先来说耐热钢和耐热合金。这两者的区别并没有明确的规定,通常将合金元素含量小于50%的称为耐热钢,合金元素含量大于50%的,叫做(铁基)耐热合金。两者的分别主要在于合金元素含量。
再来说耐热钢和高温合金。耐热钢是指具有良好的高温抗氧化性和高温强度的钢。耐热钢和耐热合金在较高载荷下的最高使用温度一般只能达到750℃~850℃。对于更高温度下使用的部件,则采用镍基、钴基及难熔金属为基的高温合金。两者的分别主要在于耐高温温度范围。
金属材料的耐热性包含高温抗氧化性和高温强度两个方面。
① 高温抗氧化性
金属的高温抗氧化性是指钢在高温条件下对氧化作用的抗力,是钢能否持久地在高温下工作的重要保证条件。
氧化是一种典型的化学腐蚀,在高温空气、燃烧废气等氧化性气氛中,金属与氧接触发生化学反应即氧化腐蚀,腐蚀产物(氧化膜)附着在金属的表面。随着氧化的进行,氧化膜厚度继续增加,金属氧化到一定程度后是否继续氧化,直接取决于金属表面氧化膜的性能。如果生成的氧化膜是致密、稳定的,与基体金属结合力高,氧化膜强度较高,就能够阻止氧原子向金属内部的扩散,降低氧化速度,否则会加速氧化,使金属表面起皮和脱落等,导致零件早期失效。
钢表面氧化膜的组成与温度有关,在570℃以下,氧化膜由Fe2O3+Fe3O4组成,比较致密,能有效地阻碍氧的扩散,抗氧化性较好。大于570℃加热,氧化膜由FeO+Fe2O3+Fe3O4组成,靠近钢表面的是FeO,向外依次为Fe3O4和Fe2O3,FeO疏松多孔,占整个氧化膜厚的90%左右,金属原子和氧原子很容易通过FeO层扩散,加速氧化。高温下FeO的存在,钢的抗氧化性大大下降,而且温度越高,原子扩散越快,氧化速度越快。
提高钢的抗氧化性主要途径是合金化,在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素,使钢在高温与氧接触时,优先形成致密的高熔点氧化膜Cr2O3、SiO2、Al2O3等,严密地覆盖住钢的表面,阻止氧化的继续进行。
② 高温强度
金属的高温强度是指金属材料在高温下对机械载荷作用的抗力,即高温下金属材料抵抗塑性变形和破坏的能力。
金属在高温下表现出的力学性能与室温下有较大的区别,当工作温度大于再结晶温度后,金属除了受外力作用产生了塑性变形和加工硬化外,还会发生再结晶和软化过程,因此在室温下能正常服役的零件就难以满足高温下的要求。
金属在高温下的力学性能与温度、时间、组织变化等因素有关。
金属在高温下工作常会发生“蠕变”现象,即当工作温度大于再结晶温度时,工作应力超过该温度下的弹性极限时,随时间的延长金属发生缓慢变形的现象。金属对蠕变的抗力越大,其高温强度也越高。
金属的高温强度一般用蠕变极限和持久强度来表示。蠕变极限是指金属在某温度下,经过一段时间后,其残余变形量达一定数值时的应力值。持久强度是指在恒定温度下经过一定时间,金属材料发生断裂破坏时的应力值。
金属材料在高温下晶界强度低于晶内,因此加入合金元素提高再结晶温度,形成稳定的特殊碳化物,以及采用粗晶材料,减少晶界等都能有效地提高钢的高温强度。
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