耐熱鋼鑄件是指在高溫下工作的鋼材。耐熱鋼鑄件的發展與電站、鍋爐、燃氣輪機、內燃機、航空發動機等各工業部門的技術進步密切相關。由於各類機器、裝置使用的溫度和所承受的應力不同，以及所處環境各異，因此所採用的鋼材種類也各不相同。
基本介紹
- 中文名：耐熱鋼鑄件
- 外文名： Heat resistant steel castings
- 簡介：指在高溫下工作的鋼材
概述,適用環境,分類,影響因素,選材,
概述
耐熱鋼是指具有高溫抗氧化性和高溫強度的鋼。高溫抗氧化性是保證工件在高溫下持久工作的重要條件。鋼件在高溫空氣等氧化環境中，氧與鋼表面發生化學反應生成多種鐵的氧化物層，該氧化物層很疏鬆，失去了鋼的原有特性，極易脫落。為了提高鋼的高溫抗氧化性，向鋼中加入合金元素，從而改變氧化物的結構。常用的合金元素有鉻、矽、鋁等。它們與氧反應，在鋼的表面上生成緻密的、穩定的氧化物層，或者說鈍化層Cr2O3、SiO2或者Al2O3等，以保護鋼不再繼續氧化。鉻、矽、鋁加入量多，鋼的高溫抗氧化好，但是若矽、鋁加入量太多，鋼的力學性能和工藝性變差。所以，耐熱鋼以鉻為主要合金元素，以矽、鋁為輔助元素，總之，鋼的高溫抗氧化性只與化學成分有關。
高溫強度系指鋼在高溫下能夠長時間保持承受機械載荷的能力。鋼在高溫下承受機械載荷一是軟化，即強度隨溫度升高而降低。二是蠕變，即在恆定應力的作用下，塑性變形量隨時間延長而緩慢增大，鋼在高溫下的塑性變形是由晶內滑移和晶界滑移造成。提高鋼的高溫強度，通常採用合金化方法。亦是向鋼中加入合金元素，提高原子間的結合力及形成有利的組織。加入鉻、鉬、鎢、釩、鈦等，可強化鋼的基體，提高再結晶溫度，還可形成強化相碳化物或金屬間化合物，如Cr23C6、VC、TiC等。這些強化相在高溫下穩定，不溶解，不聚集長大，並保持其硬度。加入鎳元素，主要是為了得到奧氏體。奧氏體比鐵素體中的原子排列緊密，原子間結合力強，原子擴散較難。所以奧氏體的高溫強度較好。可見，耐熱鋼的高溫強度不僅與化學成分有關，而且還與組織有關。
適用環境
最早在鍋爐和加熱爐中使用的材料是低碳鋼，使用的溫度一般在200℃左右，壓力僅為0.8MPa。直到使用的鍋爐用低碳鋼，如20g，使用溫度也不超過450℃，工作壓力不超過6MPa。隨著各類動力裝置的使用溫度不斷提高，工作壓力迅速增加，現代耐熱鋼的使用溫度已高達700℃，使用的環境也變得更加複雜與苛刻。耐熱鋼的使用溫度範圍為200～1300℃，工作壓力為幾兆帕到幾十兆帕，工作環境從單純的氧化氣氛，發展到硫化氣氛、混合氣氛以及熔鹽和液金屬等更複雜的環境。
分類
按合金元素含量分類
1）低碳鋼：在此類鋼中部含或很少含有其他合金元素，其碳含量一般不超過0.2%。
2）低合金耐熱鋼：在此類鋼中都含有一種或幾種合金元素，但含量不高，一般鋼中所含合金元素的總量不超過5%，碳含量不超過0.2%。
3）高合金耐熱鋼：在此類鋼中合金元素多，合金元素含量一般在10%以上，甚至高達30%以上。
按鋼的特性分類
1）抗氧化鋼（或稱耐熱不起皮鋼）：此類鋼在高溫下（一般在550～1200℃）具有較好的抗氧化性能及抗高溫腐蝕性能，並有一定的高溫強度。用於製造各類加熱爐用零件和熱交換器，製造熱汽輪機的燃燒市、鍋爐吊瓜、加熱爐爐底板和輥道以及爐管等。抗氧化性能是主要指標，部件本身不承受很大壓力。
2）熱強鋼：在高溫（通常在450～900℃）既能承受相當的附加應力又要具有優異的抗氧化、抗高溫氣體腐蝕能力，通常還要求承受周期性的可變應力。通常用作汽輪機、燃氣輪機的轉子和葉片，鍋爐的過熱器、高溫下工作的螺栓和彈簧、內燃機的進排氣閥、石油加氫反應器等。
按鋼的主要用途分類
工業爐用耐熱鋼：除反應堆、電站鍋爐、石化工業爐外，在冶金、機械、建材、輕工等工業中，廣泛用作熱交換器、加熱爐管、反映罐等多種爐窯中的各種耐熱部件，除採用板、管、棒等耐熱鋼變形材外，並採用大量的耐熱鋼鑄件。冶金廠的各種退火爐罩，可控氣氛連續加熱爐的馬弗罐、輻射管、裝料框架、鏈帶等，多採用310（0Cr25Ni20）或3Cr24Ni7SiNRe、2Cr25Ni13鋼等。冶金廠連續式加熱爐和熱處理爐中大量的爐底輥和輻射管亦採用高合金耐熱鋼離心鑄管，常用的牌號有0Cr18Ni9、00Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni12Mo2、3Cr24Ni7SiNRe、0Cr23Ni13、1Cr20Ni14、Cr25Ni20Si2、00Cr10Ni20Mo6Cu6、4Cr25Ni35NbW、70CrMoVBRe、 4Cr28Ni48W5Si2、3Cr26Ni4MnMoRe等。在水泥工業中，濕法水泥窯預熱帶中的耐熱鋼鏈條，大型水泥窯蓖冷機用的篦子板，冷卻機用的物料斗等，均使用了大量的耐熱鋼件，如3Cr24Ni7SiNRe、1Cr20Ni14、Cr25Ni20Si2等。
影響因素
1）化學成分對耐熱鋼使用壽命的影響
有相當多種類的化學元素，能夠影響到耐熱鋼的使用壽命。這些影響作用表現在增強結構的穩定性，防止氧化，形成和穩定奧氏體，防腐蝕等多個方面，如作為耐熱鋼中微量元素的稀土元素能夠顯著地提高鋼的抗氧化性，改變熱塑性。耐熱鋼及合金的基本材料一般會選用熔點比較高，自擴散激活能大或層錯能低的金屬和合金。在各種耐熱鋼與高溫合金對冶煉工藝的要求很到，因為一旦鋼中夾雜雜物或者某些冶金缺陷存在都會使材料的持久強度極限降低。因此對化學物質的作用研究也具有深遠意義。
2）雷射衝擊對耐熱鋼使用壽命的影響
通過00Cr12對耐熱鋼試樣進行雷射衝擊強化處理，然後把它放在25、400、500和600攝氏度的條件下進行疲勞拉伸試驗，經過試驗測試在不同的溫度下拉伸時耐熱鋼試樣的力學性能。用單側容限因數法和二維weibull分布法進行疲勞安全壽命估算並且比較，可以發現經過雷射強化後的試樣屈服強度和彈性模量得到比較明顯的提高，並且隨著溫度的升高而增加。溫度對耐熱鋼的壽命有很大影響，隨著溫度的提高，疲勞壽命顯著降低。雷射技術是近年來被人們普遍接受的在常溫的條件下提高材料微動疲勞抗力最有效的辦法。
3）變質處理、固溶處理等先進工藝對耐熱鋼使用壽命的影響
鑄件中夾雜物形態和分布、晶粒粗細及脆性相的特徵，研究了ZG0Cr23Ni13耐熱鋼化學成分、變質處理、熱處理、金屬型澆注等因素的作用。經過複雜的測試，數據統計及比較，可以得出複合變質處理、金屬型澆注、固溶處理及真空熔煉等先進工藝均不同程度的有利於提高常溫、高溫力學性能及抗熱疲勞性能，這歸因於晶粒的細化、脆性相網狀組織的消除及夾雜物形態和分布的改善。對金屬材料來說，採用不同的熱處理工藝都會影響組織結構和晶粒大小，從而改變其熱激活運動的難易程度。在鑄件失效的分析中，有諸多因素導致失效，主要是熱疲勞導致裂紋萌發和發展。相應的又有一系列因素影響裂紋的萌生和擴展，其中，硫含量極為重要，因為裂紋多沿硫化物發展。硫含量受原材料及其冶煉質量影響外，在氫氣保護性氣氛下工作的鑄件，若氫氣中含有硫化氫將導致鑄件滲硫。其次，固溶處理的充分與否將影響鑄件的強韌性。
三、耐熱鋼的未來發展要求
隨著社會展發展，科學技術得到突飛猛進的發展，但是隨之而來的是一系環境問題和生態和諧問題。二氧化碳排放量對當前熱電廠的發展起到消極影響。研究表明，提高運行過程中蒸汽壓力和溫度是解決上述問題的最有效途徑。在熱電廠的主要高溫部件使用的基本均為耐熱鋼，所以開發新型耐熱鋼，提高耐熱鋼的使用溫度範圍，增強在更高溫情況下它的蠕變斷裂強度一直是冶金，電力和材料領域研究的熱門重點。
耐熱鋼連鑄不僅可提高鋼水收得率，省去開還工序，大大降低能耗，使生產效率顯著提高。連鑄組織均勻、偏析小，連鑄生產勞動強度也較低。所以，連鑄是耐熱鋼生產提高質量、降低成本的重要措施，也是現代化生產的重要標誌之一。耐熱鋼連鑄比一般鋼連鑄在工藝和設備上有更高的要求，如、耐熱鋼連鑄對鋼水的溫度和化學成分要求很嚴格，而且要求澆鑄溫度控制在比較窄的範圍內、為了防止二次氧化，連鑄生產過程中要求採取無氧化保護澆鑄、耐熱鋼連鑄對鋼包、中間包、滑動水口、侵入使水口等用的耐火材料也有嚴格要求、為了改善鑄還的凝固組織，減少夾雜物、中心偏析、中心縮孔、內裂等缺陷，獲得高質量的連鑄還，一般採用電磁攪拌技術、耐熱鋼連鑄還的冷卻工藝與一般鋼不同，特別是馬氏體鋼，一定要在300℃以上將鑄還裝入退火爐內緩冷，防止發生馬氏體相變，產生變形裂紋、耐熱鋼連鑄還的質量要求比一般鋼嚴格的多。
選材
選材應注意的主要因素
在眾多耐熱鋼牌號中，選用符合水泥廠工況條件的耐熱鋼，必須綜合考慮以下幾個因素：
（1）使用耐熱鋼鑄件的工作溫度。工作溫度系指最高溫度，正常溫度和最低溫度以及溫度變化率。
（2）耐熱鋼鑄件承受的機械載荷。
（3）耐熱鋼鑄件與其接觸的氣體，狀況（包括風速含塵量、含化學成分等）。
（4）價格要低廉，凡能用鉻、鎳含量低的鑄造耐熱鋼就不用鉻、鎳含量高的。
水泥廠應不斷地總結和積累使用耐熱鋼鑄件的經驗。若有使用中發生失效問題並經分析證明，耐熱鋼鑄件非正常報廢確係選材不當所致時，則可與製造廠聯繫通過研究重新選材來防止失效，製造廠應向使用廠提供重新選材資料並指明方向。
