耐热钢的选用.docx
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耐热钢的选用
耐热钢的选用
一．什么是耐热钢
耐热钢是指在高于450℃条件下工作，并具有足够的强度、抗氧化、耐腐蚀性能和长期的组织稳定性的钢种。
耐热钢从性能上分为热强钢和抗氧化钢（不起皮钢）。
含Ni量很高的耐热钢称为高温合金。
二．耐热钢的分类与适用范围：
见附表一
【附表一】耐热钢的分类与适用范围
钢种
钢号
使用温度℃
适用范围
马氏
体
铬
钢
4Cr9Si2
800
不起皮钢,用于小负荷的耐热件。
1Cr13
700
不起皮钢，用于小负荷的耐热构件，常用于电热元件的引出棒。
减震性良好。
铁
素
体
1Cr17
900
不起皮钢，900℃以下常用于无负荷的、不渗C的电热设备构件。
1Cr25Ti
3Cr25Si3Ni
1Cr28
1100
1100
1150
不起皮钢，抗硫腐蚀性好，常用于小负荷的加热设备构件。
奥
氏
体
铬
镍
钢
1Cr18Ni9Ti
900
在空气中有优良的抗腐蚀性，不耐盐酸、稀硫酸腐蚀和氯离子应力腐蚀，900℃用做负荷构件。
1Cr14Ni14Mo2WNb
850
不起皮钢,热强钢，抗晶间腐蚀性能良好，用作负荷构件。
1Cr23Ni13
1000
抗热疲劳性好，980℃下用做负荷构件
1Cr23Ni18
1050
不起皮热强钢,中等负荷适用于850℃，小负荷用于900～1050℃。
3Cr18Ni25Si2
1100
不起皮钢,热强钢,对含硫气氛敏感，用作负荷构件。
1Cr25Ni20Si2
1Cr25Ni20
1200
最常用的不起皮钢和热强钢。
较高的Si含量可阻止深层氧化。
1Cr20Ni35
1200
不起皮钢和热强钢，有较高的综合性能，用作负荷构件。
铬
镍
氮
4Cr22Ni4N
3Cr24Ni7SiNRe
3Cr30Ni11N
1000
不起皮钢和热强钢，用作负荷构件。
1050
1100
铬
锰
氮
钢
45Cr20Ni5Mn5WMoN
3Cr18Mn12Si2N
3Cr22Mn4Ni4Si2N
2Cr20Mn9Ni2Si2N
900
常用的不起皮钢和热强钢,有较高的抗硫腐蚀性能和抗渗C性能，用于气氛保护热处理设备。
950
1000
1050
铁
锰
铝
6Mn18Al5Si2Ti
6Mn28Al7TiRe
6Mn28Al9TiRe
950
不起皮钢和热强钢,用于中小负荷耐热构件。
1050
1050
三．常用耐热钢的化学成分与机械性能：
见附表二；附表三
【附表二】常用耐热钢的主要化学成分％
钢号
C
Si
Mn
Cr
Ni
其它
4Cr9Si2
0.35～0.50
2.0～3.0
≤0.7
8.0～10.0
≤0.6
－
1Cr13
0.08～0.15
≤0.6
≤0.8
12.0～14.0
≤0.6
－
1Cr17
≤0.12
≤0.8
≤0.8
16.0～18.0
－
－
1Cr25Ti
≤0.12
≤1.0
≤0.8
24.0～27.0
－
Ti0.50～0.8
3Cr2Si3Ni
≤0.35
2.5～3.5
≤0.7
23.0～27.0
0.7～1.3
－
1Cr28
≤0.15
≤1.0
≤0.8
27.0～30.0
－
－
1Cr18Ni9Ti
≤0.12
≤1.0
≤2.0
17.0～19.0
8.0～11.0
Ti0.50～0.8
1Cr14Ni14Mo2WNb
0.09～0.15
≤0.55
0.5～1.0
13.0～15.0
13.0～15.0
Mo1.7～2.0
W1.25～1.65
Nb0.7～＜1.2
1Cr23Ni13
≤0.20
≤0.10
≤2.0
22.0～25.0
12.0～15.0
－
1Cr23Ni18
≤0.20
≤0.10
≤2.0
22.0～25.0
17.0～20.0
－
3Cr18Ni25Si2
0.3～0.4
1.5～2.5
≤1.5
17.0～20.0
23.0～26.0
－
1Cr25Ni20Si2
≤0.20
1.5～2.5
≤1.5
24.0～27.0
18.0～21.0
－
1Cr20Ni35
≤0.15
1.0～2.0
0.5～1.0
15.0～20.0
30.0～35.0
－
4Cr22Ni4N
0.35～0.45
1.2～2.0
≤1.0
21.0～24.0
3.5～5.0
N0.23～0.30
3Cr24Ni7SiNRe
0.27～0.37
1.3～2.0
≤1.0
23.0～26.0
7.0～8.7
N0.20～0.30
Re0.20～0.30
3Cr30Ni11N
0.30～0.40
≤0.85
≤0.6
29.0～32.0
9.0～13.0
N0.20～0.30
45Cr20Ni5Mn5WMoN
0.40～0.50
1.2～2.0
4.5～5.5
19.0～21.5
4.5～5.5
W0.7～1.1
Mo0.7～1.1
3Cr18Mn12Si2N
0.22～0.30
1.4～2.2
10.5～12.5
17.0～19.0
－
N0.22～0.30
3Cr22Mn4Ni4Si2N
0.30～0.40
1.5～2.0
3.5～5.5
20.0～23.0
3.5～5.5
N0.22～0.28
2Cr20Mn9Ni2Si2N
0.17～0.26
1.8～2.7
8.5～11.0
18.0～21.0
2.0～3.0
N0.20～0.30
6Mn18Al5Si2N
0.6～0.7
1.8～2.5
18.0～20.0
－
－
Al4.5～5.5
Ti0.15～0.35
6Mn28Al7TiRe
0.55～0.75
0.8～1.5
27.5～30.0
－
－
Al16.0～18.0
Re0.1、Ti0.1
6Mn28Al9TiRe
0.55～0.75
0.8～1.5
27.5～30.0
－
－
Al18.0～20.0
Re0.1、Ti0.1
四．更高使用温度的钢种
㈠．KanthalAPM:
㈡．高温耐蚀合金：
KF62㈢。
高温耐蚀合金：
KY10
1.最高使用温度：
1300℃
1.最高使用温度：
1260℃最高使用温度：
1360℃
2成分：
Cr22％Al4～6％
2．成分：
Ni-Cr-Fe基和金+Ti,Zr,Y1300℃长期抗氧化；1360℃短期抗氧化
3．蠕变强度:
3．应用特点;Fe-Ni-Cr-Al-Re合金
10000h;1300℃:
0.4MPa
优良的高温氧化腐蚀抗力，适用于高温低氧分压环境和含S,C热腐
4．表面负荷：
优良的硫化，氯化，碳化抗力蚀环境的受力构件。
1200℃：
22Kw/m2
较高的高温强度与蠕变断裂强度
用于耐高温氧化的钢管
【附表三】常用耐热钢的室温力学性能
钢号
抗拉强度
σb/MPa
屈服点
σS/MPa
伸长率
δS（％）
断面收缩率
ψ（％）
冲击韧性
αK/J·㎝2
4Cr9Si2
900
600
19
50
----
1Cr13
600
420
20
60
90
1Cr17
400
250
20
50
----
1Cr25Ti
450
300
20
45
----
1Cr18Ni9Ti
550
200
40
55
----
1Cr14Ni14Mo2WNb
400
200
18
35
40
1Cr23Ni13
550
250
35
50
----
1Cr23Ni18
550
250
35
50
----
3Cr18Ni25Si2
650
350
25
40
----
1Cr25Ni20Si2
600
300
25
50
----
4Cr22Ni4N
1000
----
10
19
40
3Cr18Mn12Si2N
70
40
35
45
----
2Cr20Mn9Ni2Si2N
65
40
35
45
---
6Mn28Al9TiRe
45
----
----
----
4
【附表四】常用耐热钢的抗氧化性能
钢号
氧化增重（失重）速度/g·（m2··h）－1
800℃
900℃
1000℃
1100℃
1200℃
1Cr13
（0.45）
（2.0）
（4.2）
－
－
1Cr17
（0.2）
（0.4）
（2.0）
－
－
1Cr25Ti
－
－
（0.85）
－
－
1Cr28
－
（0.12）
（0.2）
（1.15）
－
1Cr23Ni18
－
（0.28）
（0.48）
（1.65）
－
3Cr18Ni25Si2
－
－
0.126
0.835
1.125
4Cr25Ni20
－
－
0.092
0.336
0.999
4Cr22Ni4N
－
0.15
0.25
－
－
3Cr24Ni7SiNRe
－
－
0.151
0.692
0.931
3Cr30Ni11N
－
－
0.132
0.451
1.085
850℃
45Cr20Ni5Mn5WmoN
0.018
0.125
1.860
－
－
3Cr18Mn12Si2N
0.181
0.238
2.218
－
－
3Cr22Mn4Ni4Si2N
0.018
0.032
0.229
－
－
注：
氧化增重是质量指标；（）为失重速度；
五。
耐热钢的应用性能
㈠．耐热钢的高温腐蚀
耐热钢在高温下使用，根据使用温度的高低，环境因素的不同，不同的钢种会受到不同性质、不同程度的腐蚀·主要包括：
1．高温氧化（狭义）
耐热钢的狭义高温氧化是指耐热钢在高温下与氧气反应生成金属氧化物的过程。
氧气可以是纯氧，或是含氧的干燥空气。
这是最基本、最基础的耐热钢腐蚀现象。
其氧化的程度以氧化增重量表示：
g·cm﹣2·h﹣1。
该数值愈小，耐热钢的抗氧化性能愈强。
水蒸气加速高温氧化过程；外加载荷加速高温氧化过程。
常用耐热钢的抗氧化性能比较见附表四。
2．高温碳化
高温碳化是指耐热钢在高温下含C及其化合物的还原气氛中与其反应生成碳化物的过程。
增重愈小，耐热钢的抗增碳性能力愈强。
能力的大小取决于耐热钢表面产生的保护性氧化膜的致密性与稳定性。
3．高温硫化
高温硫化是指耐热钢在高温下的氧化性或还原性含硫介质中与其反应生成硫化物的过程。
耐热钢在含硫介质中经受氧化、还原、和抵抗硫腐蚀三重作用。
腐蚀能力以腐蚀速率mm·cm–2·h–1表示。
4．高温氮化
高温氮化是指耐热钢在高温下的氮气或含氮介质中与其反应生成氮化物的过程。
耐热钢抵抗高温氮化腐蚀的能力大小取决于钢中元素与氮的亲和力。
5．高温卤化
耐热钢在卤族（氟、氯、溴、碘）元素介质中会产生强烈的腐蚀（点状腐蚀）称为高温卤化。
其中氯尤其严重，合金中的Cr、Ni、Al、Fe与氯都有很强的亲和力，在低温潮湿环境下形成挥发性很强的化合物。
因此，耐热钢在卤族元素介质中使用温度通常不超过500℃。
6．混合气体氧化
在多种元素或化合物的混合介质中，耐热钢会产生两种以上的氧化，如硫化－氧化；硫化－碳化等。
这是实际应用中最通常的情况。
7．氢腐蚀
在高温高压的氢气中，氢原子渗入耐热钢中与碳化物发生反应，产生甲烷气体致使钢表面发生气泡或开裂，并且表面脱碳。
这种腐蚀称为氢腐蚀。
耐热钢焊接时，焊缝中的氢气排不出来，也造成焊缝的腐蚀。
以上所有的腐蚀现象都是从耐热钢表面的保护性氧化膜遭到破坏开始。
钢中主要元素的作用及其含量的不同，致使不同的耐热钢具有不同的抗腐蚀能力。
㈡．耐热钢中主要元素对耐热钢性能的影响
1．C:
碳的作用是双重的。
碳是不可缺的稳定奥氏体的元素。
碳含量的提高可增强钢的强度与硬度。
但碳与铁、铬的亲和力很强，形成有害的碳化铁、碳化铬。
降低碳的含量可提高钢的可焊性与冷变形能力。
由于对耐热钢主要应用其抗高温氧化能力，故较低的含C量是有利的。
一般的含C量应在0.1～0.2％之间。
2．Cr:
铬是耐热钢中抗高温腐蚀的起决定作用的主要元素。
其原因之一是铬使铁基固溶体的电极电位提高；吸收铁的电子使其钝化。
其原因之二是在钢的表面形成有利的氧化膜Cr2O3;连续的致密的氧化膜可有效的阻止离子通过膜的扩散减缓氧化速度。
合金中的Cr含量应达到15～20％以上。
高含铬不锈钢有较强的抗氢腐蚀能力。
3．Ni:
镍是耐热钢中与铬形成奥氏体的重要合金化元素，使高铬钢的组织发生变化。
提高钢的热强性与耐腐蚀性。
其本身也是优良的耐腐蚀材料。
4．Al：
铝在耐热钢的热处理中固溶强化作用大。
由于与氧的亲和作用强，高温下形成保护性氧化膜Al2O3，可有效的阻止离子通过膜的扩散减缓氧化速度。
在渗氮钢中形成坚硬耐蚀的渗氮层。
含量多在3～5％之间。
过高的含量对钢的力学性能不利。
为提高耐热钢的抗高温腐蚀能力，可在表面渗铝，但最多只能镕入≤7％的铝。
5．Si:
硅在高温氧化生成SiO2,分布在保护性氧化膜与基体金属之间。
组织氧进一步渗入，降低合金的氧化速度，提高耐热钢的耐蚀性。
适量的Si调整钢的机械性能，提高弹性极限，其含量不超过2％。
过量的Si反而提高氧化增重，且影响钢的可焊性能与冷作性能。
6.Ti:
钛在耐热钢中可提高抗氧化性与蠕变强度、持久强度。
有明显的防止和减轻晶间腐蚀、应力腐蚀的作用。
7．Mo:
钼在耐热钢中含量为0.5％时，能降低或抑制其它元素导致的回火脆性。
在较高回火温度下，能提高钢的热强性和蠕变强度。
含量为2～3％钼的耐热钢能抵抗有机酸及还原性介质的腐蚀。
钼是贝氏体高强钢的重要元素之一。
8．Mn:
由于锰氧化后生成MnO并与Cr2O3结合，使氧化速度增加，并降低氧化膜与基体金属的结合能力，使氧化膜易于脱落。
降低了耐热钢的抗氧化性能。
它的主要作用是替代镍在低合金钢中作为奥氏体钢的奥氏体化元素。
9．N:
耐热钢中含有2％氮，能稳定钢中的奥氏体。
由于氮化物在晶界上析出，提高晶界高温强度，从而增加了钢的蠕变强度。
。
10．Re:
耐热钢中含有0.2％Re,可以提高钢的抗氧化性，提高高温强度和蠕变强度。
可以较大幅度的提高耐蚀性。
含钇的耐热钢高温下形成的Y2O3能与Cr2O3、、Al2O3共同形成致密的氧化膜，提高耐热钢抗氢腐蚀能力.
㈢常用耐热钢的高温强度见附表五。
【附表五】常用耐热钢的高温强度
钢号
持久强度
蠕变强度
2Cr13
1000～1050℃油淬
720～750℃
回火
温度℃
σb/
10000
σb/
100000
温
度
℃
σb/
1000
σb/
10000
σb/
100000
MPa
MPa
450
330
270
260
450
270
180
470
260
210
190
475
120
500
230
190
160
500
160
110
70
530
160
100
75
550
70
50
40
1Cr13
1030～1050℃油淬680～700℃
回火空冷
温度℃
σb/
10000h
σb/
100000h
σb/
1000h
温度
℃
σ1/
10000h
σ1/
100000h
MPa
MPa
470
260
220
300
400
123
500
220
190
270
450
105
530
190
160
230
500
95
57
4Cr9Si2
1040℃30min油淬，750℃油冷。
镕铝坩埚专用。
400
130
116
500
110
95
600
58
50
650
27
20
1Cr18Ni9Ti
棒材1130～
1160℃水冷，
800℃10h或
700℃24h时效。
温度℃
σ1/
σ1/
σ1/
温
度
℃
1000h
10000h
100000h
MPa
MPa
550
240～290
190～240
140～200
600
180～220
130～170
90～130
650
110～140
60～100
40～70
700
70～120
50～70
30～50
1Cr23Ni13
1100～
1150℃
水冷
温度
℃
度
℃
σb/
10000h
σb/
100000h
σb/
1000h
温度
℃
σ1/
10000h
σ1/
1000h
MPa
MPa
600
91
载荷649
134
600
81
100
700
49
载荷704
84
700
34
45
800
28
载荷760
56
800
12.5
23
900
21
载荷816
28
900
3
11
11000
载荷871
21
1000
2.5
5
1Cr23Ni18
固溶处理
600
140～150
100
600
90～98
60
650
180～190
90～120
60～80
700
35～36
24～35
700
100
50～60
35
800
13
6～7
800
40～60
21～35
12～13
900
4
钢号
持久强度
蠕变强度
1Cr25Ni20Si2
1100～1105℃
水或空冷
温度
℃
σb/
10000h
σb/
100000h
σb/
1000h
温
度
℃
σ1/
10000h
σ1/
1000h
MPa
MPa
最高使用温度：
1200℃；
连续使用温度：
1150℃；
连续使用温度：
1050～1100℃
800
18
8
800
13
20
900
7
3
900
5
9
1000
1．5
0．5
1000
4
1100
1100
1．5
1200
1200
0．5
3Cr18Mn12Si2N
1100～1150℃
40Min,空冷
较好的抗氧化性，
抗硫腐蚀性，
抗渗碳性，
可长期在950℃下使用。
适用于加热炉传送带，炉底板
渗碳炉罐。
温度
℃
σ/
MPa
断裂时间h
δ（％）
900
30
490
44.3
40
261.8～238.3
39.4～
47.7
50
97.7～
97.5
49.3～
44.0
60
61.4～
42.0
54.7
20Cr20Mn9Ni2Si2N
1100～1150℃水冷。
耐急冷急热性能高，适用于盐浴炉坩埚。
温度
℃
铸造
方法
σb/
10000
σb/
1000
MPa
900
普通
10～11
17～20
离心
16
26
六．耐热钢的正确使用
1．根据环境介质的不同，选择适用的耐热钢。
2．使用中的注意事项
1．尽量形成稳定致密的保护性氧化膜－预氧化处理
耐热钢表面具有稳定致密的保护性氧化膜是设备正常使用的必备条件。
因此电加热设备在正式启用前，通电加热至足够高的温度，保温足够长的时间，以便形成理想的氧化膜。
正常使用过程不能代替预氧化处理。
预氧化处理应在空炉下进行。
预氧化温度应高于正常使用温度50℃（不能超过该材料允许最高使用温度），保温时间4～6小时。
如设备长时间停用，重新使用前也应作预氧化处理。
2．设备使用温度不超过该材料允许最高使用温度，整体不过烧。
3．设备加热均匀，局部不过热。
使用棒状加热元件时，加热元件应与被加热设备保持足够距离。
4．焊接部位必须按照正确的焊接工艺施焊。
尽量避免与减少焊缝周围母材的氢腐蚀及晶间腐蚀。
5．为确保耐热钢的使用寿命及设备的正常使用，正确选材是保证，搞清气相环境是前提。
气相环境的各种参数是直接决定和影响耐热钢氧化的根本因素。
其中包括：
1．气相的化学成分是单一的氧气还是含两种以上反应气体的混合气体。
2．气相的总压力和反应气体组分的分压以及压力的变化。
3．气体流动状态及流速。
4．流动气体是否含有易与耐热钢表面反应的粒状物。
5．环境温度是恒定的还是交变的。
6．外力作用是恒定的还是交变的。
6．工件的正常加热过程中，在设备内放置同材质的试件，以试件的观察评定结果代替对耐热钢设备的评价。
⑺．耐热钢设备在加热过程中，尽量避免急冷急热。
3．耐热钢的使用场合见附表六。
【附表六】耐热钢的使用场合
牌号
类型
用途
1Cr18Ni9Ti
奥氏体
通用性不锈钢。
民用、建材、工业一般防腐耐热850℃
1Cr18Ni9
通用性不锈钢。
民用、建材、工业一般防腐耐热850℃
冷做后性能提高。
0Cr18Ni9
作为不锈耐热钢使用最广泛，食品用设备。
化工、原子能工业用。
0Cr25Ni20
炉用材料，汽车排气净化装置用材料。
00Cr19Ni10
用于抗晶间腐蚀性要求高的化学、煤炭、石油产业的野外露天机器、建材、耐热零件及热处理
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