高温设备用耐热钢

王志江 张卫敏 张 春

（1.中国华电科工集团有限公司环保南京分公司 2.华东管道设计研究院 3.中石化管道储运有限公司管道科学研究院)

高温设备用耐热钢

王志江*1张卫敏2张 春3

（1.中国华电科工集团有限公司环保南京分公司 2.华东管道设计研究院 3.中石化管道储运有限公司管道科学研究院)

在450～800℃温度范围内，耐热钢具有优良的综合力学性能和耐腐蚀性能，且具有经济性方面的优势，通常用作高温设备的主体材料。阐述了耐热钢的强化机理，不同合金元素对耐热钢的强化作用和对耐热钢抗高温氧化性能的影响，以及温度对耐热钢疲劳性能的影响，可为高温设备的合理选材提供一定的指导。

高温设备 耐热钢 强化机理 合金元素 力学性能

高温下工作的设备其所用材料应具有足够的蠕变强度和持久强度。在这种情况下，材料应以高温强度作为强度设计的主要依据。选用较高强度的材料，不仅可以提高设备抵抗外力破坏的能力，保障设备安全运行，还可以避免因承压壳体厚度过大给设备加工制造带来的困难。因此，在保证设备安全的前提下，从降低制造难度和加工成本的角度考虑，高温设备设计时选择合适的材料尤为重要。

耐热钢和高温合金是高温设备制造时常用的材料。从选材的角度出发，这里的 “高温”只是一个温度范围，没有固定的界限。工程上通常将高于450℃的工作温度划为 “高温”的范畴。一般在450～800℃的温度范围内，耐热钢具有优良的综合力学性能和抗腐蚀性能，且价格低于高温合金，故在这个温度范围内，通常选用耐热钢作为设备的主体材料[1]。合金元素的成分和含量是影响耐热钢高温强度的主要因素。现就耐热钢的强化机理、合金元素的强化作用、合金元素对抗高温氧化性能的影响和耐热钢的特点等几个方面进行分析。

1 耐热钢的强化机理

高温强度是耐热钢的主要性能指标。耐热钢的强化机理主要有三种：固溶强化、弥散强化和晶界强化。

（1）固溶强化

固溶强化亦称基体强化。一般以铁素体为基体，通过加入一定量的合金元素，形成单相过饱和固溶体来达到强化的目的。在固溶强化过程中，原子间结合力的提高和晶格畸变使固溶体中的滑移变形更加困难，从而使基体得以强化。

（2）弥散强化

弥散强化亦称沉淀强化或析出强化。沉淀析出相具有高度的稳定性，能更有效地阻碍高温下的位错运动。耐热钢的沉淀强化主要是通过在钢中加入适量的强碳化物形成元素来实现的。如果在钢中加入多元合金元素，则可以得到稳定的、结构复杂的碳化物相，从而增强沉淀强化的效果。

（3）晶界强化

高温形变时晶界是薄弱环节，晶界强度随温度的升高而迅速下降。因此，在耐热钢中应加入能强化晶界的微量元素。在耐热钢中加入一些微量元素，可以显著消除有害气体和杂质的不利影响，提高晶界的高温强度，进而改善耐热钢的高温性能。

2 合金元素对耐热钢的强化作用 [2 ]

（1）铬的作用

铬的熔点高，其本身具有优良的抗蠕变性能。在低合金钢中加入微量的铬元素，能显著提高钢材的高温强度性能。在低合金钢中，铬经常与钼组合应用，以满足耐热钢的高温性能。

（2）钼的作用

钼溶于α铁素体中，能显著提高α铁素体的再结晶温度，强化铁素体；同时钼能以细小碳化物的形式产生弥散强化，从而提高钢材的蠕变强度。

（3）钒的作用

一般情况下，钒在钢中不会形成复杂的碳化物，经适当热处理后可以生成细小的、均匀分布的碳化物颗粒，从而使钢材得以强化。在Cr-Mo-V钢中，由于钒的碳化物十分稳定，能将碳固定而促使铬、钼等合金元素更多地溶入固溶体，所以间接起到了促进固溶强化的作用。

（4）其他合金元素的作用

钛元素能形成强碳化物和金属间化合物。在耐热钢中，钛可形成极微小的而又弥散分布的碳化物和金属间化合物，从而提高钢材的热强性能。钨元素不仅可以溶入固溶体形成固溶强化，还可以生成碳化物形成弥散强化。钨元素形成碳化物的能力比钼元素强，而钨与钼的复合作用对提高热强性更为有效。铌元素和钽元素也具有很好的热强性能。

3 合金元素对耐热钢抗高温氧化性能的影响

抗高温氧化性能也是耐热钢的重要性能指标之一。有助于提高耐热钢抗高温氧化性能的合金元素主要有铝、铬、硅和稀土元素[3]。

（1）铬的作用

铬是耐热钢中极为重要的合金元素，当合金钢中铬的含量足够高时，能够在钢的表面形成致密的氧化铬 （Cr2O3）氧化膜。致密的氧化膜不仅可以阻止氧、硫、氮等腐蚀性气体向钢中扩散，还能阻止钢中金属离子向外扩散。

（2）铝的作用

铝是耐热钢中重要的抗氧化合金元素，且经济性较高。含铝的耐热钢在其表面有一层氧化铝（Al2O3）薄膜，其抗氧化能力优于Cr2O3。

（3）硅的作用

在高温下，硅与氧化合反应可以在钢材表面形成一层保护性良好的、致密的氧化硅 （SiO2）膜，从而提高耐热钢的抗高温氧化性能。

（4）稀土元素的作用

稀土元素对耐热钢的抗氧化性能具有明显的增强作用。稀土元素氧化物可增强氧化膜与基体金属之间的结合力，促进其他元素在钢中扩散，使合金元素在钢的表面形成氧化膜。因此，往往在耐热钢中加入微量的稀土元素以提高其抗高温氧化性能。

4 耐热钢的特点

高温用耐热钢的特点主要表现在下述几个方面：高温下的蠕变现象、高温下组织结构的变化以及高温下力学性能的变化。

4.1 高温下的蠕变现象

所谓高温蠕变现象，是指金属长时间在恒定温度和应力的双重作用下缓慢地产生塑性变形的现象。一方面位错的运动和增殖引起形变和硬化；另一方面原子的扩散和移动产生回复现象消除形变和硬化。金属的蠕变就是在这一交错过程中进行。由于温度的升高加速了原子的扩散，回复过程易于进行，且高温下晶界的滑动对形变的影响较大，故蠕变现象随着温度的升高而越发显著。

4.2 高温下组织结构的变化

设备钢材在高温下长期运行，不仅会发生蠕变和应力松弛现象，而且其本身的组织结构也会发生变化。钢材组织的不稳定性会引起钢材性能退化，特别是影响高温力学性能。常见的组织结构变化有：渗碳体石墨化、珠光体球化、合金元素的再分配、新相的形成等。

4.3 高温下力学性能的变化

在高温下钢材力学性能的变化主要体现在高温硬度、高温短时拉伸性能和高温疲劳性能的变化。

（1）高温硬度

硬度是指材料抵抗局部塑性变形的能力。高温硬度是耐热钢重要的力学性能指标之一。研究表明，钢材的硬度随着温度的升高而降低。

（2）高温短时拉伸性能

在评定高温力学性能时，虽然主要考虑其持久强度极限和蠕变极限等力学指标，但在某些特殊情况下，钢材在高温下的工作时间很短，蠕变现象和持久强度不起决定性作用。因此，高温短时拉伸的力学性能数据就成为衡量钢材短时高温力学性能的重要指标。高温拉伸实验表明：钢材高温下的拉伸速率比室温下的拉伸速率要大得多。

（3）高温疲劳性能

高温疲劳是指钢材在高于再结晶温度下所发生的疲劳现象。高温疲劳与温度和时间相关。随着温度的升高，材料的高温疲劳强度降低；随着时间的延长，钢材的强度下降得愈明显。

5 结束语

耐热钢和高温合金是高温设备上常用的材料。本文通过对耐热钢的强化机理、合金元素对耐热钢的强化作用和对耐热钢抗高温氧化性能的影响、高温耐热钢的特点等方面的论述，分析了不同合金元素对耐热钢强度的影响和高温对耐热钢性能的影响，可为高温设备的合理选材提供一定的指导。

[1]王非，林英.化工设备用钢 [M].北京：化学工业出版社,2003：16-17.

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

[3]左景伊，左禹.腐蚀数据与选材手册 [M].北京：化学工业出版社，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，工程师。南京市，210013。