耐熱鋼和耐熱合金的分類
耐熱鋼、耐熱合金等耐熱材料廣泛應用於發動機、內燃機、火力發電鍋爐、汽輪機、垃圾焚燒處理設備、熱處理爐、加熱器等部件，以及是許多行業不可缺少的材料。 日本需要從海外進口大量能源，因此對日本來說，能源效率必須提高。 為了提高各種設備的能效，必須提高耐熱材料的性能。 汽車發動機性能的提高和工廠環境污染物排放的減少在很大程度上取決於能夠在更高溫度和更惡劣環境中長時間工作的耐熱材料的開發。 行業的發展也有賴於耐熱材料的發展。 添加或增加Ni、Co、Mo、W、Ti、Nb等元素是提高耐熱鋼、耐熱合金等耐熱材料性能的有效方法，許多耐熱鋼和耐熱鋼已經使用這種方法開發了抗性合金。 . 由於稀有元素產區的限制和稀有元素需求的增加，耐熱鋼和耐熱合金中合金元素供應不穩定導致價格波動較大。
耐熱鋼和耐熱合金的種類很多。 這些材料用於不同的環境、所需的性能和可接受的價格。 例如，汽車發動機進氣門的最高溫度最多只有500℃，所以所用材料是馬氏體耐熱鋼。 鎳基合金是汽車發動機進氣閥的多餘材料，價格太貴。 因此，應區別使用耐熱材料。 另一方面，降低成本是製造業永恆的課題。 因此，如何用更便宜的原材料生產出性能相同的材料，是對耐熱材料的要求。 日本在二戰中開發了省級鎳鉬耐熱鋼。 從那時起，日本開發節約資源的耐熱材料已有60多年的歷史。
耐熱鋼、耐熱合金
耐熱鋼和耐熱合金的區別沒有明確規定。 通常，合金元素含量小於50%的稱為耐熱鋼，合金元素含量大於50%的稱為耐熱合金。 日本耐熱鋼標準包括JIS G4311、G4312和幾個SUH系列標準。 根據基體組織的不同，耐熱鋼可分為鐵素體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼和沈淀硬化耐熱鋼。 JIS G5122規定了SCH系列耐熱鑄鋼，但沒有按基體組織劃分鋼種，混合鐵素體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼。 在耐熱合金方面，JIS G 4091、4092為NCF系耐熱合金，未分類，但均為奧氏體耐熱合金。 在 ASTM、AMS 和 DIN 標準中，存在 JIS 中沒有的耐熱合金。 此外，通常的做法是使用合金開發公司的工廠來命名合金牌號，例如 Inconel Alloy®。 此外，還有一些材料廠開發的各種新型耐熱材料，尚未納入標準。 各種耐熱材料各有利弊，應根據用途適當選擇。 表 1 列出了 JIS 中代表性耐熱鋼和耐熱合金的化學成分和用途。 圖1顯示了各種耐熱鋼和耐熱合金的耐久溫度。 下面介紹各種耐熱材料的特性及合金元素的作用。
2 鐵素體耐熱鋼
廣泛使用的代表性鐵素體耐熱鋼是低C-430%Cr的SUS17。 Cr是提高鋼的高溫耐蝕性的元素，是耐熱鋼中不可缺少的元素。 SUS430具有良好的抗氧化性。 因為鋼中沒有其他元素，所以SUS430比較便宜。 但SUS430高溫淬火後不硬化，高溫強度低，所以只能用於對強度要求不高的零件。 另一方面，由於SUS430的熱膨脹係數小，而奧氏體耐熱鋼的熱膨脹係數大，對於溫度反複變化容易產生熱疲勞的部位，最好使用SUS430。 另外，SUS430在500℃左右長時間使用時，會析出脆性相而變脆，因此要注意。 除了Cr之外，Al也是提高抗氧化性的元素。 在高溫下，Al在氧化皮表面形成Al2O3，成為堅固的保護膜，起到提高抗氧化性的作用。 利用Al的這種作用的耐熱鋼是FCH1。 FCH1是在5%Cr鋼中加入25%Al的耐熱鋼，用於加熱元件。 在1200℃以下具有良好的抗氧化性。
3 馬氏體耐熱鋼
代表性的馬氏體耐熱鋼是含C量約為12%的403%Cr鋼SUS410和SUS1J0.1。 這些耐熱鋼通過高溫淬火硬化，然後回火。 M23C6在母相馬氏體上析出，在600℃以下仍能保持高強度。 如果添加Mo以提高回火軟化抗力，則可以進一步保持高強度。 馬氏體耐熱鋼在600℃以上的高溫下會軟化，使其強度急劇下降。 因此，馬氏體耐熱鋼適用於在500-600℃以下的工作溫度下需要高溫強度的零件。 另外，由於馬氏體耐熱鋼的Cr含量較少，為12%，而且一部分Cr也消耗在碳化物中，無法保證母相中的Cr含量，因此馬氏體耐熱鋼的抗氧化性能較差。鋼往往不如鐵素體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼。 提高抗氧化性的元素Si和Al也可以在馬氏體耐熱鋼的氧化皮上形成保護膜。 有添加Si以提高抗氧化性的SUH3和SUH11馬氏體耐熱鋼。 這些耐熱鋼主要用於發動機進氣門和耐熱螺栓。
4 奧氏體耐熱鋼
鋼中添加Cr時，同時添加了奧氏體穩定元素Ni，鋼在所有溫度下都是穩定的奧氏體組織。 常見的奧氏體鋼有SUS304和SUS310。 眾所周知，SUS304是耐腐蝕不銹鋼，但SUS304也可以作為耐熱鋼使用。 在600℃以下，奧氏體耐熱鋼的強度介於馬氏體耐熱鋼和鐵素體耐熱鋼之間； 600℃以上，強度大於馬氏體耐熱鋼。 此外，304℃以下的SUS800、310℃以下的SUS1000，在反復加熱和冷卻時具有良好的抗氧化性。 但在700-900℃長期使用時，會析出脆性相，使材料變脆。 另外，由於SUS304和SUS310的熱膨脹係數比馬氏體耐熱鋼和鐵素體耐熱鋼大，容易發生熱疲勞損傷，這兩點要注意。
當需要高溫強度時，可通過沉澱強化和固溶強化來進一步增強奧氏體耐熱鋼。 用於發動機排氣門的奧氏體耐熱鋼為SUH35。 鋼中添加C通過碳化物析出強化和添加N固溶強化提高了SUH35的高溫強度。通過增加奧氏體穩定元素Mn的含量，即使Ni含量為4%，奧氏體組織也可以得到。 用於耐熱螺栓和耐熱彈簧的 SUH660 通過添加 Al 和 Ti 析出γ相（Ni3（Al，Ti））而得到強化。
5 沉澱強化耐熱鋼
耐熱鋼按基體組織可分為奧氏體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼和鐵素體耐熱鋼。 馬氏體耐熱鋼的代表牌號是SUS630。 SUS500經630℃時效處理後，在低碳馬氏體基體中析出ε相（Cu相），提高鋼的強度。 但當溫度超過500℃時，ε相粗化，馬氏體組織也發生變化，降低了鋼的強度。 因此，SUS630主要用於500℃以下的汽輪機零件。 SUS630鋼的主要成分是17Cr-4Ni-4Cu，Ni含量不太高，考慮到奧氏體的穩定性，Ni含量不能降低，因此不是資源節約型開髮用鋼。
6 耐熱合金
日本在開發耐熱鋼的同時，也在開發耐熱合金。 為了提高耐熱性，合金中加入了Cr、Ti、Al、Nb等元素。 根據強化機制，耐熱合金可分為固溶強化耐熱合金和沈淀強化耐熱合金。 代表性固溶強化耐熱合金有NCF600、601、609（相當於Inconel合金600、601、609），代表性沉澱強化耐熱合金有NCF718、750（相當於Inconel合金718、X750）和 NCF800H（相當於 Inconel 合金 800H）。 固溶強化耐熱合金經過時效處理，強度和硬度沒有增加，所以高溫強度不高。 因此，與需要高溫強度的結構件相比，更適用於腐蝕環境包括高溫環境要求耐久性的零件。 沉澱強化耐熱合金含有Al、Ti等元素。 與SUH600一樣，γ相析出，提高了合金的強度和硬度。 因此，沉澱強化耐熱合金適用於需要高溫的彈簧、螺栓、發動機零件等。 強度部分。
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