铸钢的高温性能研究

黄志慧

摘要：铸钢是工厂常用的一种材料，本文主要通过研究铸钢的高温性能以及在高温状态下的抗腐蚀性能，从而提高铸钢材质的抗氧化性等，以此减慢材料的老化过程，具有重要的意义。

关键词：铸钢材料 高温性能 抗氧化性 抗腐蚀性

在我厂所使用的设备及配件中，铸钢也是一种常用的材料。研究铸钢的高温性能及在高温状态下的抗腐蚀性能，从而提高铸钢材质的抗氧化性，减慢材料的老化过程，具有相当重要的意义。在高温条件下，具有良好抗氧化性能和足够高温强度的合金钢称为耐热钢。耐热钢的耐热性能有两种涵义：一种是热化学稳定性，主要指钢在高温环境中具有较好的抗氧化能力；另一种是指高温强度，即在温度与应力共同作用下钢的断裂强度。前者是材料的化学性能，后者是材料的力学性能。习惯上称前者为热稳定钢或抗氧化钢，后者为热强钢，热稳定钢和热强钢统称为耐热钢[1]。在我厂的实际生产中，因为介质的不同，主要是热化学稳定性方面的要求。

耐热钢的应用十分广泛，而且种类繁多，按照耐热钢中合金化元素含量的不同，可将其分为低碳耐热钢、低合金耐热钢、高合金耐热钢三类[2]。低碳耐热钢不含或含有少量其他合金元素，其含碳量一般不超过0.2%；低合金耐热钢通常含有一种或几种合金元素，但含量一般不超过5%，其含碳量也不会超过0.2%；高合金耐热钢中，合金元素的总含量高达30%，但含碳量一般较低。具有代表性的高合金耐热钢有铬镍奥氏体耐热钢、高铬铁素体耐热钢等。

Cr-Mn-N系耐热钢基体组织为奥氏体，并使用一定量锰、氮等能扩大奥氏体区的合金元素来代替部分镍，在保证材料性能的同时又节约了成本。这类钢可用来当作工作温度在900～950℃的热处理炉的构件，如炉底板、风扇等[3]。

虽然奥氏体耐热钢可通过多元合金化来获得较好的抗蠕变性能和较高的持久强度，但其高温抗氧化性能还有缺陷。当温度超过1000℃时，合金表面形成的Cr2O3保护膜易转变成具有挥发性的CrO3等氧化物，使其过早的氧化而报废。相比而言，铁素体耐热钢虽然高温强度较差，但其高温抗氧化性能较好，在高温下合金表面生成的Al2O3保护膜致密、坚固且不易挥发，在1200～1250℃时仍具有较高的稳定性。

综合Cr-Ni系奥氏体耐热钢及Cr-Al系铁素体耐热钢特点，科学工作者研制了一类新型Fe-Cr-Ni-Al双相耐热钢。这类钢具有优良的高温力学性能和高温抗氧化性能，1250℃下短时抗拉强度达到40MPa以上，断面收缩率在30%左右，被用于生产可控气氛热处理炉的辐射管、炼镁反应罐和电站锅炉件等[4]。

耐热钢构件在高温下工作时不但承受拉伸、弯曲、扭转、疲劳、冲击等载荷作用，还与高温空气、蒸汽、或燃气接触，表面易发生高温氧化或气体腐蚀[5]。因此，耐热钢在高温条件下工作必须满足两个方面的性能要求：①热化学稳定性；②热强性。

热稳定性是指钢在高温下的抗氧化性能及抗高温介质腐蚀性能，其中抗氧化性能是保证工件在高温下持久工作的最基本、最重要的条件。

钢件在高温氧化环境中工作时，表面与氧发生复杂的化学反应生成铁的多种氧化物层，该氧化物层很疏松，失去了钢原有的特性，极易脱落。为提高钢的高温抗氧化性，可向钢中加入抗氧化性能比较好的合金元素，从而改变氧化物的结构[6]。常用的合金元素有铬、硅、铝等，它们均可与氧反应生成致密、稳定且与钢件表面牢固结合的Cr2O3，SiO2、Al2O3等氧化膜层，这些氧化膜可以有效阻止氧、硫等腐蚀性气体向钢中扩散，也能阻止金属离子向外扩散，以保护钢体不再继续氧化。一定范围内，铬、硅、铝等合金化元素加入量越多，钢的高温抗氧化性越好，但硅、铝等加入量过多时，钢的力学性能和工艺性会变差。所以，耐热钢应以铬为主要合金元素，以硅、铝为辅助元素[7]。

钢的热强性表示金属在高温和载荷长时间作用下抵抗蠕变和断裂的能力，为了提高耐热钢的热强性，可以采用固溶强化、第二析出相强化和晶界强化等方法。

固溶强化是将某些合金元素加入耐热钢中，形成单相过饱和固溶体，从而强化其热强性。大量研究和实践表明，固溶强化是提高耐热钢热强性最有效的途径。因此通常采取向基体中加入一种或几种合金元素的办法，以形成单相固溶体，来提高基体金属的热强性。而且在元素周期表中合金元素距基体元素位置越远，强化效果越明显，Mo、Cr、Mn等是提高金属基体热强性效果显著的几种合金元素。

第二相强化包括时效析出沉淀强化、铸造第二相骨架强化和弥散质点强化等，其强化机理是：用固溶强化手段来设置位错运动障碍不够稳定且强化效果有限，因此为了更有效的阻碍位错运动，提高耐热钢的热强性，必须使合金含有稳定的障碍物。这种障碍物可以是液态凝固时析出的，也可以是热处理时由固态析出的，由于析出相的高度稳定性，可以使得耐热钢使用温度提高到1050～1200℃。

晶界是晶体结构的二维面缺陷，在高温和长时间的应力作用下，同时是最为薄弱的环节，它会造成晶界处产生裂纹，但是对提高晶界强度却有着十分重要的意义。周期表中有许多元素易分布于晶界，将严重影响晶界特性，如钢中硫、磷等低熔点杂质易在晶界偏聚，并与铁基体形成低熔点共晶体，从而削弱晶界强度，使得热强性降低。大量的研究表明：在钢中加入硼或稀土等元素，在结晶过程中可作为晶核，使易熔杂质从晶界转入晶内，净化晶界并形成高熔点的稳定化合物，从而可以提高耐热钢的热强性。

表面涂覆是一种常用的提高钢的高温抗氧化性的方法，如电泳陶瓷层、化学镀镍、渗铬、铝铬共渗等。其中，渗铝是提高耐热钢抗高温氧化性的有效手段。耐热钢渗铝后，表面可形成致密的Cr2O3及Al2O3氧化膜[8]，可使耐热钢长期在1100～1200℃氧化气氛中工作，年腐蚀率小于0.1mm/a，属完全抗氧化材料。

影响耐热耐磨铸钢性能的因素主要包括化学成分、熔炼工艺及热处理规范等几个方面。化学成分从根本上决定了材料的组织和性能，熔炼和热处理工艺则是获得材料不同组织的有效手段。因此试图从材料成分选择出发，设计不同的热处理规范，研究在铸态及不同热处理状态下材料的微观组织及其高温抗氧化性和热强性等特性的变化规律，从而确定适宜的热处理规范，并最终得到性能优异的耐热耐磨性好的铸钢。

耐热耐磨钢的使用寿命主要是由材质、工况条件以及制造工艺等因素决定的。因此合理的选材是保证耐热钢铸件具有良好的高温抗氧化性、热强性的一个重要的环节。在设计化学成分的时候，我们必须要对材料的成分进行综合考虑，这样才能避免所选用的耐热钢因为不能满足工况要求而提前失败，以此造成不必要的材料浪费，并且增加成本。

合理的热处理工艺能够调整合金强化相的形态、数量、尺寸以及分布等，以此充分发挥合理的性能潜力，获得良好的综合力学性能。

参考文献：

[1]崔忠圻.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，1999：379-384.

[2]朱日彰，卢亚轩.耐热钢和高温合金[M].北京：化学工业出版社，1995：52-53.

[3]章文伦.新材料研究及其工业应用的发展[J].机械工程材料，1996（5）：1-7.

[4]王守仁，张景春，王砚军.铁铬镍铝双相耐热合金钢的研制[J].济南大学学报，2002（2）：177-179.

[5]胡宾伟.耐热钢的设计思想[J].装备制造技术，2006（4）：43-47.

[6]Birks N，Merier G H.introduction to high temperature， London，edward Arnold，1983.

[7]邓想，孙玉福，石广新.ZG30Cr30Ni8Si2NRE耐热钢的抗氧化性研究[J].热加工工艺，2005（3）：19-21.

[8]郝建堂，芦杰.耐热钢的热浸渗铝及其性能实验[J].钢铁，1996（12）：45-48.