合金钢及马氏体型不锈钢的化学成分和机械性能要求

随着人们认识的不断提高及生产力的不断改善,碳素钢已不能满足于一些领域对钢铁的需求,合金钢就是在碳素钢的基础上发展起来的。为了提高钢的机械性能、工艺性能或物理化学性能,通常有意识地向钢中加入一些合金元素,由此得到的钢就叫合金钢。管道设计中常用的合金钢有低合金钢、调质合金钢、不锈钢、耐热钢和低温钢,这里主要介绍前三种合金钢。

1.低合金钢

《低合金高强度结构钢》GB/T1591—2008规定了低合金钢牌号表示方法,由代表屈服点的汉语拼音字母(Q)、屈服强度数值(MPa)、质量等级符号(A、B、C、D、E)构成。该标准列出了Q345A～E、Q390A～E、Q420A～E、Q460C～E、Q500C～E、Q550C～E、Q620C～E、Q690C～E等多种材料牌号。其表示方法及代号含义同普通碳素钢部分。当用于常温及以上温度时,可用A、B或C级;当用于-40～-20℃时,可用D或E级。

《合金结构钢》GB/T3077—1999标准给出了铬钼系和铬钼钒系低合金钢的化学成分和机械性能要求。其中常用的低合金钢材料牌号有12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV等,它们常用作抗氢腐蚀、抗高温硫或硫化氢腐蚀和耐热(次高温)等材料。例如,12CrMo和15CrMo常用于550℃以下的高温工况,或用于320℃以下的临氢工况;12Cr1MoV常用于575℃以下的高温高压蒸汽介质。

2.调质合金钢

调质合金钢属于低合金钢的一种,合金元素总量一般不大于3%,但由于它的含碳量较高,故强度高,可焊性差,常用作螺栓、螺母材料。

《合金结构钢》GB/T3077—1999给出了调质合金钢的化学成分和机械性能要求,常用材料牌号有40Cr、45Cr、30CrMo、30CrMoA、35CrMo、35CrMoA、25Cr2MoVA等。牌号中带“A”字标志的为高级优质钢。

3.不锈钢

目前,不锈钢定义为含铬量10.5%以上的铁基合金。由于它含有大量的合金元素,故其耐热、耐蚀等性能大大优于碳素钢和低合金钢,但随之而来的是其价格也远远高于碳素钢和低合金钢。

不锈钢根据其常温的组织结构特点可分为马氏体型、铁素体型、奥氏体型、奥氏体-铁素体双相型和沉淀硬化型五类。对于奥氏体型又可根据其含碳量的不同分为高碳型(C=0.08%～0.12%),低碳型(C≤0.08%)和超低碳型(C≤0.03%)三种。(www.xing528.com)

(1)马氏体型不锈钢 马氏体型不锈钢的合金元素含量与铁素体型不锈钢类似,但其含碳量较高,淬透性较好,容易得到硬而脆的马氏体组织。因此,它具有较高的硬度和耐磨性,耐蚀性较弱,常用作医疗中的手术刀,而管道材料中则常用作碳素钢和铬钼钢阀门的阀杆和阀芯。管道材料中常用的材料牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13等。

(2)铁素体型不锈钢 铁素体型不锈钢常温组织为铁素体组织。由于它的平均含铬量大于11.7%,可在材料表面形成一层致密的铬氧化物薄膜,从而能有效地保护材料免遭腐蚀。但其防腐性能不如奥氏体型不锈钢,焊接性能也比较差,还容易出现475℃回火脆性和σ相析出引起的脆性,故常用在腐蚀性较弱的环境。铁素体型不锈钢在管道材料设计中应用得不多,而在压力容器中常用作复合材料的复层。

(3)奥氏体型不锈钢 奥氏体型不锈钢常温组织为单一奥氏体组织,它消除了组织之间的电位差,故有利于抗电化学腐蚀。又由于它含有大量耐蚀合金元素,故也抗高温化学腐蚀。奥氏体型不锈钢具有良好的综合机械性能,也具有良好的可焊性,故工程上应用很广泛。

高碳奥氏体型不锈钢由于其含碳量较高,高温强度较高,故常用作耐热钢。

超低碳型奥氏体型不锈钢由于其含碳量较低,不易产生晶间腐蚀倾向,故常用作耐腐蚀钢。但它的强度较低,尤其是高温强度较低,故不宜在高温下使用。

低碳型奥氏体型不锈钢的性能介于高碳和超低碳之间,既可作防腐蚀用,又可作为耐热用。但其防腐性能不如超低碳型,而高温强度不如高碳型。

有时为了使奥氏体型不锈钢既具有较高的强度和耐热性,又具有抗晶间腐蚀性能,常在低碳型奥氏体型不锈钢中加入稳定化元素(Ti、Nb),得到稳定型的奥氏体型不锈钢。这种材料对耐温和耐蚀兼而有之,故工程上应用较广。管道材料常用的牌号有06Cr19Ni10(0Cr18Ni9或304)、022Cr19Ni10(00Cr19Ni10或304L)、06Cr17Ni12Mo2(0Cr17Ni12Mo2或316)、(00Cr17 Ni12Mo2或316L)、06Cr18Ni11Ti(0Cr18Ni10T或321)、06Cr18Ni11Nb(0Cr18Ni11Nb或347)等。

(4)奥氏体-铁素体双相型不锈钢 奥氏体-铁素体双相型不锈钢常温组织为奥氏体+铁素体组织。由于此类材料中含有硅、铝等合金元素,加之它具有双相组织,故其抗氯化物引起的晶间腐蚀和应力腐蚀性能明显优于奥氏体型不锈钢。它与奥氏体型不锈钢一样,具有良好的综合机械性能,也具有良好的可焊性,故常代替奥氏体型不锈钢用于容易发生晶间腐蚀的工作环境。但该种材料制造工艺复杂,成本较高,故这种材料在工程上应用的尚未普遍。

(5)沉淀硬化型不锈钢 沉淀硬化型不锈钢是指可以进行沉淀硬化处理的奥氏体型或马氏体型不锈钢。经过沉淀硬化处理后,此类不锈钢有很高的强度和硬度,其耐蚀性则接近于奥氏体型不锈钢,在管道材料中它常用作螺栓和螺母材料。管道材料常用的牌号有0Cr17Ni7Al。