耐熱鋼和耐熱合金的分類

耐熱鋼和耐熱合金的種類耐熱鋼、耐熱合金等耐熱材料廣泛運(yùn)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)、火力發(fā)電廠的加熱爐、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、廢料集中焚燒處理機(jī)器設(shè)備、熱處理設(shè)備、電加熱器等部位，是很多產(chǎn)業(yè)鏈不可或缺的原材料。日本必須從國(guó)外很多進(jìn)口的電力能源，所以對(duì)于日本，需要提升電力能源利用效率。為提升相關(guān)設(shè)備的能源消耗高效率，就必須要提升耐高溫材料的特性。車輛發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升、減少加工廠環(huán)境污染物的排放等在一定程度上取決于還可以在更高一些溫度與更惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期工作的耐熱材料的研發(fā)。工業(yè)界的高速發(fā)展也取決于耐熱材料的高速發(fā)展。加上和增加Ni、Co、Mo、W、Ti、Nb等經(jīng)典是提升耐熱鋼、耐熱合金等耐熱材料特性的有效手段，并通過此方法早已研發(fā)出很多耐熱鋼、耐熱合金。因?yàn)橹卦禺a(chǎn)區(qū)的局限性，及其重元素需要量提升，使耐熱鋼、耐熱合金里的合金成分的提供不穩(wěn)造成價(jià)錢波動(dòng)較大。耐熱鋼、耐熱合金品種繁多，各種材料的使用場(chǎng)景不一樣、規(guī)定性能不一樣、可以接受的價(jià)格也是不一樣。比如，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥門的最高溫最多僅有500℃，因此選用的原材料是馬氏體耐熱鋼。Ni鈷合金針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥門是作用產(chǎn)能過剩原材料而且價(jià)格也是太高。所以對(duì)耐熱材料要區(qū)分應(yīng)用。另一方面，控制成本是加工制造業(yè)亙古不變的課題研究，因而，怎樣用更便宜的原材料創(chuàng)造出一樣特性的原材料，應(yīng)該是耐熱材料的要求。日本在二次大戰(zhàn)上對(duì)省Ni、Mo型耐熱鋼展開了開發(fā)設(shè)計(jì)，自此，日本對(duì)省經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型耐熱材料的研發(fā)將近60多年。

耐熱鋼、耐熱合金耐熱鋼和耐熱合金的差別并沒有具體規(guī)定，一般，將合金成分成分低于50%的稱為耐熱鋼，超過50%的稱為耐熱合金。日本耐熱鋼規(guī)范有JIS G4311、G4312，除此之外也有幾個(gè)SUH系列產(chǎn)品規(guī)范。依據(jù)母相組織不一樣，耐熱鋼可分為金相組織耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼和析出硬底化型耐熱鋼。JIS G5122對(duì)SCH系耐熱鑄鋼進(jìn)行了要求，但卻沒有按母相組織對(duì)鋼的牌號(hào)進(jìn)行篩選，將金相組織耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼混在一起。在耐熱合金層面，JIS G 4091和4092是NCF系耐熱合金，并沒有進(jìn)行篩選，但也是奧氏體耐熱合金。在ASTM、AMS、DIN規(guī)范含有JIS不具備的耐熱合金。除此之外，以鋁合金開發(fā)有限公司的工廠名命鋁合金型號(hào)都是通用性作法，如，Inconel Alloy?。此外還有一些原材料加工廠研發(fā)的各種各樣新式耐熱材料，各種材料并未納入標(biāo)準(zhǔn)。各種各樣耐熱材料都各自不僅有優(yōu)勢(shì)、還有不夠，應(yīng)依據(jù)主要用途適度采用。表1是JIS 里的象征性耐熱鋼、耐熱合金的成分和主要用途。圖1就是各種耐熱鋼、耐熱合金的經(jīng)久耐用環(huán)境溫度。下列對(duì)各類耐熱材料的特點(diǎn)和合金成分的功效做出說明。

圖1 各種各樣耐熱鋼和耐熱合金的耐熱溫度性部位

表1 耐熱鋼和耐熱合金的化學(xué)組成和適用范圍

金相組織耐熱鋼廣泛使用的有代表性的金相組織耐熱鋼是低C-17%Cr的SUS430。Cr是提升鋼的耐熱腐蝕性的原素，是耐熱鋼中不可或缺的因素。SUS430具有較好的抗氧化。鑒于鋼中沒有其他原素，因此SUS430價(jià)錢便宜一點(diǎn)?？墒荢US430經(jīng)高溫淬火不出現(xiàn)硬底化，而且持續(xù)高溫強(qiáng)度低，只能用于不是很規(guī)定強(qiáng)度的構(gòu)件。另一方面，因?yàn)镾US430的線膨脹系數(shù)小，而奧氏體耐熱鋼的線膨脹系數(shù)大，因此，針對(duì)環(huán)境溫度不斷轉(zhuǎn)變，很容易產(chǎn)生熱疲勞的零部件而言，選用SUS430更強(qiáng)。除此之外，SUS430在500℃上下長(zhǎng)期用時(shí)，因?yàn)檠有韵辔龀鰰?huì)出現(xiàn)老化，對(duì)于此事應(yīng)予以留意。除開Cr，Al都是提升抗氧化性原素。高溫環(huán)境，Al在鋅灰的表面形成Al2O3，變成牢固的防護(hù)膜，起到提升抗氧化作用。運(yùn)用Al這樣的功效的耐熱鋼有FCH1。FCH1要在25%Cr鋼中加入5%Al的發(fā)熱器用耐熱鋼，在1200℃下列具有較好的抗氧化。

馬氏體耐熱鋼代表性馬氏體耐熱鋼是含C量是0.1%左右12%Cr鋼SUS403和SUS410J1。這種耐熱鋼高溫淬火產(chǎn)生硬底化，然后再進(jìn)行淬火，在母相馬氏體上析出M23C6，在600℃下列可以保持高強(qiáng)度。如再加入Mo提升淬火變軟抵抗力，則可以進(jìn)一步維持高強(qiáng)度。馬氏體耐熱鋼在600℃以上高溫環(huán)境，會(huì)出現(xiàn)變軟，使強(qiáng)度驟降。因而，馬氏體耐熱鋼適用操作溫度在500～600℃下列、規(guī)定持續(xù)高溫強(qiáng)度的構(gòu)件。除此之外，因?yàn)轳R氏體耐熱鋼的Cr成分偏少，為12%，而且一部分Cr還耗費(fèi)在滲碳體中，無法保證母看中的Cr成分，因此馬氏體耐熱鋼的抗氧化經(jīng)常不如金相組織耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼。提升抗氧化元素Si和 Al一樣可以從馬氏體耐熱鋼鋅灰上形成防御性凈顏術(shù)。加上Si提升抗氧化的馬氏體耐熱鋼有SUH3和SUH11。這種耐熱鋼主要運(yùn)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)旁通閥和耐高溫地腳螺栓。

奧氏體耐熱鋼鋼中加入Cr的前提下，加上奧氏體平穩(wěn)化元素Ni，鋼在全部條件下全是相對(duì)穩(wěn)定的奧氏體機(jī)構(gòu)。普通奧氏體機(jī)構(gòu)鋼是SUS304和SUS310。大家都知道，SUS304是耐腐蝕不銹鋼板，但SUS304也可以做耐熱鋼應(yīng)用。在600℃下列，奧氏體耐熱鋼的強(qiáng)度處在馬氏體耐熱鋼和金相組織耐熱鋼中間；在600℃左右，強(qiáng)度超過馬氏體耐熱鋼。除此之外，SUS304在800℃以內(nèi)，SUS310在1000℃以內(nèi)，開展不斷加溫-制冷時(shí)，具有較好的抗氧化。但700～900℃長(zhǎng)期使用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)延性相析出，使原材料變脆。除此之外，因?yàn)镾US304和 SUS310的線膨脹系數(shù)超過馬氏體耐熱鋼和金相組織耐熱鋼，因此很容易發(fā)生熱疲勞損傷，針對(duì)這兩個(gè)方面應(yīng)給予留意。在需要持續(xù)高溫強(qiáng)度時(shí)，奧氏體耐熱鋼可以進(jìn)一步運(yùn)用析出加強(qiáng)和細(xì)晶強(qiáng)化提升強(qiáng)度。用以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)排氣閥的奧氏體耐熱鋼是SUH35。鋼中加入C，運(yùn)用滲碳體析出加強(qiáng)和加上N的細(xì)晶強(qiáng)化提升了SUH35高溫強(qiáng)度。再提升奧氏體平穩(wěn)化元素Mn含量，即便Ni含量為4%，也能獲得奧氏體機(jī)構(gòu)。耐高溫地腳螺栓和耐高溫扭簧所使用的SUH660，因?yàn)榧由螦l和Ti，析出γ，相（Ni3(Al、Ti)），完成了加強(qiáng)。

析出加強(qiáng)型耐熱鋼依照母相機(jī)構(gòu)，耐熱鋼可分為奧氏體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼和金相組織耐熱鋼。馬氏體耐熱鋼的代表性型號(hào)是SUS630。SUS630經(jīng)500℃調(diào)質(zhì)處理，在低C馬氏體母看中析出ε相（Cu相）提升了鋼的強(qiáng)度。但超出500℃，ε相產(chǎn)生鈍化處理，而且馬氏體機(jī)構(gòu)也產(chǎn)生變化，使鋼的強(qiáng)度降低。因而，SUS630主要運(yùn)用于500℃以內(nèi)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件。SUS630鋼主要成分是17Cr-4Ni-4Cu，含Ni量并不太高，而且從奧氏體可靠性考慮到，不能降低Ni成分，因而并不是省資源化再生的研發(fā)鋼。

耐熱合金日本在開發(fā)設(shè)計(jì)耐熱鋼的前提下，展開了耐熱合金的研發(fā)。為了保證耐溫性，在鋁合金中添加了Cr、Ti、Al、Nb等經(jīng)典。依據(jù)強(qiáng)化機(jī)制，耐熱合金可以分為細(xì)晶強(qiáng)化型耐熱合金和析出加強(qiáng)型耐熱合金。代表性細(xì)晶強(qiáng)化型耐熱合金有NCF600、601、609（等同于Inconel Alloy 600、601、609），代表性析出加強(qiáng)型耐熱合金有NCF718、750（等同于Inconel Alloy 718、X750）和NCF800H（等同于Inconel Alloy 800H）。細(xì)晶強(qiáng)化型耐熱合金開展調(diào)質(zhì)處理，強(qiáng)度、強(qiáng)度都不上升，因此持續(xù)高溫強(qiáng)度不太高，因而，與用以規(guī)定持續(xù)高溫強(qiáng)度的零部件對(duì)比，更適合用于包含高溫下等腐蝕環(huán)境下規(guī)定耐用性的構(gòu)件。析出加強(qiáng)型耐熱合金里面含有Al、Ti等經(jīng)典，與SUH600一樣，析出γ相，提升了鋁合金的強(qiáng)度和強(qiáng)度，因而，析出加強(qiáng)型耐熱合金適用扭簧、地腳螺栓、發(fā)動(dòng)機(jī)零件等條件持續(xù)高溫強(qiáng)度的零部件。