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(guò)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(guò)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(guò)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(lèi)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(lèi)[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(guò)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(guò)5%，其含碳量也不會(huì)超過(guò)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(lái)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(lèi)鋼可用來(lái)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(guò)多元合金化來(lái)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(guò)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(guò)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(lèi)新型Fe-Cr-Ni-Al雙相耐熱鋼。這類(lèi)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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?；瘜W(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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