高溫設備用耐熱鋼

王志江 張衛敏 張 春

（1.中國華電科工集團有限公司環保南京分公司 2.華東管道設計研究院 3.中石化管道儲運有限公司管道科學研究院)

高溫設備用耐熱鋼

王志江*1張衛敏2張 春3

（1.中國華電科工集團有限公司環保南京分公司 2.華東管道設計研究院 3.中石化管道儲運有限公司管道科學研究院)

在450～800℃溫度范圍內，耐熱鋼具有優良的綜合力學性能和耐腐蝕性能，且具有經濟性方面的優勢，通常用作高溫設備的主體材料。闡述了耐熱鋼的強化機理，不同合金元素對耐熱鋼的強化作用和對耐熱鋼抗高溫氧化性能的影響，以及溫度對耐熱鋼疲勞性能的影響，可為高溫設備的合理選材提供一定的指導。

高溫設備 耐熱鋼 強化機理 合金元素 力學性能

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

耐熱鋼和高溫合金是高溫設備制造時常用的材料。從選材的角度出發，這里的 “高溫”只是一個溫度范圍，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，耐熱鋼具有優良的綜合力學性能和抗腐蝕性能，且價格低于高溫合金，故在這個溫度范圍內，通常選用耐熱鋼作為設備的主體材料[1]。合金元素的成分和含量是影響耐熱鋼高溫強度的主要因素。現就耐熱鋼的強化機理、合金元素的強化作用、合金元素對抗高溫氧化性能的影響和耐熱鋼的特點等幾個方面進行分析。

1 耐熱鋼的強化機理

高溫強度是耐熱鋼的主要性能指標。耐熱鋼的強化機理主要有三種：固溶強化、彌散強化和晶界強化。

（1）固溶強化

固溶強化亦稱基體強化。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到強化的目的。在固溶強化過程中，原子間結合力的提高和晶格畸變使固溶體中的滑移變形更加困難，從而使基體得以強化。

（2）彌散強化

彌散強化亦稱沉淀強化或析出強化。沉淀析出相具有高度的穩定性，能更有效地阻礙高溫下的位錯運動。耐熱鋼的沉淀強化主要是通過在鋼中加入適量的強碳化物形成元素來實現的。如果在鋼中加入多元合金元素，則可以得到穩定的、結構復雜的碳化物相，從而增強沉淀強化的效果。

（3）晶界強化

高溫形變時晶界是薄弱環節，晶界強度隨溫度的升高而迅速下降。因此，在耐熱鋼中應加入能強化晶界的微量元素。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的不利影響，提高晶界的高溫強度，進而改善耐熱鋼的高溫性能。

2 合金元素對耐熱鋼的強化作用 [2 ]

（1）鉻的作用

鉻的熔點高，其本身具有優良的抗蠕變性能。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度性能。在低合金鋼中，鉻經常與鉬組合應用，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鐵素體的再結晶溫度，強化鐵素體；同時鉬能以細小碳化物的形式產生彌散強化，從而提高鋼材的蠕變強度。

（3）釩的作用

一般情況下，釩在鋼中不會形成復雜的碳化物，經適當熱處理后可以生成細小的、均勻分布的碳化物顆粒，從而使鋼材得以強化。在Cr-Mo-V鋼中，由于釩的碳化物十分穩定，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固溶強化的作用。

（4）其他合金元素的作用

鈦元素能形成強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性能。鎢元素不僅可以溶入固溶體形成固溶強化，還可以生成碳化物形成彌散強化。鎢元素形成碳化物的能力比鉬元素強，而鎢與鉬的復合作用對提高熱強性更為有效。鈮元素和鉭元素也具有很好的熱強性能。

3 合金元素對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，當合金鋼中鉻的含量足夠高時，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散，還能阻止鋼中金屬離子向外擴散。

（2）鋁的作用

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

（3）硅的作用

在高溫下，硅與氧化合反應可以在鋼材表面形成一層保護性良好的、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

稀土元素對耐熱鋼的抗氧化性能具有明顯的增強作用。稀土元素氧化物可增強氧化膜與基體金屬之間的結合力，促進其他元素在鋼中擴散，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

高溫用耐熱鋼的特點主要表現在下述幾個方面：高溫下的蠕變現象、高溫下組織結構的變化以及高溫下力學性能的變化。

4.1 高溫下的蠕變現象

所謂高溫蠕變現象，是指金屬長時間在恒定溫度和應力的雙重作用下緩慢地產生塑性變形的現象。一方面位錯的運動和增殖引起形變和硬化；另一方面原子的擴散和移動產生回復現象消除形變和硬化。金屬的蠕變就是在這一交錯過程中進行。由于溫度的升高加速了原子的擴散，回復過程易于進行，且高溫下晶界的滑動對形變的影響較大，故蠕變現象隨著溫度的升高而越發顯著。

4.2 高溫下組織結構的變化

設備鋼材在高溫下長期運行，不僅會發生蠕變和應力松弛現象，而且其本身的組織結構也會發生變化。鋼材組織的不穩定性會引起鋼材性能退化，特別是影響高溫力學性能。常見的組織結構變化有：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 高溫下力學性能的變化

在高溫下鋼材力學性能的變化主要體現在高溫硬度、高溫短時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性能指標之一。研究表明，鋼材的硬度隨著溫度的升高而降低。

（2）高溫短時拉伸性能

在評定高溫力學性能時，雖然主要考慮其持久強度極限和蠕變極限等力學指標，但在某些特殊情況下，鋼材在高溫下的工作時間很短，蠕變現象和持久強度不起決定性作用。因此，高溫短時拉伸的力學性能數據就成為衡量鋼材短時高溫力學性能的重要指標。高溫拉伸實驗表明：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晶溫度下所發生的疲勞現象。高溫疲勞與溫度和時間相關。隨著溫度的升高，材料的高溫疲勞強度降低；隨著時間的延長，鋼材的強度下降得愈明顯。

5 結束語

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

[1]王非，林英.化工設備用鋼 [M].北京：化學工業出版社,2003：16-17.

[2]梁耀能.工程材料及加工工程 [M].北京：機械工業出版社，2001：108-109.

[3]左景伊，左禹.腐蝕數據與選材手冊 [M].北京：化學工業出版社，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。