合金元素铬、镍、钼、钨在耐热钢中的作用

耐热钢中常见的合金元素有碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、钨(W)、钴(Co)、铜(Cu)、铁(Fe)、铌(Nb)、钽(Ta)、钒(V)、铝(Al)、钛(Ti)、硼(B)、氮(N)、稀土(RE)或镧(La)、铈(Ce)等。磷和硫一般为有害的杂质元素。铬、铝、硅和稀土元素能提高耐热钢的抗氧化性能。铬、钼、钨、钒、钛、铌、钴、硼、稀土等能提高或改善耐热钢的热强性。铁为耐热钢的基体元素。镍和锰的作用主要是获得奥氏体组织。下面分别介绍一下主要合金元素在耐热钢中的作用。

1 铬 铬是耐热钢中抗高温氧化和抗高温腐蚀的主要元素，并能提高耐热钢的热强性。钢中含铬量足够高时，能在其表面上形成一层致密的Cr₂O₃膜，这种氧化膜在定程度上能阻止氧、硫、氮等腐蚀性气体向钢中扩散，也能阻碍金属离子向外扩散，在一定的温度范围内还能形成层保护性良好的尖晶石型的复合氧化膜，如含镍、铬的耐热钢在其表面上形成一层NiO•Cr₂O₃复合氧化膜，增强了钢的抗高温氧化能力。耐热钢的抗高温腐蚀性能与其含铬量有一定的关系。当钢含铬约达12％时，钢的抗高温氧化能力有明显提高，当铬含量达22％时，在1000℃下其抗高温氧化的性能是极为良好的，此时在其表面上形成一层连续而又致密的氧化膜。因此常用的耐热钢的铬含量应不低于12％(Cr13型)。一般铬含量均在18％～22％之间(18-8型和Cr25Ni20型)。由于铬的熔点高(1903℃)，本身具有优异的抗蠕变性能。在低合金耐热钢中加入1％左右铬就能明显地提高钢的抗蠕变性能，特别是含1％Cr和0.5％Mo的低合金耐热钢能明显提高其热强性。在高合金奥氏体钢中加入铬能提高钢的热强性，这是由于加铬使强化相在高温下得到强化，例如，铬的碳化物得到了强化。

2 镍 镍是耐热钢中的重要合金元素之一。为了使钢在室温下获得纯奥氏体组织，其中镍含量不能低于25％。但当钢中含有其他合金元素时，为获得纯奥氏件组织，镍含量可适当减少。例如，当钢中含碳量为0.1％含铬量为18％时，为了获得钢的纯奥氏体组织，含镍量为8％即可，这就是典型的18-8型奥氏体耐热不锈钢。当钢中含有其他铁素体形成元素时，为获得纯奥氏体组织，含镍量就要增加，如小增加镍含量，或降低镍含量，就会出现γ+α双相组织，或出现不稳定的奥氏体组织，冷加工时可能产生相变(奥氏体组织转变为马氏体组织)。

3 钼 钥为难熔金属，熔点高(2625℃)。钥固溶到基体金属中能提高固溶体的再结晶温度。钼是缩小γ-Fe相区、扩大α-Fe相区的合金元素，又是强碳化物形成元素。对提高耐热钢的热强性有较好的作用。钼在铁中可显著地抑制铁的自扩散，提高固溶体的再结晶温度。在含钼的低合金耐热钢中，钼的作用是强化固溶件及形成性质优异的细小的碳化物相。常见的铬钼低合金钢(如9/4Cr1Mo钢)就是典型代表。钼在高合金奥氏体钢中的主要作用是形成时效强化相。在奥氏体钢中，一般钼含量为4％～6％。

4 钨 钨为难熔金属，熔点高(3380℃)。钨固溶到基体金属中提高固溶体的再结晶温度。钨是缩小γ-Fe相区、扩大α-Fe相区的合金元素，是强碳化物形成元素。对提高耐热钢的热强性有较好的作用。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有两个目的：在12％Cr钢中加钨一是强化α相固溶体，提高固溶体的再结晶温度，阻碍扩散；另方面是产生弥散强化，或者以复杂的碳化物形式出现，或者以富钨的金属间化合物形式出现。钨的作用在高合金奥氏体耐热钢中的作用尤为明显。