耐热钢
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什么是耐热钢？耐热钢是什么意思？在高温条件下，具有抗氧化性和主够的高温强度以及良好的耐热性能的钢称作耐热钢（heat-resistingsteels）。
耐热钢主要用于在高温下长期使用的零件。
在高温下具有较高的强度和良好的化学稳定性的合金钢。
它包括抗氧化钢(或称高温不起皮钢)和热强钢两类。
抗氧化钢一般要求较好的化学稳定性，但承受的载荷较低。
热强钢则要求较高的高温强度和相应的抗氧化性。
耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作的零部件。
这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外，根据用途不同还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的组织稳定性。
中国自1952年开始生产耐热钢。
以后研制出一些新型的低合金热强钢，从而使珠光体热强钢的工作温度提高到600～620℃；此外，还发展出一些新的低铬镍抗氧化钢种。
耐热钢和不锈耐酸钢在使用范围上互有交叉，一些不锈钢兼具耐热钢特性，既可用作为不锈耐酸钢，也可作为耐热钢使用。
耐热钢包括抗氧化钢和热强钢两类。
抗氧化钢又简称不起皮钢。
热强钢是指在高温下具有良好的抗氧化性能并具有较高的高温强度的钢。
抗氧化钢（不起皮钢）一般钢铁在较高温度下（650℃以上）,表面容易氧化，主要是由于在高温下生成松脆多孔的FeO，由于基本结合能力薄弱而易剥落。
氧原子容易通过FeO进行扩散，使钢的内部能继续进行氧化，最终导致零件破坏。
抗氧化钢中加入合金元素铬、硅、铝等，他们与氧亲和力大，故优先被氧化，形成一层致密的、高熔点的并牢固覆盖于钢表面的氧化膜（Cr2O3、SiO2、Al2O3），可将金属与外界高温氧化性气体隔绝，从而避免进一步氧化。
实际应用的抗氧化钢，大多数是在铬钢、铬镍钢、铬锰氮钢基础上添加硅、铝制成的。
和不锈钢一样，含碳量增多，会降低钢的抗氧化性。
故一般抗氧化钢为底碳钢。
热强钢金属在高温下的强度有两个特点：一是温度升高，金属原子间结合力减弱、强度下降；二是在再结晶温度上即使金属受的应力不超过该温度下的弹性极限，它也会缓慢地发生塑性变形，且变形量随时间的增长而增大，最后导致金属破坏。
这种现象称为蠕变。
产生蠕变的原因是：在高温下金属原子扩散能力增大，使那些在低温下起强化作用的因素逐渐减弱或消失。
例如，可促使回复与再结晶，使加工硬化效果减弱或消失；促使过饱和固溶体（如马氏体）发生分解及弥散的硬化质点聚集，使淬火硬化效果减弱或消失等。
所有这些过程都导致金属逐渐软化而产生蠕变。
显然，其过程与温度、时间有关。
根据上述分析，提高材料高温强度的方法有：①提高再结晶温度在钢中加入铬、钼、钨、锰、铌等元素，可提高作为钢集体的固溶体的原子间结合力，使原子扩散困难，并能延缓再结晶过程的进行。
其中以钨、钼作用最强。
非碳化物形成元素钴、镍、硅也有提高再结晶温度的作用。
具有高温强度也较铁素体为高。
②利用析出碳化物相而产生强化在钢中加入钛、铌、钒、钨、钼、铬等元素，可形成稳定而又弥散分布的碳化物，他们在较高温度下，也不易聚集长大，因而能起到阻碍位错移动，提高高温强度的作用。
（3）采用较粗晶粒的钢，因高温下晶界的强度比晶粒内部强度底（这与室温时情况正好相反），因此，粗晶粒钢的高温强度比细晶粒钢好。
此外，在热处理上采取适当措施，使钢组织在工作温度下，能长期保持稳定，不致因组织转变产生软化或脆化。
如耐热钢回火温度都比工作温度高100℃左右，以增加工作时的组织稳定性。
热强钢采用合金元素，如铬、镍、钼、钨、硅等，除具有提高高温强度的作用外，还可提高高温抗氧化性。
常用的热强钢按正火状态下组织不同，大致可分为珠光体钢、马氏体钢、奥氏体钢三类。
常用的热强钢表示方法与不锈钢相同。
（1）、珠光体钢这类钢在350～600℃范围内使用。
其含碳量较低，合金元素总量不超过3～5%。
它广泛应用于动力、石油部门作为锅炉用钢与管道材料。
（2）、马氏体钢这类钢在小于620℃范围内使用。
常用的钢号有马氏体不锈钢1Cr13、2Cr13以及在其基础上发展的1Cr11MoV、1Cr12WmoV。
此外，4Cr9Si2及4Cr10Si2Mo等铬硅钢是另一类马氏体热强钢，他们含碳量为中碳，主要为提高耐磨性，长用作制造内燃机的气阀，故又称为气阀钢。
（3）、奥氏体这类钢一般在600～700℃范围内使用，常用的钢号有1Cr18Ni9Ti（18-8型钢），它是奥氏体不锈钢，同时又有高的抗氧化性（700～900℃），并在600℃还有足够的强度。
常用于高压锅炉的过热器、化工高压反应器、喷气发动机尾喷管登。
4Cr14Ni14W2Mo钢（14-14-2型钢）是另一种目前应用最多的奥氏体热强钢，它的热强性、组织稳定性及抗氧化性均高于马氏体气阀钢。
故常用于制造工作温度≥650℃的内燃机排气阀。
如工作温度超过700℃，则应考虑选用镍基（Ni-Cr合金）、铁基（Fe-Ni-Cr合金）等耐热合金；工作温度超过900℃，则应选用铌基、亩基、陶瓷合金；对于350℃以下工作的零件，则用一般的合金结构钢即可。
合金元素的作用铬、铝、硅这些铁素体形成的元素，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，是提高钢的抗氧化性和抗高温气体腐蚀的主要元素。
但铝和硅含量过高会使室温塑性和热塑性严重恶化。
铬能显著提高低合金钢的再结晶温度,含量为2％时，强化效果最好。
镍、锰可以形成和稳定奥氏体。
镍能提高奥氏体钢的高温强度和改善抗渗碳性。
锰虽然可以代镍形成奥氏体，但损害了耐热钢的抗氧化性。
钒、钛、铌是强碳化物形成元素，能形成细小弥散的碳化物，提高钢的高温强度。
钛、铌与碳结合还可防止奥氏体钢在高温下或焊后产生晶间腐蚀。
碳、氮可扩大和稳定奥氏体，从而提高耐热钢的高温强度。
钢中含铬、锰较多时，可显著提高氮的溶解度，并可利用氮合金化以代替价格较贵的镍。
硼、稀土均为耐热钢中的微量元素。
硼溶入固溶体中使晶体点阵发生畸变，晶界上的硼又能阻止元素扩散和晶界迁移，从而提高钢的高温强度；稀土元素能显著提高钢的抗氧化性，改善热塑性。
耐热钢按其组织可分为四类：珠光体钢：合金元素以铬、钼为主，总量一般不超过5％。
其组织除珠光体、铁素体外,还有贝氏体。
这类钢在500～600℃有良好的高温强度及工艺性能，价格较低，广泛用于制作600℃以下的耐热部件。
如锅炉钢管、汽轮机叶轮、转子、紧固件及高压容器、管道等。
典型钢种有：16Mo，15CrMo，12Cr1MoV，12Cr2MoWVTiB，10Cr2Mo1,25Cr2Mo1V,20Cr3MoWV 等。
马氏体钢：含铬量一般为7～13%,在650℃以下有较高的高温强度、抗氧化性和耐水汽腐蚀的能力，但焊接性较差。
含铬12%左右的1Cr13、2Cr13,以及在此基础上发展出来的钢号如1Cr11MoV，1Cr12WMoV,2Cr12WMoNbVB等,通常用来制作汽轮机叶片、轮盘、轴、紧固件等。
此外,作为制造内燃机排气阀用的4Cr9Si2,4Cr10Si2Mo等也属于马氏体耐热钢。
铁素体钢：含有较多的铬、铝、硅等元素，形成单相铁素体组织，有良好的抗氧化性和耐高温气体腐蚀的能力,但高温强度较低,室温脆性较大，焊接性较差。
如1Cr13SiAl,1Cr25Si2等。
一般用于制作承受载荷较低而要求有高温抗氧化性的部件。
奥氏体钢：含有较多的镍、锰、氮等奥氏体形成元素，在600℃以上时，有较好的高温强度和组织稳定性，焊接性能良好。
通常用作在600℃以上工作的热强材料。
典型钢种有1Cr18Ni9Ti,1Cr23Ni13,1Cr25Ni20Si2，2Cr20Mn9Ni2Si2N,4Cr14Ni14W2Mo等。
耐热钢的生产工艺冶炼：耐热钢一般在电弧炉或感应炉中熔炼。
质量要求高的往往采用真空精炼和炉外精炼工艺。
铸造：某些高合金耐热钢难以加工变形，生产铸件不仅比轧材合算，而且铸件还有较高的持久强度。
所以在耐热钢中耐热铸钢占有相当大的比例。
铸造方法除采用砂型铸造外，还可用精密铸造工艺以获得表面光滑、尺寸精确的产品。
对合成氨和乙烯裂解用的高温炉管往往采用离心铸造的方法。
热处理：珠光体热强钢通常经正火或调质后使用；马氏体耐热钢用调质处理，以稳定组织，得到良好的综合力学性能和高温强度。
铁素体钢不能通过热处理强化。
为消除因冷塑性变形加工和焊接所导致的内应力，可在650～830℃进行退火处理，退火后快速冷却,以便迅速地经过475℃脆性温度范围。
奥氏体抗氧化钢大多采用高温固溶热处理，以获得良好的冷变形性。
奥氏体热强钢则先用高温固溶处理，然后在高于使用温度60～100℃条件下进行时效处理,使组织稳定化，同时析出第二相，以强化基体。
耐热铸钢多在铸态下使用，也有根据耐热钢的种类采用相应的热处理的。
耐热钢及高温合金各种动力机械，加热电站中的锅炉和蒸汽轮机、航空和舰艇用的燃汽轮机以及原子反应堆工程等结构中的许多结构件是在高温状态下工作的。
工作温度的升高，一方面影响钢的化学稳定性；另一方面降低钢的强度。
为此，要求钢在高温下应具有（1）抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能及抗氧化能力（2）在一定介质中耐腐蚀的能力以及足够的韧性（3）具有良好的加工性能及焊接检（4）按照不同用途有合理的组织稳定性。
耐热钢是指在高温下工作并具有一定强度和抗氧化耐腐蚀能力的钢种，耐热钢包括热稳定钢和热强钢。
热稳定钢是指在高温下抗氧化或执高温介质腐蚀而不破坏的钢种，如炉底板、炉栅等。
它们工作时的主要失效形式是高温氧化。
而单位面积上承受的载荷并不大。
热强钢是指在高温下有一定抗氧化能力并具有足够强度而不产生大量变形或断裂的钢种，如高温螺栓、涡轮叶片等。
它们工作时要求承受较大的载荷，失效的主要原因是高温下强度不够。
