让你弄懂耐热钢纤维及锚固件对整体性窑衬有多么要的影响
一、概述
一般情况下，耐火材料工艺不讨论金属材料。但是，耐热钢纤维和耐热钢锚固件都是整体性窑衬的重要组成部分，耐热钢能否有效发挥作用对不定形耐火材料的使用效果有重要的影响。所以，本节叙述涉及耐热钢的基础知识，涉及耐热钢焊接的问题将在后续章节中讨论。
对高温下使用的耐热钢或其他金属材料使用性能的要求有三条：
① 要有足够的力学性能，比如高温强度、持久强度、蠕变极限等;
② 要有足够的高温化学稳定性;
③ 良好的工艺性能，比如焊接性能等。
要弄清这些问题，就需要从钢铁材料的基础知识开始。
二、铁碳合金相图
铁碳合金相图描述了平衡状态下Fe、C两种元素 组成合金的物相组成随温 5、化学组成变化而变化的规律。因此，铁碳合金相图是研究钢铁成分、组织和性能之间关系的基础。铁碳相图如图6-26所示。
由图6-26可知，碳含量低于0.021%时，铁碳合金叫做工业纯铁。工业纯铁具有的塑性、电磁性能和耐腐蚀性能，常用于制作深冲制品(如搪瓷)、电子器件以及要求比钢具有更好的耐蚀性而强度不高的场合。
碳含量0.021%〜2.11%时，铁碳合金叫做钢。其中，碳含量0.021 %〜0.77%的 铁碳合金叫做亚共析钢;碳含量等于0.77% (位于S点)的铁碳合金叫做共析钢; 碳含量0.77%〜2.11%的铁碳合金叫做过共析钢。
碳素钢依含碳量的高低分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。其中，低碳钢的碳含量为0.08%〜0.25%。低碳钢的硬度低、强度低，但可加工性好，易于进行锻造、焊接和切削，多用于工程结构件及铆钉、螺栓、链条、轴等部件。
中碳钢的碳含量为0.25%〜0.55%，具有良好热加工及切削性能，但焊接性能较差。中碳钢的强度、硬度比低碳钢高，但塑性和軔性低于低碳钢。中碳钢可不经热处理，直接使用，亦可经热处理后使用。热处理后，中碳钢具有良好的综合力学性能。所以，在中等强度水平的各种用途中，中碳钢得到最广泛的应 用，除作为建筑材料外，还大量用于制造各种机械零件。
高碳钢的碳含量为0.60%〜2.25%，多用于制造弹簧和工具。比如，锤、 撬棍等工具由含碳量约0.75%的钢制造;而切削工具如钻头、丝攻、铰刀等由 含碳量0. 90%〜1. 00%的钢制造。
碳含量2. 11%〜6. 69%时，铁碳合金叫做铸铁。其中，碳含量2. 11%〜 4. 30%的合金叫做亚共晶铸铁;碳含量等于4.30% (位于L点)的合金叫做共晶铸铁;碳含量4.33%〜6.69%的合金叫做过共晶铸铁。铸铁生产工艺简单、 制造成本低廉，具有良好的铸造性能、耐压强度、耐磨性能和减震性能，在机械 行业得到了广泛的应用。
由前所述，根据铁碳相图将铁碳合金分为纯铁、钢和铸铁，而钢和铸铁又按含碳多少分为三种，见表6-33。
三、钢的高温性能
1.概述
耐火材料中，钢纤维起增强作用;锚固件起粘接整体性窑衬和窑体的作用， 钢纤维和锚固件都经受高温长期作用，且承受很大应力的作用。
随温度增高，金属性能会发生变化。同时，高温下随载荷作用时间的延长金属的性能也会发生变化。例如，20#钢在450℃的短时抗拉强度为330MPa，但承受230MPa的应力，持续300h就发生断裂。如果应力减少到120MPa，持续10000h也发生断裂。所以，高温下金属材料的力学机械性能，不能简单根据常温短时应力-应变曲线来评价，必须考虑温度和时间两个因素，研究温度、应力、 应变与时间的关系，根据性能随温度和时间而变的规律来合理使用材料。
其次，高温下金属材料的活泼性很高。比如，耐热钢会与窑气中的O2、 SO2、H2O等作用。被腐蚀之后，耐热钢的体积膨胀、性能变劣，不仅不能发挥有益作用，还会加速耐火材料的损坏。所以，不同的耐热钢对使用温度和环境均有一定的要求，只有正确地使用了耐热钢材料，才可以使窑衬获得正常的寿命。
2.蠕变极限
高温下，金属在长时间恒温、恒力作用下，即使所受应力小于屈服强度，也会缓慢产生变形。这种现象叫做蠕变。当将碳素钢加热到300°C以上，合金钢加热到400°C以上，就应该考虑蠕变的影响。蠕变曲线如图6-27所示。
由图6-27可知：蠕变分为三个阶段。第一阶段ab是减速蠕变阶段，开始蠕变速率很大，后来蠕变速率逐渐降低，到b点速率达到最小。第 二阶段&是恒速蠕变阶段，随时间延长，蠕变速率几乎不变，直至c点。一般所指的蠕变速率就是指这一阶段的速率。第三阶段W是加速蠕变阶段，随时间延长，蠕变越来越快，至d点材料发生断裂破坏。
3.持久强度
金属材料的持久强度是在给定温度下受恒定载荷作用，于规定的持续时间内.不引起试样断裂的最大应力。
持久强度的试验是在恒定温度下，将一组试样分别施加不同应力进行长期的拉伸试验，直到断裂为止。从中得到一组应力和断裂时间的数据，然后在双对数兰标图上绘出应力-断裂时间线性关系图，从中得到规定时间内所能承受的最大应力，即为持久强度的数值。
4.高温抗氧化性
钢在高温含氧介质中抵抗氧化腐蚀的能力，称为钢材的抗氧化性能。钢的抗氧化性主要取决于钢中Cr、Al、Si等元素的含量。
钢高温抗氧化性用氧化速率表示。氧化速率是在规定温度下，在氧化介质中，试样的单位表面积在单位时间内，其质量的增加值。该值越小，说明钢的氧化增重越少，钢的抗氧化性也就越好。
四、耐热钢的成分
1. 碳素钢和合金钢
钢的生产中，普通碳素钢占总产量的70%〜80%。碳素钢是以铁碳合金为基础，同时还含有少量长存元素如Mn、Si、S、P、N、H、0,以及某些其他金属如 Cu、V、Ti、Cr、Ni、Mo 的钢。
碳素钢中，Mn的含量为0.25%〜0.50%,起提高钢的强度和淬透性的作 用。Si的含量为0. 1%〜0.3%，与Mn —起起强化的作用。Cu的含量< 0.35%,对钢的组织和性能没有显著影响，但可提高钢的耐蚀性。一般情况下， S、P、N、H是杂质元素，对钢的性能有害。但特殊情况下，某些杂质元素对 钢的某些性能又可能有益。比如，优质钢中P的含量<0.04%，但易切削钢 提高易切削性将P的含量提高到0.08%〜0.15%。
一般情况下，低合金钢的合金元素总量不超过5%。普通低合金钢的设计原 则就是利用尽量少的合金元素获得尽可能高的性能。低合金耐热钢具有一定的耐 热性，价格便宜，又有良好工艺性能，被广泛用于锅炉、汽轮机、燃气轮机和化工设备。例如，奥氏体耐热钢是一种性能优良的高合金耐热钢，但其价格是普通碳素钢的10倍以上，低合金耐热钢的3〜7倍。
为了提高性能，需要进一步提高钢中的合金含量。中合金钢的合金元素总量为5%〜10%;高合金钢的合金元素含量为10%〜50%。按照用途，又将合金钢分为结构钢、工具钢、模具钢、弹簧钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢等。其中，不锈钢和耐热钢之间彼此重叠很多。
2. 普通钢材的抗氧化性
钢在高温下与空气接触时，表面要发生氧化，生成氧化膜。在不同的温度下，随时间延长，Fe的氧化增重变化是不相同的。
温度小于200°C时，Fe的氧化增量△m和时间τ的对数成正比，增重的速率δ△m/δτ和1/τ成正比。随时间延长，氧化增重的速率变得相当缓慢。
温度为250〜575°C时，Fe的氧化增量△m和时间τ的1/2次方成正比，增重的速率δ△m/δτ和1/τ的1/2次方成正比。随时间延长，氧化增重比较迅速。
当温度超过575°C时，氧化速率明显增加。如图6-28所示是铁在650°C氧化24h后的氧化膜结构。
由图6-28可知：铁的氧化膜分为3层。最外层是Fe2O3，次外层是Fe3O4;最内层为FeO。其中，FeO层厚度最大.对材料的损害最为严重。高温下，钢的抗氧化性变差，这是由于在氧化膜中，除了 Fe2O3和Fe3O4之外，还出现了 FeO层。当FeO层出现后，FeO中有Fe离子缺位，Fe离子在 FeO中有很高的扩散系数。由此，引起Fe的快速氧化。
为提高钢的抗氧化性，首先要阻止FeO层的出现，并能形成合金的氧化膜。如果氧化膜的结构比较致密，Fe、0离子通过膜比较困难，钢的氧化速率就得以大幅度降低。为提高钢的抗氧化性，需要在钢中添加铬等元素。
3.铬对钢性能的影响
铬是耐热钢的主要合金元素，对钢的耐热性起重要的作用。Fe-Cr二元合金相图如图6-29所示。
由图6-29可知：铬是稳定铁素体(α-Fe)和缩小奥氏体(γ-Fe)的元素。 当铬含量小于12%时，温度变化时Fe-Cr合金发生a→γ 转变。当Cr含量大于13%时，Fe-Cr合金不发生相变，温度变化时铁铬合金均保持《相组织，其晶粒大小不能通过热处理的方法加以改变。
由图6-29可知，铁素体耐热钢在 500〜800°C长时间保温，就可能析出相，致使钢产生脆性。这种脆性被称为<7 相脆化。
铬含量大于15%的铁素体钢，铁素体含量大于15%的奥氏体钢，在400〜500°C长时间保温因析出a'相而强烈脆图6-29 Fe-Cr二元合金相图化，这被称为475°C脆性。
4. Ni对钢性能的影响
Ni是奥氏体(y-Fe)的形成元素和扩大相区、形成无限固溶体的元素。Fe-Ni二次合金相图如图6-30所示。
从图6-30可知，α-Fe中Ni的最大固溶量为7%。Ni的主要作用是扩大奥氏体的相区。比如，对含Cr18%的合金钢，加入2%的Ni就可以扩大γ-Fe相区;加入4%的Ni，奥氏体的稳定性明显增加，但650℃的回火或冷加工时奥氏体易分解;如加入8%的Ni，γ-Fe相区进一步扩大货位奥氏体刚。
5.耐热钢的组织图
当耐热钢中存在多种元素时，其组织可以根据耐热钢组织图来判断。如图6-31所示就是以镍当量(%Ni+30×%℃+0.5×%Mn)和镍当量(%Cr+%Mo+1.5×%Si+0.5%Nb)表示的耐热钢组织图。利用改图就可以大致可以根据耐热钢的化学成为判断其物相组成，进而估计其理化性能。
由图6-31可知;依照Cr、Ni含量不同，不锈货耐热钢分马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢的等品种。
马氏体不锈钢含12%〜18%的Cr, 0.1%以上的C。当加热至临界温度以上并进行快冷时，可获得马氏体组织。这类钢具有高的硬度、强度，耐磨性好，有磁$性，易热加工，但耐蚀性较差，不易冷加工，可焊性不好。因为最后几条缺点，这种钢不宜作为锚固件，但常作为餐具、泵轴、医疗器件、刃具和耐磨零件。
铁素体不锈钢含12%〜18%的Cr,0.1%以下的C加热时不发生相变，一般不能用热处理强化。这类钢具有三种脆性倾向：175℃脆性、a相析出脆性和晶粒长大引起的脆性，焊接性差，但高温抗氧化好。因为最后两条性质，铁素体不镑钢不宜作为锚固件，但可作低档耐热钢纤维使用。
奥氏体不锈钢含12%〜25%的Cr，8%〜30%的Ni,即Cr-Ni奥氏体钢。 加热时，Cr-Ni钢的组织稳定，不能通过淬火强化。奥氏体不锈钢随Cr含量增加，抗氧化性増强;随Ni含量增加，抗应力腐蚀性能改善。奥氏体不镑钢低温 韧性极好，无磁性，加工、成形和焊接性能较好。对于工作温度超过l000°C的炉内构件，常使用铬镍奥氏体钢。
双相不锈钢是通过在纯奥氏体组织中増加铁素体形成元素的含量而制得的。 在固溶状态使用条件下，双相不锈钢具有奥氏体-铁素体组织。双向不镑钢不镑 耐蚀，具有高强度、易加工和可焊接的性质，可作弹簧、轴及宇航设备等。
五、耐热钢的牌号
1.普通钢牌号的确定
我国普通钢的编号是按钢材的含碳量及所含合金化学成分范围来确定的，编号方法如下。
① 钢号的首位数字表示含碳量。对于碳素钢，结构钢以万分之一碳作为一个数字单位。例如，45#钢，表示碳含量为0.45%的碳素结构钢。对于碳素钢， 工具钢则以千分之一的碳作为一个数字单位。例如，TlO表示碳含量1.0%的碳素工具钢。数字前面的T作为区分碳素工具钢和碳素结构钢的标志。
② 对于普通合金钢，在表示碳含量数字的后面，用元素的化学符号来表示合金元素。当元素的上限含量超过1.6%时，在元素后边注出近似的百分比值。 若不超过1.6%时，只给符号，不标出数值。例如，35Cr2V，表示平均碳含量 0.35%,含Cr2%，并含少量V的合金结构钢;09Mn2,表示平均碳含量0.09%，含Mn 2%的合金结构钢。再如，9SiCr表示平均含碳量0.9%,并含少量硅和铬的合金工具钢。
特别注意：合金结构钢以万分之一碳作为一个数字单位，并用两位数字表示碳含量。合金工具钢以千分之一碳作为一个数字单位，并用一位数字表示碳含量。由此，区分出了结构钢和工具钢。
2.我国不锈钢牌号的确定
不锈钢的牌号和耐热钢有很多重合。不锈钢牌号的首位阿拉伯数字表示含碳量=由于各钢号不锈钢的含碳量差别很大，不同级别的含碳量表达方式见表6-34。
3.美国不锈钢牌号的确定
美国钢铁协会AISI将不锈钢分为五大类：
ASISI200系列为低镍铬锰氮不锈钢;
ASISI300系列为镍铬不锈钢;
ASISI400系列为铬系不锈钢;
ASISI500系列为低铬不锈钢;
ASISI600系列为沉淀硬化不锈钢。
其中，耐火材料常用的是ASISI300和ASISI400系列的不镑耐热钢。
六、耐热钢纤维
耐火材料中使用含Cr、Ni的耐热不锈合金钢是经熔抽工艺制得的，截面为弯月状的钢纤维。制造钢纤维的熔抽工艺如图 6-32所示。
最早，钢纤维采用冷拔、压型、剪断、切削等冷加工手段制得。钢纤维不仅制造成本很高，有的还不利于纤维和基材的粘接。后来，开发了熔抽工艺。熔抽法如图6-32所示：一组水冷钢盘插入钢水。钢盘高速旋转.将钢水冷后甩出，形成纤绅。通过改变钢水温度，冷却强度，键盘的插入深度、旋转速度、厚度及及其他形状特征尺寸等参数.可以控制甩出纤维长度、宽度和截面形状。由此，可以批量生产出钢纤维。钢纤维成本降低、产量扩大，截面形状和表面光洁度改善，性价比值提高，使钢纤维增强材料得到快速推广。耐热钢纤维的性能见表6-35。