的持久强度，而且具有高的持久塑性。且具有高的持久塑性。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢2中碳珠光体型热强钢的热处理中碳珠光体型热强钢的热处理 中碳珠光体型热强钢一般采用油淬中碳珠光体型热强钢一般采用油淬加高温回火。加高温回火。 和低碳珠光体型热强钢一样，回火和低碳珠光体型热强钢一样，回火通常要求高于使用温度通常要求高于使用温度100左右。左右。如如33Cr3WMoV钢常采用钢常采用950油淬，油淬，640回火。回火。 需要指出的是，这类钢如用于要求需要指出的是，这类钢如用于要求良好的综合机械性能的场合（例如良好的
36、综合机械性能的场合（例如制造转子），还可以采用正火获得制造转子），还可以采用正火获得低碳贝氏体，然后再进行回火。低碳贝氏体，然后再进行回火。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢 中碳珠光体型热强钢在用于汽轮中碳珠光体型热强钢在用于汽轮机转子（主轴、叶轮）时，由于机转子（主轴、叶轮）时，由于主轴和叶轮组成的汽轮机转子或主轴和叶轮组成的汽轮机转子或整锻转子在过热蒸气的影响下，整锻转子在过热蒸气的影响下，承受巨大的复杂应力，包括扭转承受巨大的复杂应力，包括扭转应力、弯曲应力、温度梯度引起应力、弯曲应力、温度梯度引起的热应力、振动的附加应力
37、以及的热应力、振动的附加应力以及叶片离心力所产生的切向和径向叶片离心力所产生的切向和径向应力等。因此要求高的沿轴向、应力等。因此要求高的沿轴向、径向均匀一致的综合机械性能，径向均匀一致的综合机械性能，高的热强性和持久塑性以及良好高的热强性和持久塑性以及良好的淬透性和工艺性能。的淬透性和工艺性能。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.1 珠光体型热强钢珠光体型热强钢一、汽轮机叶片用钢一、汽轮机叶片用钢背景背景： 汽轮机叶片工作温度在汽轮机叶片工作温度在450620范围内，和锅炉管工范围内，和锅炉管工作温度相近，但要求更高的蠕变强作温度相近，但要求更高的蠕变强度、耐蚀性
38、和耐腐蚀磨损性能。度、耐蚀性和耐腐蚀磨损性能。 珠光体型热强钢难以适应这些要求。珠光体型热强钢难以适应这些要求。必须选用马氏体型热强钢。必须选用马氏体型热强钢。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.2 马氏体型热强马氏体型热强钢钢6.2 马氏体型热强钢马氏体型热强钢Cr13型马氏体不锈钢型马氏体不锈钢： 最早使用的是最早使用的是Cr13型马氏体不锈钢，型马氏体不锈钢，这类钢经过热处理后，在大气、蒸这类钢经过热处理后，在大气、蒸气中具有较高的机械性能和良好的气中具有较高的机械性能和良好的耐蚀性。耐蚀性。 Cr13型马氏体热强钢的热处理工艺型马氏体热强钢的热处理工艺通常
39、采用通常采用10001150油淬，油淬，650750高温回火，得到回火高温回火，得到回火屈氏体和回火索氏体组织，以保证屈氏体和回火索氏体组织，以保证在使用温度下组织和性能的稳定。在使用温度下组织和性能的稳定。它们常用于制造使用温度低于它们常用于制造使用温度低于580的汽轮机和燃气轮机的叶片。的汽轮机和燃气轮机的叶片。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.2 马氏体型热强钢马氏体型热强钢 如前级叶片温度较高，可选用如前级叶片温度较高，可选用1Cr13；后级温度略低，冲刷；后级温度略低，冲刷磨损增加，故选用磨损增加，故选用2Cr13。 由于由于Cr13型马氏体热强钢中的碳
40、化型马氏体热强钢中的碳化物大都是铬的碳化物，弥散强化效物大都是铬的碳化物，弥散强化效果较差，而且在高温和应力的长期果较差，而且在高温和应力的长期作用下，铬的碳化物的稳定性也较作用下，铬的碳化物的稳定性也较低。为此，通过进一步提高这类钢低。为此，通过进一步提高这类钢的合金化程度以提高其热强性。的合金化程度以提高其热强性。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.2 马氏体型热强钢马氏体型热强钢新型马氏体型热强钢新型马氏体型热强钢： 如向这类钢中再添加如向这类钢中再添加Mo、W、V、Nb、Ti、B等发展了一些新型马氏等发展了一些新型马氏体型热强钢。体型热强钢。 添加添加Mo
41、、W可以使钢中的两种可以使钢中的两种主要碳化物主要碳化物Cr23C6、Cr7C3变变为为(Cr,Mo,W,Fe)23C6，产生一，产生一定的弥散强化作用，同时添加的定的弥散强化作用，同时添加的Mo和和W溶入固溶体，可以有效溶入固溶体，可以有效地提高固溶强化效果；地提高固溶强化效果；Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.2 马氏体型热强钢马氏体型热强钢 添加添加V、Nb、Ti等更强的碳化等更强的碳化物形成元素，则在钢中形成复物形成元素，则在钢中形成复合碳化物合碳化物(V,Nb,Ti)C，它比，它比Cr23C6型碳化物更加稳定，型碳化物更加稳定，同时同时V、Nb、Ti的加
42、入还有利的加入还有利于于Mo、W进入固溶体，这就进入固溶体，这就进一步提高了钢的热强性和使进一步提高了钢的热强性和使用温度；用温度；Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.2 马氏体型热强钢马氏体型热强钢 添加添加B则可以强化晶界，降低则可以强化晶界，降低晶界扩散，有利于提高热强性。晶界扩散，有利于提高热强性。当然由于当然由于Mo、W、V、Nb、Ti都是铁素体形成元素，这些都是铁素体形成元素，这些元素加入较多时容易导致在淬元素加入较多时容易导致在淬火时出现火时出现铁素体，对钢的蠕铁素体，对钢的蠕变强度和韧性都不利，并影响变强度和韧性都不利，并影响加工工艺性能。加工工艺性
43、能。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.2 马氏体型热强钢马氏体型热强钢 为了消除为了消除铁素体，对上述合铁素体，对上述合金元素含量较多的钢种还需加金元素含量较多的钢种还需加入入1%Ni2%Ni以扩大以扩大相区，相区，保证淬火时得到单相奥氏体组保证淬火时得到单相奥氏体组织；如将织；如将Cr含量降低到含量降低到12%或或11%，也可减少，也可减少铁素体形成铁素体形成的倾向。的倾向。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.2 马氏体型热强钢马氏体型热强钢二、马氏体型耐热钢二、马氏体型耐热钢背景：背景： 上述介绍的马氏体热强钢有较好上述介绍的马氏
44、体热强钢有较好的综合机械性能，可以满足叶片的综合机械性能，可以满足叶片使用要求。但因使用要求。但因C含量较低，强度含量较低，强度和耐磨性不够高，耐蚀抗氧化性和耐磨性不够高，耐蚀抗氧化性也不够高，耐热温度也稍低，不也不够高，耐热温度也稍低，不能满足内燃机排气阀使用的要求。能满足内燃机排气阀使用的要求。 因为内燃机的进气阀在因为内燃机的进气阀在300 400下工作，工作温度较低，一下工作，工作温度较低，一般可采用般可采用40Cr、38CrSi钢。钢。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.2 马氏体型热强钢马氏体型热强钢 但排气阀的阀端处在燃烧室中，但排气阀的阀端处在燃烧室
45、中，工作温度常为工作温度常为700850，且，且燃气中又常含有燃气中又常含有V2O3、Na2O、SO2等成分，为了防止等成分，为了防止“爆震爆震”，在燃油中还常加乙基铅等防爆剂，在燃油中还常加乙基铅等防爆剂，故燃气中又有故燃气中又有PbO的成分，这些的成分，这些成分都会对阀门产生严重的高温成分都会对阀门产生严重的高温腐蚀和氧化腐蚀。腐蚀和氧化腐蚀。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.2 马氏体型热强钢马氏体型热强钢 阀门的高速运动和频繁的起动还使阀门的高速运动和频繁的起动还使阀门受机械疲劳和热疲劳，阀门对阀门受机械疲劳和热疲劳，阀门对冲刷的燃气和阀门座的相对运动，冲
46、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还使阀门受冲刷腐蚀磨损以及摩擦磨损。因此叶片用马氏体热强钢显磨损。因此叶片用马氏体热强钢显然不能满足排气阀的使用要求，也然不能满足排气阀的使用要求，也就是说阀门用钢应有更高的热强性、就是说阀门用钢应有更高的热强性、硬度、韧性、高温下的抗氧化性、硬度、韧性、高温下的抗氧化性、耐腐蚀性以及高温下的组织稳定性耐腐蚀性以及高温下的组织稳定性和良好的工艺性能等。和良好的工艺性能等。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.2 马氏体型热强钢马氏体型热强钢 合金化：合金化： 对排气阀用马氏体热强钢应具有更对排气阀用马氏体热强钢
47、应具有更高的高的C含量，更高的含量，更高的Cr、Si等抗氧等抗氧化和提高耐热性的合金元素。因此化和提高耐热性的合金元素。因此发展了发展了4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo钢。钢。这类钢的这类钢的C含量增高到含量增高到0.4%，以提，以提高其综合机械性能和耐磨性；高其综合机械性能和耐磨性； Cr、Si的配合添加，还可提高的配合添加，还可提高Ac1和和Ac3（4Cr9Si2的的Ac1为为870890，Ac3为为950970），提高），提高Fe2O3FeO的相变温度，从而提的相变温度，从而提高钢的抗氧化性和热强性；高钢的抗氧化性和热强性； Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合
48、金6.2 马氏体型热强钢马氏体型热强钢 加加Mo既能提高热强性，又能溶既能提高热强性，又能溶于于Cr的碳化物中，提高其稳定性，的碳化物中，提高其稳定性，Mo还能降低这类钢的高温回火还能降低这类钢的高温回火脆性。脆性。 热处理：热处理： 4Cr9Si2的热处理工艺常采用的热处理工艺常采用10201040油淬，以获得马油淬，以获得马氏体和少量碳化物组织，氏体和少量碳化物组织，700回火获得保持马氏体形貌特征的回火获得保持马氏体形貌特征的回火索氏体组织。回火索氏体组织。Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.2 马氏体型热强钢马氏体型热强钢 必须指出的是，由于这类钢具有必须指
49、出的是，由于这类钢具有回火脆性，所以高温回火时应避回火脆性，所以高温回火时应避开开400600的回火脆性区，的回火脆性区，并且回火后通常采用空冷或油冷。并且回火后通常采用空冷或油冷。这类钢主要用于制造汽轮机叶片这类钢主要用于制造汽轮机叶片和汽轮机或柴油机的排气阀等。和汽轮机或柴油机的排气阀等。 4Cr9Si2钢可用于钢可用于700，而，而4Cr10Si2Mo则可用于则可用于750。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.2 马氏体型热强钢马氏体型热强钢 铁素体型、奥氏体型耐热钢主要作热稳定铁素体型、奥氏体型耐热钢主要作热稳定钢使用，其中奥氏体型也可作更高温度条钢使用，
50、其中奥氏体型也可作更高温度条件下的热强钢使用。件下的热强钢使用。一、铁素体型耐热钢一、铁素体型耐热钢 铁素体型耐热钢是在铁素体不锈钢的基础铁素体型耐热钢是在铁素体不锈钢的基础上进一步进行合金化而形成的钢种。具有上进一步进行合金化而形成的钢种。具有单相铁素体组织。表面容易获得致密的、单相铁素体组织。表面容易获得致密的、连续的保护性薄膜。连续的保护性薄膜。 Chapter 6 耐热钢和铁基高温耐热钢和铁基高温合金合金6.3 铁素体型、奥氏体铁素体型、奥氏体型及沉淀硬化型热强钢型及沉淀硬化型热强钢6.3 铁素体型、奥氏体型及沉淀硬化型热强钢铁素体型、奥氏体型及沉淀硬化型热强钢根据使用温度的不同，这类
