合金钢配件是工业的基石

2024-11-07

1.耐热合金钢的独特成分

耐热合金钢之所以能在高温环境下表现出色，关键在于其独特的成分组成。铬、钼、镍、钒、钨等关键元素以及碳化物和固溶体共同作用，赋予了合金钢卓越的性能。

铬是不锈钢中的主要合金元素，在高温下具有出色的耐腐蚀性，其在钢表面形成的氧化层能有效防止进一步氧化和结垢。例如，当钢中含铬量达 12％时，钢的抗高温氧化能力明显提高，含量达 22％时，在 1000℃下抗高温氧化性能极为良好。

钼可提高钢在高温下的强度，提高抗点蚀和缝隙腐蚀的能力，同时有助于提高抗蠕变性。钼为难熔金属，熔点高（2625℃），固溶到基体金属中能提高固溶体的再结晶温度。在低合金耐热钢中，钼的作用是强化固溶体及形成细小的碳化物相，如常见的铬钼低合金钢（9/4Cr1Mo 钢）。

镍可提高钢在高温下的韧性和强度，特别是可降低铬含量可能引起的脆化。镍是扩大 γ 相区，形成无限固溶体的元素，在耐热钢中，当镍含量不低于 25％时，能使钢在室温下获得纯奥氏体组织。

钒可提高钢的强度，尤其是在高温服务下，还可提高淬硬性和耐磨性。钢中加 0.5% 的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性，钒与碳形成的碳化物在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。

钨可提高高温强度和抗蠕变性，为难熔金属，熔点高（3380℃），固溶到基体金属中能提高固溶体的再结晶温度。在珠光体型耐热钢中，加钨可提高固溶体的热强性；在铁素体型耐热钢中，加钨可强化 α 相固溶体，产生弥散强化。

碳化物如钨、钼和铬等元素形成的碳化物在高温下稳定，提供强度和耐磨性。固溶体中镍和锰等元素形成的固溶体增强合金的机械性能，提高其抗蠕变能力并在高温下保持强度。这些成分的协同作用使得耐热合金钢成为高温环境下的理想选择。

2.常见等级与特性

不同等级的耐热合金钢

P11 和 P22：P11 高压合金管由 P11 合金钢制成，具有优异的耐高温性能和耐腐蚀性能。其中含有较高比例的铬和钼，在高温下仍能保持较高的强度和抗氧化能力。P11 和 P22 是铬钼合金钢，广泛用于发电行业的锅炉、压力容器和管道。如 P22 钢为 2.25Cr - 1Mo 低合金钢，具有较高的热强性能，良好的抗氧化性、抗氢蚀能力和焊接性能，在电站锅炉等高温设备中应用广泛。

F91：F91 是一种含有铬、钼和钒的高级合金钢。它用于蒸汽管道和其他高温应用，在高温下具有出色的强度和耐用性。F91 不仅具有高的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能，还具有良好的冲击韧性和高而稳定的持久塑性及热强性能。在使用温度低于 620℃时，其使用应力高于奥氏体不锈钢。

310 和 321 不锈钢：310 不锈钢在高达 1100°C 的温度下具有很强的抗氧化和抗结垢能力，可用于熔炉和反应堆。321 不锈钢添加了钛，可用于需要在高温下具有抗晶间腐蚀能力的应用。例如，321 不锈钢是用钛稳定化的 18/8 奥氏体不锈钢（304），在 425 - 900°C 的碳化物析出温度范围内加热后，不会发生晶间腐蚀。

耐热合金钢的特性

耐热合金钢具有高温强度，能够在高温环境下保持较高的强度，这是其区别于普通钢材的重要特性之一。如 F91 在高温下具有出色的材料性能，其拉伸强度应达到 585 MPa 以上，屈服强度应达到 415 MPa 以上。

化学稳定性也是耐热合金钢的重要特性。铬、铝、硅等元素在高温下能促使金属表面生成致密的氧化膜，防止继续氧化，提高钢的抗氧化性和抗高温气体腐蚀的能力。例如铬在钢表面形成一层保护性氧化层，防止在高温下进一步氧化和结垢。

耐热合金钢分为抗氧化钢和热强钢两大类，多样化分类满足了不同领域的需求。抗氧化钢具有较好的化学稳定性，但承受的载荷相对较低；热强钢则要求较高的高温强度和抗氧化性。耐热钢常应用于制造锅炉、汽轮机、动力机械等工业设备，以及航空、石油化工等工业部门中的高温工作零部件，在这些领域中发挥着重要作用。

3.高温工业中的广泛应用

发电领域

在火力发电厂中，耐热合金钢配件起着至关重要的作用。锅炉作为核心设备之一，需要承受高温高压的蒸汽环境。耐热合金钢能够在这样的恶劣条件下保持稳定的性能，确保锅炉的安全运行。例如，700℃超超临界火电站中，超超临界耐热合金被用于制造汽轮机转子、锅炉等装备。2021 年我国火力发电量占全社会总发电量的 71.13%，为实现 “碳中和”，提升火电机组热效率、降低能耗与碳排放至关重要，而耐热合金钢正好满足这一需求。

过热器负责将饱和蒸汽加热为过热蒸汽，其工作温度极高。耐热合金钢在此处能够承受高温蒸汽的冲刷，保持结构完整性，提高热交换效率。热交换器需要在不同温度的流体之间进行高效的热传递，耐热合金钢的良好导热性和耐高温性能使其成为理想的材料选择。蒸汽涡轮机在运行过程中，叶片等部件高速旋转并承受高温蒸汽的作用，对材料的强度和耐热性要求极高。耐热合金钢能够确保蒸汽涡轮机在高温高压下稳定运行，减少停机维护的频率，提高发电效率。

石化工业

炼油厂和化学加工设施中的反应器、熔炉和蒸馏装置等设备需要在高温和腐蚀性化学物质的环境下工作。耐热合金钢配件能够满足这些苛刻的要求。反应器中进行着各种化学反应，温度和压力变化频繁。耐热合金钢的抗蠕变性和抗氧化、结垢性能使其能够承受这种复杂的工作条件，保证反应的顺利进行。

熔炉是石化工业中高温加工的关键设备，温度通常在数千度以上。耐热合金钢能够在如此高温下保持强度和稳定性，防止设备变形和损坏。蒸馏装置需要在高温下分离不同沸点的物质，对材料的耐热性和化学稳定性要求较高。耐热合金钢的独特成分使其能够抵抗腐蚀性化学物质的侵蚀，确保蒸馏过程的高效和安全。

例如，2535Nb 合金作为一种铁镍基耐热合金，主要用于石化工业离心铸管重整炉的焊接。它可以有效地抵抗高温氧化和腐蚀，确保焊接质量和安全性。此外，供应石化加热炉炉管吊架耐热合金钢铸件，如中间管板、吊钩、拉钩等，能够在高温环境下为加热炉提供稳定的支撑。

航空航天

在航空航天领域，喷气发动机和涡轮机部件等对耐热合金钢的依赖程度极高。喷气发动机在工作时，燃烧室温度可高达数千度，涡轮叶片和导向叶片等部件需要承受巨大的热应力和机械应力。耐热合金钢的高温强度、抗氧化性和抗蠕变性使其能够在这种极端环境下维持结构完整性和性能。

例如，高温合金在航空发动机涡轮中的应用非常关键。航空发动机涡轮叶片是承受温度载荷最剧烈和工作环境最恶劣的部件之一，对材料的要求十分严格。导向器用高温合金需要具有足够的高温强度、持久蠕变性能及良好的热疲劳性能，较高的抗氧化性和热腐蚀性能等。涡轮工作叶片用高温合金应在使用温度下具有很高的抗蠕变和持久断裂强度，足够的塑性和冲击韧性等。涡轮盘作为受力最大的转动承力件，要求合金在使用温度下具有最高的屈服强度、冲击韧性等性能。耐热合金钢的优异性能为航空航天事业的发展提供了可靠的保障。

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