合金元素鉻、鎳、鉬、鎢在耐熱鋼中的作用

耐熱鋼中常見的合金元素有碳(C)、硅(Si)、錳(Mn)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、鎢(W)、鈷(Co)、銅(Cu)、鐵(Fe)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、釩(V)、鋁(Al)、鈦(Ti)、硼(B)、氮(N)、稀土(RE)或鑭(La)、鈰(Ce)等。磷和硫一般為有害的雜質元素。鉻、鋁、硅和稀土元素能提高耐熱鋼的抗氧化性能。鉻、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鈷、硼、稀土等能提高或改善耐熱鋼的熱強性。鐵為耐熱鋼的基體元素。鎳和錳的作用主要是獲得奧氏體組織。下面分別介紹一下主要合金元素在耐熱鋼中的作用。

1鉻鉻是耐熱鋼中抗高溫氧化和抗高溫腐蝕的主要元素，并能提高耐熱鋼的熱強性。鋼中含鉻量足夠高時，能在其表面上形成一層致密的Cr₂O₃膜，這種氧化膜在定程度上能阻止氧、硫、氮等腐蝕性氣體向鋼中擴散，也能阻礙金屬離子向外擴散，在一定的溫度范圍內還能形成層保護性良好的尖晶石型的復合氧化膜，如含鎳、鉻的耐熱鋼在其表面上形成一層NiO•Cr₂O₃復合氧化膜，增強了鋼的抗高溫氧化能力。耐熱鋼的抗高溫腐蝕性能與其含鉻量有一定的關系。當鋼含鉻約達12％時，鋼的抗高溫氧化能力有明顯提高，當鉻含量達22％時，在1000℃下其抗高溫氧化的性能是極為良好的，此時在其表面上形成一層連續而又致密的氧化膜。因此常用的耐熱鋼的鉻含量應不低于12％(Cr13型)。一般鉻含量均在18％～22％之間(18-8型和Cr25Ni20型)。由于鉻的熔點高(1903℃)，本身具有優異的抗蠕變性能。在低合金耐熱鋼中加入1％左右鉻就能明顯地提高鋼的抗蠕變性能，特別是含1％Cr和0.5％Mo的低合金耐熱鋼能明顯提高其熱強性。在高合金奧氏體鋼中加入鉻能提高鋼的熱強性，這是由于加鉻使強化相在高溫下得到強化，例如，鉻的碳化物得到了強化。

2鎳鎳是耐熱鋼中的重要合金元素之一。為了使鋼在室溫下獲得純奧氏體組織，其中鎳含量不能低于25％。但當鋼中含有其他合金元素時，為獲得純奧氏件組織，鎳含量可適當減少。例如，當鋼中含碳量為0.1％含鉻量為18％時，為了獲得鋼的純奧氏體組織，含鎳量為8％即可，這就是典型的18-8型奧氏體耐熱不銹鋼。當鋼中含有其他鐵素體形成元素時，為獲得純奧氏體組織，含鎳量就要增加，如小增加鎳含量，或降低鎳含量，就會出現γ+α雙相組織，或出現不穩定的奧氏體組織，冷加工時可能產生相變(奧氏體組織轉變為馬氏體組織)。

3鉬鑰為難熔金屬，熔點高(2625℃)。鑰固溶到基體金屬中能提高固溶體的再結晶溫度。鉬是縮小γ-Fe相區、擴大α-Fe相區的合金元素，又是強碳化物形成元素。對提高耐熱鋼的熱強性有較好的作用。鉬在鐵中可顯著地抑制鐵的自擴散，提高固溶體的再結晶溫度。在含鉬的低合金耐熱鋼中，鉬的作用是強化固溶件及形成性質優異的細小的碳化物相。常見的鉻鉬低合金鋼(如9/4Cr1Mo鋼)就是典型代表。鉬在高合金奧氏體鋼中的主要作用是形成時效強化相。在奧氏體鋼中，一般鉬含量為4％～6％。

4鎢鎢為難熔金屬，熔點高(3380℃)。鎢固溶到基體金屬中提高固溶體的再結晶溫度。鎢是縮小γ-Fe相區、擴大α-Fe相區的合金元素，是強碳化物形成元素。對提高耐熱鋼的熱強性有較好的作用。在珠光體型耐熱鋼中，加鎢可提高固溶體的熱強性。在鐵素體型耐熱鋼中加鎢有兩個目的：在12％Cr鋼中加鎢一是強化α相固溶體，提高固溶體的再結晶溫度，阻礙擴散；另方面是產生彌散強化，或者以復雜的碳化物形式出現，或者以富鎢的金屬間化合物形式出現。鎢的作用在高合金奧氏體耐熱鋼中的作用尤為明顯。