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用于發動機內燃機、火力發電的鍋爐、渦輪機、廢棄物焚燒處理設備、熱處理爐、加熱器等部件，是許多產業不可缺少的材料。日本需要從海外大量進口能源，因此對于日本，必須提高能源使用效率。為提高各種設備的能耗效率，就必須提高耐熱材料的性能。汽車發動機性能提高、降低工廠環境污染物的排放等在很大程度上依賴于可以在更高溫度和更惡劣環境下長時間工作的耐熱材料的開發。產業界的發展也依賴于耐熱材料的發展。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，并利用這種方法已經開發出許多耐熱鋼、耐熱合金。由于稀有元素產地的局限，以及稀有元素需求量增加，使耐熱鋼、耐熱合金中的合金元素的供給不穩定導致價格波動較大。

耐熱鋼、耐熱合金種類繁多，這些材料的使用環境不同、要求的性能不同、可接受的價格也不同。例如，汽車發動機進氣閥門的最高溫度至多只有500℃，所以采用的材料是馬氏體耐熱鋼。Ni基合金對于汽車發動機進氣閥門是功能過剩材料并且價格也過高。因此對耐熱材料要區別使用。另一方面，降低成本是制造業永恒的課題，因此，如何用更廉價的原料制造出同樣性能的材料，是對耐熱材料提出的要求。日本在二次大戰中對省Ni、Mo型耐熱鋼進行了開發，此后，日本對省資源型耐熱材料的開發長達60余年。

耐熱鋼、耐熱合金
耐熱鋼和耐熱合金的區別沒有明確的規定，通常，將合金元素含量小于50%的叫做耐熱鋼，大于50%的叫做耐熱合金。日本耐熱鋼標準有JIS G4311、G4312，此外還有幾個SUH系列標準。根據母相組織的不同，耐熱鋼可以分為鐵素體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼和析出硬化型耐熱鋼。JIS G5122對SCH系耐熱鑄鋼做了規定，但沒有按母相組織對鋼的牌號進行分類，將鐵素體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼混在一起。在耐熱合金方面，JIS G 4091和4092是NCF系耐熱合金，沒有進行分類，但都是奧氏體耐熱合金。在ASTM、AMS、DIN標準中有JIS沒有的耐熱合金。此外，以合金開發公司的工廠名命合金牌號也是通用做法，如，Inconel Alloy?。另外還有一些材料工廠開發的各種新型耐熱材料，這些材料尚未納入標準。各種耐熱材料都分別既有優點、又有不足，應根據用途適當選用。表1是JIS 中的代表性耐熱鋼、耐熱合金的化學成分和用途。圖1是各種耐熱鋼、耐熱合金的耐用溫度。以下對各種耐熱材料的特點和合金元素的作用進行說明。

圖1 各種耐熱鋼和耐熱合金的耐熱溫度性位置

表1 耐熱鋼和耐熱合金的化學組成和主要用途

鐵素體耐熱鋼
廣泛使用的具有代表性的鐵素體耐熱鋼是低C-17%Cr的SUS430。Cr是提高鋼的耐高溫腐蝕性的元素，是耐熱鋼中不可缺少的元素。SUS430具有良好的抗氧化性。由于鋼中不含其它元素，所以SUS430價格比較便宜。但是SUS430經高溫淬火不發生硬化，并且高溫強度低，只能用于不太要求強度的部件。另一方面，由于SUS430的熱膨脹系數小，而奧氏體耐熱鋼的熱膨脹系數大，所以，對于溫度反復變化，容易產生熱疲勞的部件來說，采用SUS430更好。此外，SUS430在500℃左右長期使用時，由于脆性相析出會發生脆化，對此應予注意。除了Cr，Al也是提高抗氧化元素。高溫下，Al在氧化鐵皮的表面形成Al2O3，成為堅固的保護膜，起著提高抗氧化的作用。利用Al的這種作用的耐熱鋼有FCH1。FCH1是在25%Cr鋼中添加5%Al的發熱體用耐熱鋼，在1200℃以下具有良好的抗氧化性。

馬氏體耐熱鋼
代表性的馬氏體耐熱鋼是含C量為0.1%左右的12%Cr鋼SUS403和SUS410J1。這些耐熱鋼高溫淬火發生硬化，然后進行回火，在母相馬氏體上析出M23C6，在600℃以下可保持高強度。如再添加Mo提高回火軟化抗力，則可進一步保持高強度。馬氏體耐熱鋼在600℃以上的高溫下，會發生軟化，使強度急劇下降。因此，馬氏體耐熱鋼適用于工作溫度在500～600℃以下、要求高溫強度的部件。此外，由于馬氏體耐熱鋼的Cr含量較少，為12%，并且一部分Cr還消耗在碳化物中，不能保證母相中的Cr含量，所以馬氏體耐熱鋼的抗氧化性常常不及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同樣可在馬氏體耐熱鋼氧化鐵皮上生成保護性皮膜。添加Si提高抗氧化性的馬氏體耐熱鋼有SUH3和SUH11。這些耐熱鋼主要用于發動機進氣閥和耐熱螺栓。

奧氏體耐熱鋼
鋼中添加Cr的同時，添加奧氏體穩定化元素Ni，鋼在所有溫度下都是穩定的奧氏體組織。普通的奧氏體組織鋼是SUS304和SUS310。眾所周知，SUS304是耐蝕不銹鋼，但SUS304也可做耐熱鋼使用。在600℃以下，奧氏體耐熱鋼的強度處于馬氏體耐熱鋼和鐵素體耐熱鋼之間；在600℃以上，強度大于馬氏體耐熱鋼。此外，SUS304在800℃以下，SUS310在1000℃以下，進行反復加熱-冷卻時，具有良好的抗氧化性。但在700～900℃長時間使用時，會有脆性相析出，使材料變脆。此外，由于SUS304和 SUS310的熱膨脹系數大于馬氏體耐熱鋼和鐵素體耐熱鋼，所以容易發生熱疲勞損傷，對于這兩點應予以注意。

在要求高溫強度的時候，奧氏體耐熱鋼可以進一步利用析出強化和固溶強化提高強度。用于發動機排氣閥的奧氏體耐熱鋼是SUH35。鋼中添加C，利用碳化物析出強化和添加N的固溶強化提高了SUH35的高溫強度。再提高奧氏體穩定化元素Mn的含量，即使Ni含量為4%，也可以獲得奧氏體組織。耐熱螺栓和耐熱彈簧使用的SUH660，由于添加Al和Ti，析出γ，相（Ni3(Al、Ti)），實現了強化。

析出強化型耐熱鋼
按照母相組織，耐熱鋼可以分為奧氏體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼和鐵素體耐熱鋼。馬氏體耐熱鋼的代表性牌號是SUS630。SUS630經500℃時效處理，在低C馬氏體母相中析出ε相（Cu相）提高了鋼的強度。但超過500℃，ε相發生粗化，并且馬氏體組織也發生變化，使鋼的強度下降。因此，SUS630主要用于500℃以下的渦輪機部件。SUS630鋼的主要成分是17Cr-4Ni-4Cu，含Ni量并不太高，并且從奧氏體穩定性考慮，不能再減少Ni含量，因此不是省資源化的開發鋼。

耐熱合金
日本在開發耐熱鋼的同時，進行了耐熱合金的開發。為了提高耐熱性，在合金中添加了Cr、Ti、Al、Nb等元素。根據強化機制，耐熱合金可分為固溶強化型耐熱合金和析出強化型耐熱合金。代表性的固溶強化型耐熱合金有NCF600、601、609（相當于Inconel Alloy 600、601、609），代表性的析出強化型耐熱合金有NCF718、750（相當于Inconel Alloy 718、X750）和NCF800H（相當于Inconel Alloy 800H）。固溶強化型耐熱合金進行時效處理，強度、硬度也不升高，所以高溫強度不高，因此，與用于要求高溫強度的結構件相比，更適合用于包括高溫環境等腐蝕環境下要求耐久性的部件。析出強化型耐熱合金中含有Al、Ti等元素，與SUH600一樣，析出γ相，提高了合金的強度和硬度，因此，析出強化型耐熱合金適用于彈簧、螺栓、發動機部件等要求高溫強度的零部件。