鑄鋼的高溫性能研究

黃志慧

摘要：鑄鋼是工廠常用的一種材料，本文主要通過研究鑄鋼的高溫性能以及在高溫狀態(tài)下的抗腐蝕性能，從而提高鑄鋼材質(zhì)的抗氧化性等，以此減慢材料的老化過程，具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：鑄鋼材料 高溫性能 抗氧化性 抗腐蝕性

在我廠所使用的設(shè)備及配件中，鑄鋼也是一種常用的材料。研究鑄鋼的高溫性能及在高溫狀態(tài)下的抗腐蝕性能，從而提高鑄鋼材質(zhì)的抗氧化性，減慢材料的老化過程，具有相當(dāng)重要的意義。在高溫條件下，具有良好抗氧化性能和足夠高溫強(qiáng)度的合金鋼稱為耐熱鋼。耐熱鋼的耐熱性能有兩種涵義：一種是熱化學(xué)穩(wěn)定性，主要指鋼在高溫環(huán)境中具有較好的抗氧化能力；另一種是指高溫強(qiáng)度，即在溫度與應(yīng)力共同作用下鋼的斷裂強(qiáng)度。前者是材料的化學(xué)性能，后者是材料的力學(xué)性能。習(xí)慣上稱前者為熱穩(wěn)定鋼或抗氧化鋼，后者為熱強(qiáng)鋼，熱穩(wěn)定鋼和熱強(qiáng)鋼統(tǒng)稱為耐熱鋼[1]。在我廠的實(shí)際生產(chǎn)中，因?yàn)榻橘|(zhì)的不同，主要是熱化學(xué)穩(wěn)定性方面的要求。

耐熱鋼的應(yīng)用十分廣泛，而且種類繁多，按照耐熱鋼中合金化元素含量的不同，可將其分為低碳耐熱鋼、低合金耐熱鋼、高合金耐熱鋼三類[2]。低碳耐熱鋼不含或含有少量其他合金元素，其含碳量一般不超過0.2%；低合金耐熱鋼通常含有一種或幾種合金元素，但含量一般不超過5%，其含碳量也不會(huì)超過0.2%；高合金耐熱鋼中，合金元素的總含量高達(dá)30%，但含碳量一般較低。具有代表性的高合金耐熱鋼有鉻鎳奧氏體耐熱鋼、高鉻鐵素體耐熱鋼等。

Cr-Mn-N系耐熱鋼基體組織為奧氏體，并使用一定量錳、氮等能擴(kuò)大奧氏體區(qū)的合金元素來代替部分鎳，在保證材料性能的同時(shí)又節(jié)約了成本。這類鋼可用來當(dāng)作工作溫度在900～950℃的熱處理爐的構(gòu)件，如爐底板、風(fēng)扇等[3]。

雖然奧氏體耐熱鋼可通過多元合金化來獲得較好的抗蠕變性能和較高的持久強(qiáng)度，但其高溫抗氧化性能還有缺陷。當(dāng)溫度超過1000℃時(shí)，合金表面形成的Cr2O3保護(hù)膜易轉(zhuǎn)變成具有揮發(fā)性的CrO3等氧化物，使其過早的氧化而報(bào)廢。相比而言，鐵素體耐熱鋼雖然高溫強(qiáng)度較差，但其高溫抗氧化性能較好，在高溫下合金表面生成的Al2O3保護(hù)膜致密、堅(jiān)固且不易揮發(fā)，在1200～1250℃時(shí)仍具有較高的穩(wěn)定性。

綜合Cr-Ni系奧氏體耐熱鋼及Cr-Al系鐵素體耐熱鋼特點(diǎn)，科學(xué)工作者研制了一類新型Fe-Cr-Ni-Al雙相耐熱鋼。這類鋼具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能和高溫抗氧化性能，1250℃下短時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到40MPa以上，斷面收縮率在30%左右，被用于生產(chǎn)可控氣氛熱處理爐的輻射管、煉鎂反應(yīng)罐和電站鍋爐件等[4]。

耐熱鋼構(gòu)件在高溫下工作時(shí)不但承受拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、疲勞、沖擊等載荷作用，還與高溫空氣、蒸汽、或燃?xì)饨佑|，表面易發(fā)生高溫氧化或氣體腐蝕[5]。因此，耐熱鋼在高溫條件下工作必須滿足兩個(gè)方面的性能要求：①熱化學(xué)穩(wěn)定性；②熱強(qiáng)性。

熱穩(wěn)定性是指鋼在高溫下的抗氧化性能及抗高溫介質(zhì)腐蝕性能，其中抗氧化性能是保證工件在高溫下持久工作的最基本、最重要的條件。

鋼件在高溫氧化環(huán)境中工作時(shí)，表面與氧發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成鐵的多種氧化物層，該氧化物層很疏松，失去了鋼原有的特性，極易脫落。為提高鋼的高溫抗氧化性，可向鋼中加入抗氧化性能比較好的合金元素，從而改變氧化物的結(jié)構(gòu)[6]。常用的合金元素有鉻、硅、鋁等，它們均可與氧反應(yīng)生成致密、穩(wěn)定且與鋼件表面牢固結(jié)合的Cr2O3，SiO2、Al2O3等氧化膜層，這些氧化膜可以有效阻止氧、硫等腐蝕性氣體向鋼中擴(kuò)散，也能阻止金屬離子向外擴(kuò)散，以保護(hù)鋼體不再繼續(xù)氧化。一定范圍內(nèi)，鉻、硅、鋁等合金化元素加入量越多，鋼的高溫抗氧化性越好，但硅、鋁等加入量過多時(shí)，鋼的力學(xué)性能和工藝性會(huì)變差。所以，耐熱鋼應(yīng)以鉻為主要合金元素，以硅、鋁為輔助元素[7]。

鋼的熱強(qiáng)性表示金屬在高溫和載荷長(zhǎng)時(shí)間作用下抵抗蠕變和斷裂的能力，為了提高耐熱鋼的熱強(qiáng)性，可以采用固溶強(qiáng)化、第二析出相強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化等方法。

固溶強(qiáng)化是將某些合金元素加入耐熱鋼中，形成單相過飽和固溶體，從而強(qiáng)化其熱強(qiáng)性。大量研究和實(shí)踐表明，固溶強(qiáng)化是提高耐熱鋼熱強(qiáng)性最有效的途徑。因此通常采取向基體中加入一種或幾種合金元素的辦法，以形成單相固溶體，來提高基體金屬的熱強(qiáng)性。而且在元素周期表中合金元素距基體元素位置越遠(yuǎn)，強(qiáng)化效果越明顯，Mo、Cr、Mn等是提高金屬基體熱強(qiáng)性效果顯著的幾種合金元素。

第二相強(qiáng)化包括時(shí)效析出沉淀強(qiáng)化、鑄造第二相骨架強(qiáng)化和彌散質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化等，其強(qiáng)化機(jī)理是：用固溶強(qiáng)化手段來設(shè)置位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙不夠穩(wěn)定且強(qiáng)化效果有限，因此為了更有效的阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高耐熱鋼的熱強(qiáng)性，必須使合金含有穩(wěn)定的障礙物。這種障礙物可以是液態(tài)凝固時(shí)析出的，也可以是熱處理時(shí)由固態(tài)析出的，由于析出相的高度穩(wěn)定性，可以使得耐熱鋼使用溫度提高到1050～1200℃。

晶界是晶體結(jié)構(gòu)的二維面缺陷，在高溫和長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力作用下，同時(shí)是最為薄弱的環(huán)節(jié)，它會(huì)造成晶界處產(chǎn)生裂紋，但是對(duì)提高晶界強(qiáng)度卻有著十分重要的意義。周期表中有許多元素易分布于晶界，將嚴(yán)重影響晶界特性，如鋼中硫、磷等低熔點(diǎn)雜質(zhì)易在晶界偏聚，并與鐵基體形成低熔點(diǎn)共晶體，從而削弱晶界強(qiáng)度，使得熱強(qiáng)性降低。大量的研究表明：在鋼中加入硼或稀土等元素，在結(jié)晶過程中可作為晶核，使易熔雜質(zhì)從晶界轉(zhuǎn)入晶內(nèi)，凈化晶界并形成高熔點(diǎn)的穩(wěn)定化合物，從而可以提高耐熱鋼的熱強(qiáng)性。

表面涂覆是一種常用的提高鋼的高溫抗氧化性的方法，如電泳陶瓷層、化學(xué)鍍鎳、滲鉻、鋁鉻共滲等。其中，滲鋁是提高耐熱鋼抗高溫氧化性的有效手段。耐熱鋼滲鋁后，表面可形成致密的Cr2O3及Al2O3氧化膜[8]，可使耐熱鋼長(zhǎng)期在1100～1200℃氧化氣氛中工作，年腐蝕率小于0.1mm/a，屬完全抗氧化材料。

影響耐熱耐磨鑄鋼性能的因素主要包括化學(xué)成分、熔煉工藝及熱處理規(guī)范等幾個(gè)方面。化學(xué)成分從根本上決定了材料的組織和性能，熔煉和熱處理工藝則是獲得材料不同組織的有效手段。因此試圖從材料成分選擇出發(fā)，設(shè)計(jì)不同的熱處理規(guī)范，研究在鑄態(tài)及不同熱處理狀態(tài)下材料的微觀組織及其高溫抗氧化性和熱強(qiáng)性等特性的變化規(guī)律，從而確定適宜的熱處理規(guī)范，并最終得到性能優(yōu)異的耐熱耐磨性好的鑄鋼。

耐熱耐磨鋼的使用壽命主要是由材質(zhì)、工況條件以及制造工藝等因素決定的。因此合理的選材是保證耐熱鋼鑄件具有良好的高溫抗氧化性、熱強(qiáng)性的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)化學(xué)成分的時(shí)候，我們必須要對(duì)材料的成分進(jìn)行綜合考慮，這樣才能避免所選用的耐熱鋼因?yàn)椴荒軡M足工況要求而提前失敗，以此造成不必要的材料浪費(fèi)，并且增加成本。

合理的熱處理工藝能夠調(diào)整合金強(qiáng)化相的形態(tài)、數(shù)量、尺寸以及分布等，以此充分發(fā)揮合理的性能潛力，獲得良好的綜合力學(xué)性能。

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