论在化工机械制造中特殊性能钢的应用

论在化工机械制造中特殊性能钢的应用

余辉

(武汉凯迪电力环保有限公司湖北省430223)

【摘要】：特殊钢在高速发展的国民经济建设，国防现代化建设中占有非常重要的地位，特别是在航空、航天、核能等高端产品领域应用广泛。其优良的材料性能，具有不可替代的地位。

【关键词】：化工机械制造；特殊性能钢；应用

引言

特殊钢是钢铁材料中的高新技术产品，没有任何一种材料可以完全取代它。世界上对特殊钢也没有一个统一的定义，各国都有自己的解释，我国沿用前苏联的概念，与日本相近，和美国有差异。相对普通钢而言，特殊钢一般是指：有特殊化学成分，特殊组织性能，满足特殊需求的钢种。它广泛应用于航天、航空、军工、机械制造、交通运输、石化、电力、轻工、食品、医疗卫生等，覆盖国民经济各部门。特殊钢主要为合金钢，包括优质碳结钢、碳工钢、合结钢、合工（含模具）钢、不锈钢、弹簧钢、轴承钢、高工钢等八大类。

1、化工机械制造中钢材料的选择

在化工机械设计中，钢材是比较常用的机械材料之一。常用的钢材料有两种：碳素钢和合金钢。碳素钢加工出来的机械零件性能稳定，普遍适用于大对数种类的零件加工。除此之外，受国际钢铁价格的影响，国内碳素钢价格较低，使用碳素钢作为加工材料可以降低企业成本。但是，碳素钢中由于其碳含量较高，在具有较高强度的同时韧性较低。对于一些体积较大的零件，由于零件的某些部分在实际使用时会受力较大，韧性不佳会导致零件损坏，因此不适合加工大体积零件。合金钢是在碳素钢的基础上与其他金属进行融合而成的一种钢材。合金钢不仅保留了碳素钢强度大的优点，而且新加人的金属会提供很好的韧性。合金钢的出现为机械加工产业提供的新的材料选择。

2、化工机械制造中特殊钢的发展

碳含量为0.12%--0.30%的低碳钢，以渗碳的方式可以保证表面的含碳量上升到0.8%-1.0%，利用淬火的方式，让其在低温的环境中回火。保证其表层的坚韧性和耐磨性，主要使用在齿轮制造和凸轮部件中。因为其性能比较稳固，第一要保证钢材淬透性的均匀和统一，在钢中适当的融人Cr，Mn，Mo，B等合金元素，这样可以大大的增加钢的淬透性，保证碳含量和合金元素含量能够控制在合理的范围中。

在高温渗碳的过程中，要保证奥氏体晶粒的适度性，所以需要使用直接淬火技术，在渗碳温度中，需要利用相应的碳化物、氮化物或碳氮化物来防止晶粒长大，使其晶粒大小控制在合理的范围中。这时可以融人强碳氮化物形成元素如Mo，Ti，V，Nb等，在国际系统中主要使用Mo系或Mo-V系，我国一般使用Ti系。

当钢材具备一定的强度和韧性之后，就不容易产生齿根弯曲和断裂的情况，表面接触疲劳是渗碳齿轮件丧失其基本效用的主要模式。为了加强钢自身的强度性，就需要对钢中的杂质数量、空间和大小进行严格控制。

窄淬透性带是渗碳钢发展的主要方向，现在的渗碳齿轮需要保证其淬透性，只有符合标准的钢种才能进行制作。Cr-Mo系合金钢中的淬透性比较稳固，得到了人们的普遍关注，也是现在国际市场上最受欢迎的钢种之一。我国现在也对该钢种进行了大量的生产。元素B在加强其淬透性方面发挥了重要的效用，它不但经济实惠，而且效果比较明显，很多国家都在研究和制作具有B元素的渗碳钢。为了保持其内部的稳定性，需要对硼含量的范围进行严格的把控，而且因为B容易与N化合生成BN，这样容易造成硼含量的降低，所以需要对N的影响因素进行深人的研究，氮的含量不同，使得钢中的硼含量也需要进行相应的调整和控制。

3、在化工机械制造中特殊性能钢的应用

3.1不锈钢复合钢板

不锈钢复合钢板是一种金属高效节能材料，其基体为碳钢，指的是在基体上单面整体连续包覆0.1~20mm不锈钢或者是双面整体连续包覆0.1~20mm不锈钢。不锈钢复合钢板充分发挥了不锈钢材料与碳钢材料的特性优势.从不锈钢的特性优势来看，不锈钢复合钢板不仅耐腐蚀性强、耐磨损性强、抗磁性能佳，而且具备一定的装饰性；从碳钢的特性优势来看，不锈钢复合钢板的可焊性能较佳、导热性好，同时还有良好的拉伸性能，而且比较容易成型.因此，不锈钢复合钢板其实属于一种多功能材料.不锈钢复合钢板还有一个优势就是，可以节约镍铬合金用量，成本较低，能够完全取代不锈钢，应用于机械制造的优势十分明显。

3.2耐热钢

目前火电机组用耐热钢主要有奥氏体耐热钢和铁素体耐热钢。奥氏体耐热钢存在热膨胀系数大、导热系数低、抗疲劳性能差等诸多不足，不能用来制造较大型的转子。因此，早期汽轮机尺寸都较小，发电量也较低。同时奥氏体钢热膨胀和高温下的腐蚀导致汽轮机关停时存在一系列的问题，直到铁素体耐热钢的出现才使这些问题得到解决，汽轮机得以快速发展。

铁素体耐热钢具有热导率高、热膨胀系数低、抗疲劳性能好、抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀性能良好以及较低的生产成本等特点，已成为大截面主蒸汽管道、蒸汽轮机转子及叶片等USC关键部件的候选材料。

低压转子的工作温度一般不超过400℃，性能要求以常温及高温瞬时力学性能为主；高、中压转子在400℃以上工作，除常温及高温瞬时力学性能外，更重要的是高温长期服役条件下材料的力学性能稳定性。

对650℃级USC汽轮机转子用耐热钢的要求可归纳如下：

（1）较高的韧性、强度及疲劳强度；

（2）650℃下105h持久强度达到100MPa；

（3）良好的抗氧化和耐腐蚀性能；

（4）较高的热导率和较小的热膨胀系数；

（5）优异的锻造性能和良好的焊接性能。

3.3耐磨钢

近年来，科研工作者研制出多种新型耐磨材料。主要有改性高锰钢、中锰钢、超高锰钢系列，高、中、低碳耐磨合金钢系列等。同时在耐磨材料生产工艺设备上先后从日本、德国、南斯拉夫、比利时等国引进数条机械化自动化生产线（如迪莎铸造磨球砂型自动化生产线、机械化金属型铸球生产线）。在引进基础上发展了结合国情的新型工艺设备（如消失模铸造工艺设备、金属型覆砂工艺设备、挤压造型工艺设备、离心铸造工艺设备等新技术新设备）。随着耐磨材料行业的发展进步，耐磨材料国家标准的宣传贯彻，越来越多的企业己经开始参照国标组织生产，这对提高我国耐磨材料质量的整体水平起到了积极作用。

低碳低合金马氏体钢，由于碳及合金含量较低，综合力学性能较好，应用较为广泛，目前的研究也较多。低碳低合金马氏体耐磨钢经淬火低温回火后，得到板条状回火马氏体。在保证足够韧性的前提下，具有较高的硬度，硬度约为SOHRC，具有良好的力学性能。其合金元素主要有Cr，Mo，Mn，Si等及少量的V，Ti等。其中Cr和Mo都是强烈抑制过冷奥氏体向珠光体转变的元素，二者配合使用可显著提高钢的淬透性，在提高强度的同时，还可以改变钢的塑性和韧性。Mn也是提高钢的淬透性的元素，可以增加板条马氏体之间的残留奥氏体的含量，增加钢的韧性，减少淬火中的应力和变形。在钢中形成固溶体，可以起到固溶强化的作用，Si元素可以脱氧和细化晶粒，有净化钢液、改善钢的组织和提高钢的韧性的作用，有利于强韧性的配合。

结语

随着近年来化工产业的大力发展，化工工艺及相关技术不断更新，对化工机械设备的要求也越来越高。通过对化工机械设计中材料选用的研究，选择合适的加工材料，在满足化工生产的实际应用的同时也可以进一步降低企业成本，提高机械设备的使用寿命，提高企业效益。

参考文献:

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