低合金钢与高合金钢的区别与应用

1.低合金钢

低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素，以提高其强度，并改善其实用性能而发展起来的一类工程结构用钢。一般而言，其合金总含量（质量分数）不超过5%，一般在3%以下。加入的合金元素主要有锰（Mn）、钒（V）、铌（Nb）、铬（Cr）、钼（Mo）、铝（Al）等。锰（Mn）是钢中最基本的合金元素，在低合金钢中主要利用锰降低相变温度，提高钢的强度和韧性。钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）是微合金化元素，通过细化晶粒以及析出强化作用来明显改善钢的韧性，并可使钢板获得良好的焊接性。铝（Al）是冶炼高级别钢及纯净钢的良好脱氧剂，不仅有利于细化晶粒，而且能有效地降低钢中有害杂质含量，提高钢的塑韧性。铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）溶于铁素体时起到强化作用，并能降低相变的温度，最终细化晶粒，在提高强度的同时改善了韧性。低合金结构钢正是通过加入这些合金元素，获得特定的所需的综合性能，如强度、韧性、成形性、高温和低温性能、焊接性、耐蚀性等，用低合金钢代替碳素钢制造压力容器和锅炉及零部件，可以减轻重量，节省材料，提高安全可靠性，并能延长使用寿命。

压力容器用低合金钢的牌号通常可采用两种方法表示：采用代表钢屈服强度的符号“Q”、屈服强度数值和代表产品用途的符号等表示，例如：压力容器用钢牌号表示为“Q345R”；也可是以钢中平均含碳量的万分数开头，后面依次为所含合金元素符号及含量百分数。当合金元素含量（质量分数）不超过1.5%时，该元素符号后不标注数值。如16Mn，平均含碳量（质量分数）0.16%，含Mn量（质量分数）1.2%～1.6%。

低合金钢可按含碳量分为低合金结构钢和合金结构钢。

低合金结构钢含碳量（质量分数）不大于0.25%，具有良好的焊接性，主要用作中、高参数压力容器承压元件，有板材、钢管和锻件等。压力容器中的常用低合金钢有14Cr1MoR、15CrMoR、18MnMoNbR、13MnNiMoR、12Cr2Mo1VR、16MnDR、15MnNiDR等。其中，14Cr1MoR、15CrMoR、12Cr2Mo1VR等以铬、钼合金元素为主的Cr-Mo钢，在400～600℃以下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、紧固件及高压容器、管道等。Cr-Mo钢也是抗氢钢的主导钢种，在石油化工装置中得到广泛应用。16MnDR、15MnNiDR等低温钢具有良好的低温韧性，在低温设备中使用广泛。

合金结构钢的含碳量范围较宽，主要供压力加工和切削加工用，如压力容器中紧固件，以及一些机器中的零部件，如轴、齿轮等。常用合金结构钢有30CrMo、35CrMo、40Cr、25Cr2MoVA、40MnB、40MnVB等。

低合金结构钢的生产工艺相对比较简单，交货状态多为热轧和正火，部分钢种为正火加回火或调质。

2.高合金钢

化工设备中使用的高合金钢主要是不锈钢和耐热钢。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，既可用作不锈钢，也可作为耐热钢使用。

按照GB/T221—2008《钢铁产品牌号表示方法》和GB/T20878—2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》，不锈钢和耐热钢的牌号中，前面的数字表示平均碳含量的万分之几或十万分之几。含碳量大于或等于0.04%时，推荐取两位小数（万分之几）；含碳量不大于0.030%时，推荐取三位小数（十万分之几）。后面跟的合金元素符号和数字表示该合金平均含量的百分数。如06Cr19Ni10（0Cr18Ni9）（括号中牌号为旧牌号或近似旧牌号，下同）、022Cr17Ni12Mo2等。

（1）不锈钢

不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢是指耐大气、蒸汽和水等弱腐蚀介质的钢，而耐酸钢则是指耐酸、碱、盐等化学介质腐蚀的钢。不锈钢和耐酸钢在合金化程度上有较大差别。不锈钢虽然具有不锈性，但并不一定耐酸，而耐酸钢一般则均具有不锈性。

合金元素如铬、镍、钼和其他元素均会影响不锈钢和镍基合金的冶金组织、物理性能和耐蚀性。根据这些合金元素含量的不同，不锈钢可以是铁素体的、奥氏体的、马氏体的或奥氏体-铁素体双相组织的。

铬（Cr）是不锈钢的一个基本元素。在含量（质量分数）超过12%以上时，该元素形成一种稳定的、透明的钝化膜来延缓腐蚀，钢材耐腐蚀性大大增强。所以一般不锈钢含铬量（质量分数）均在12%以上。此外，铬含量的多少，对钢的组织有很大影响：铬为铁素体形成元素，可使奥氏体区缩小。

镍（Ni）可扩大不锈钢的耐蚀范围，特别是提高耐碱能力。镍是奥氏体形成元素，使钢材具有奥氏体组织。镍可提高韧性和延展性，使钢更容易加工、制造和焊接。

锰（Mn）可提高钢材强度与硬度。锰也是奥氏体形成元素，可以锰代替镍冶炼奥氏体钢，以节约镍的消耗量。

钼（Mo）可提高钢钝化膜的强度，并可改善钢对点蚀和缝隙腐蚀的抵抗能力，特别是在卤盐或海水中等有氯离子存在的情况下。钼也可提高钢对氯化物应力腐蚀的抵抗能力。利用固溶强化的方法，钼可提高奥氏体不锈钢的高温强度和马氏体不锈钢的抗回火能力。(www.xing528.com)

钛（Ti）和铌（Nb）能优先与碳及氮结合形成碳化物或氮化物，这样就可以改善高温强度，阻止铬的碳化物的形成，防止不锈钢的晶间腐蚀。

铬钢06Cr13（0Cr13）是常用的铁素体不锈钢。有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工性能，在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐蚀性，但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀。

06Cr19Ni10（0Cr18Ni9）、06Cr18Ni11Ti（0Cr18Ni10Ti）、022Cr19Ni10（00Cr19Ni10）均属于奥氏体不锈钢，区别在于它们的含碳量不同。06Cr19Ni10、06Cr18Ni11Ti为低碳级，022Cr19Ni10为超低碳级。含碳量不同除影响力学性能，对钢的耐蚀性，尤其是晶间腐蚀性能有显著影响。当含碳量超过0.03%时，不锈钢焊接后，焊缝附近可能产生晶间腐蚀。06Cr19Ni10在固溶态具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水蒸气等介质中耐蚀性亦佳，抗高温氧化性能也较好，还可制作-196℃的深冷设备。但长期在水及蒸汽中工作时，06Cr19Ni10有晶间腐蚀倾向，并且在氯化物溶液中易发生应力腐蚀开裂。06Cr18Ni11Ti由于Ti元素的加入而有较高的抗晶间腐蚀能力，可在-196～600℃温度范围内长期使用。022Cr19Ni10具有更好的耐蚀性，但由于含碳量低，强度有所下降。

022Cr19Ni5Mo3Si2N（00Cr18Ni5Mo3Si2）是奥氏体-铁素体双相不锈钢，耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备。

高合金钢板牌号新旧标准及与国外牌号近似对照见表2-2。

表2-2 高合金钢板牌号新旧标准及与国外牌号近似对照

注：数字代号中，S表示不锈钢和耐热钢，第一位阿拉伯数字1为铁素体型，2表示奥氏体-铁素体双相型，3表示奥氏体型。

（2）耐热钢

用于制造在高温下工作零部件的钢称为耐热钢。耐热钢通常应具备两种基本性能：一种是能在高温下长期工作而不致因介质（O₂、H₂S、SO₂、H₂）的侵蚀导致破坏，这种性能称为高温化学稳定性（或称为钢的抗高温氧化性能），具有这种性能的钢称为热稳定钢；一种是在高温下仍具有较高的强度，在长期受载情况下不会产生大变形或断裂，具有这种性能的钢称为热强钢。

提高钢的热稳定性的途径是在钢中溶入铬、铝、硅等元素。这些合金元素在高温含氧环境中会在钢材表面形成氧化膜，可阻止金属铁原子与高温腐蚀介质的接触，从而提高耐高温介质腐蚀的能力。

提高钢的高温强度的措施是在钢中溶入镍、锰、铝、铬、钨、钒等元素。镍或锰可使钢材保持具有较高再结晶温度的奥氏体组织结构，而铝、钨、钒等元素可与钢中碳形成比碳化铁稳定的碳化物，这些碳化物分散度大，硬度极高，从而延缓或阻止了蠕变的进行，使钢获得较高的高温强度。

含铬量（质量分数，后同）一般为7%～13%的马氏体耐热钢，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。含铬量12%左右的12Cr13（1Cr13）、20Cr13（2Cr13），以及在此基础上发展出来的牌号如14Cr11MoV（1Cr11MoV）、15Cr12WMoV（1Cr12WMoV）等，通常用来制作汽轮机叶片、轮盘、轴、紧固件等。

含有较多的铬、铝、硅等元素，形成单相铁素体组织的铁素体耐热钢，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，因而使用受到限制。如022Cr12（00Cr12）、06Cr13Al（0Cr13Al）、16Cr25N（2Cr25N）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。

含有较多的镍、锰、氮等奥氏体形成元素的奥氏体耐热钢，在600℃以上时，有较好的高温强度和组织稳定性，焊接性良好，通常用作在600～1200℃工作的热强材料。典型钢种有06Cr18Ni11Nb（0Cr18Ni11Nb）、22Cr21Ni12N（2Cr21Ni12N）、45Cr14Ni14W2Mo（4Cr14Ni14W2Mo）、16Cr25Ni20Si2（1Cr25Ni20Si2）等。