第七章合金钢课件.ppt

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1、第七章 合金钢(4h),分类及编号合金元素在钢中的作用合金结构钢合金工具钢特殊钢,第一节 分类及编号,一、合金钢介绍,1、什么叫合金钢 为了提高钢的力学性能，在冶炼时特意加入一些合金元素（主要是过渡族元素）所得到的钢称为合金钢。,合金元素的作用：提高强度，塑韧性；提高淬透性提高高温强度、热硬性提高抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐磨、电磁等特殊性能,碳钢的缺点：1.基本相(F、Fe3C)性能不够好；2.淬透性低；3.使用温度不能超过200；4.没有特殊性能，如耐腐蚀、抗氧 化、高耐磨。,2、为什么添加合金元素？,3、钢中常用合金元素,合金钢中除Fe、C 外，一般还包括：,二、合金钢分类,1按用途分类,2

2、按成分分类,为达到某种性能要求，人为加入了必要的合金元素。按合金总量分为低、中、高合金钢。,10%,刀 具,量 具,模 具,三、常用合金钢的牌号,合金结构钢 例：18Cr2Ni4WA 18Cr2Ni4WA 牌号的组成为：两位数字元素符号和数字字母。如：18Cr2Ni4WA 其中第一部分两位数字：碳含量的万分之几；C0.18 wt 第二部分的元素符号表示主要或关键合金元素，元素含量超过1.5，则标注在元素符号的后面。如：Cr2，Ni4，W1，Cr、W、Mn 1%,G：滚动）,第二节 合金元素在钢中的作用,一、对钢中基本相的影响,1、弱（非）碳化物形成元素：Mn，Co，Ni，Al，Si等，基本上能

3、溶入铁素体使钢的强度和硬度提高（固溶强化），但韧性降低。,作用：1）固溶强化 2）提高淬透性,2、强碳化物形成元素：Cr，Mo，W，V，Nb，Ti（前过渡族）等元素与碳的亲合力比铁强，一部分能溶入Fe3C形成合金渗碳体(Fe,M)3C，另一部分则形成特殊碳化物，如：Cr23C6，WC，NbC，TiC等，这些碳化物比渗碳体更高的熔点和更高的硬度（弥散强化），并阻碍A体晶粒长大（细化晶粒）作用：（1）细化晶粒（2）弥散强化,二、合金元素对铁碳相图的影响,扩大相区：元素 Ni，Mn，W等促进奥氏体化，扩大区。原因是这些合金元素使 A3 线降低。这类元素也称为相稳定化元素。如1Cr18Ni9Ti不锈钢

4、就是奥氏体类型钢。扩大区：元素Si，Cr 等使A3线升高，扩大区。如：加入一定量的Cr，Si可使区消失，得到全部铁素体组织，如Cr17，Cr25，属于铁素体不锈钢。对S点（共析点）和E点（A最大C浓度）影响：一些添加元素（如：Cr、Mn）使S、E点左移，使共析钢中的碳含量减少。如：4Cr13不锈钢，其C0.4，但为过共析钢。,合金元素对S点影响实例,Mn,Cr使S点左移,Mn使A3线降低，Cr使A3线升高,三、对热处理过程的影响,1对奥氏体化及晶粒度的影响（升温过程）,（1）奥氏体化：Co 可加速奥氏体化，大部分强碳化物合金元素（如Cr，Mo，W，V，Ti）都延缓奥氏体化过程。原因：这些强碳化

5、物形成元素阻止Fe,C 的迁移，减缓奥氏体的形成。（2）奥氏体的晶粒度：强碳化物形成元素，如V、Ti、Nb、Zr可以强烈阻止奥氏体晶粒生长；原因：合金碳化物弥散分布在 A 上，阻碍晶界迁移。,2对过冷奥氏体转变的影响（降温过程）,合金元素对过冷奥氏体分解的影响主要反映在对TTT曲线（C 曲线）的影响。,C曲线移动：Co使C曲线左移，即：降低淬透性；Ni，Si，Mn，Al Cu等（均为弱或非碳化物形成元素）,使C曲线右移，即：提高淬透性。原因：稳定奥氏体,所以，大多数合金钢均使用油淬，降低工件热应力,2、C曲线的形状：C曲线分解为两个C曲线，一个对应珠光体转变曲线，另一个对应贝氏体转变曲线。严重

6、的造成这两个转变曲线分离，中间出现一亚稳区。一些合金钢在连续冷却过程中也能获得贝氏体。,P转变,B转变,四、对回火转变的影响,1提高钢的回火稳定性,所谓回火稳定性是指钢在回火时发生软化的抵抗能力。几乎所有的合金元素都能提高回火稳定性。原因：合金元素能阻止C的扩散（特别是强碳化物形成元素），从而推迟或减缓马氏体的分解，提高耐回火性。如:W18Cr4V钢的红硬性好,2产生二次硬化,一些含W、Mo、V较高的钢中，回火温度升高到一定程度后，出现硬度上升（如右上图所示），这种现象称为“二次硬化”。原因：（1）残余奥氏体马氏体：在添加了合金元素后，残余奥氏体很稳 定，在回火时并未发生转变，而在冷却时发生马

7、氏体转变，使材 料的硬度得到提高（相变强化）；（2）析出碳化物：在500600下，马氏体才出现分解，析出的高硬 度的碳化物弥散细小，自身硬度高，同时强化了铁素体的基体。（弥散强化）,碳钢力学性能随退火温度上午变化,第三节 合金结构钢,一、低合金高强度钢,结构钢主要用来制造工程构件，是机械、交通、石化、建筑用金属材料的主体，在构件中主要是承受力的作用。,用途：制造桥梁、船舶、大型钢架、农业机械等等。,性能：强度高，塑、韧性好。,成分：C0.25 主要合金元素：Mn：W合金元素 3%,固溶于铁素体（固溶强化）辅助合金元素：V，Ti，Nb，作用：形成VC，TiC，NbC等（弥散强化，细化晶粒）,热处

8、理：热轧+空冷(相当于正火),组织：鉄素体珠光体（或索氏体），（F+P）或（F+S),牌号：16Mn（旧），两位数字：C含量的万分之几；合金元素含量表示同前。Q345C（新）Q:屈服，345：屈服强度，C：等级,一、低合金高强度钢（碳含量用两位数字表示）,武汉长江大桥 1955年9月-1957年10月,16Mn,二、合金渗碳钢,用途：适用于表硬内韧的工件。如：齿轮、活塞等。,热处理及组织：热处理表面渗碳直接淬火低温回火（P.171)。组 织 表面为过共析钢：M 回+碳化物+A，约HRC60；心部为亚共析钢：M 回+A，HRC3050。,成分：低碳合金钢 C：0.10-0.25：保证淬火后，心部

9、形成板条马氏体，心部有好的韧性 主要合金元素：Mn，Ni，Cr，B等，保证好的淬透性 辅助合金元素：Ti，V，W 等，用于形成稳定化合物，细化晶粒，提 高回火稳定性。,性能：心部韧性好 表面硬度高,常用的牌号：,低淬透性渗碳钢 15Cr、20Cr、16Mn2、20Mn2等，淬透性不高，用于受力不大的耐磨零件，如滑块、活塞销等。中淬透性渗碳钢 20CrMnTi、12CrNi3A、20CrMnMo、20MnVB，这类钢中合金元素总量较高(但，4)，淬透性和韧性均较高，用于变速箱齿轮、十字轴等零件。高淬透性渗碳钢 12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W等，这类钢中含有的合金元素总量更高(但7.5)，

10、淬透性很大，强韧性配合好，可承受重载，用于尺寸大的重要零件，如大马力内燃机的主动牵引齿轮。,淬透性高低取决于合金元素的多少,二、渗碳钢,第三节 合金结构钢,常用的钢号：,20CrMnTi,三、调质钢,用途：轴、连杆、低速齿轮，高强度螺栓。,性能：高强度和高韧性的配合。,成分：C：0.35-0.50 属于中碳钢，主要合金元素：Cr，Mn，Ni，Si，B（弱碳化物元素），提高淬透性，固溶强化，辅助合金元素：Mo，W，V（强碳化物元素），提高回火稳定性、细化晶粒。,热处理：调质处理，即:淬火高温回火。,组织：回火索氏体；,牌号 低淬透性 40Cr，中淬透性 40CrMn、40CrNi，高淬透性 40

11、CrMnSi、40CrNiMo、40CrMnMo等,三、调质钢,第三节 合金结构钢,常用的钢号：,轴、,连杆,40Cr 40CrMn,调质钢:,四、弹簧钢,性能：高弹性极限，高屈强（S/b）比；硬度适中，4050 HRC。,热处理及组织：热成形弹簧，材料加热到奥氏体进行成型，再进行 淬火+中温回火 回火温度：450-550。组织：回火屈氏体（T回），HRC4050 冷成形弹簧，材料加热到奥氏体化，然后在500-550等温，形成索氏体，冷加工产生加工硬化后冷成形，再在200-300去应力退火。组织：索氏体,牌号：65、70、65Mn、60Si2Mn、50CrMo、55SiMnMoV等,成分：WC

12、0.5-0.9 高C以保证高的弹性极限。主要合金元素 Mn，Si 提高淬透性，提高S/b比，固溶强化。辅助元素 Cr，Mo，W，V 形成碳化物，提高回火稳定性，细化晶粒。,用途：用来制造各种弹簧和弹性元件。,四、弹簧钢,第三节 合金结构钢,常用的钢号：,汽车板簧,60Si2Mn,五、滚动轴承用钢,用途：用来制造滚动轴承，简称轴承钢。,性能要求：高强度，高硬度（HRC60）；高的接触疲劳抗力；高的耐磨损能力。,成分特点：高碳：C0.951.15%C，确保淬火后的硬度；主合金元素：Cr，提高淬透性，形成细小的合金渗碳体（Fe,Cr）3C，提高耐磨性和接触疲劳性能（弥散强化）；辅助元素：Mn、Mo、

13、V，形成碳化物，细化晶粒，弥散强化，以进一步提高耐磨性；,钢号：GCr6、GCr9、GCr9SiMn、GCr15、GCr15SiMn等。第一个字母G表示滚动轴承，碳含量通常在1.0左右，不用标注，元素符号Cr后的数字为其含量的千分数（针对常用滚动轴承钢）。,热处理：球化退火机械加工淬火、低温回火磨削精加工产品。淬火：一般在840860加热，用油淬火，回火：低温回火，180 x 2 h。对于精密轴承，为保证尺寸和形状稳定性，需进行冷处理。冷处理：淬火时在130180进行等温分级回火，在冷却到室温后继续冷冻到-60-80以下(用干冰或工业冷冻机)，取出后回升到室温再低温回火。,五、滚动轴承用钢,热

14、处理举例：,组织：回火 M 细小碳化物A（少）,五、滚动轴承用钢,常用的钢号：,六、其他合金结构钢（不讲）,微合金非调质钢：在碳素结构钢或低合金钢中加入微量合金元素（Mn，V）使之无须经调质处理便可达到性能要求的专用结构钢，称为非调质机械结构钢（组织可为B下），简称非调质钢。,易切削钢：在钢中加入某些合金元素，使其切削加工性能得到明显改善的结构钢，可简称微易切削钢。常用的合金元素有S、Ca等，切削摩擦力小，易断屑，但力学性能并不高，用于用于受力不大、批量生产、精密构件。,低淬透性钢：含Ti优质碳素结构钢，碳量中偏高，如55Ti、60Ti、70Ti等。用于感应加热达到表面高硬度，心部因不能淬透而

15、保持强韧状态。部分代替渗碳钢。,第四节 合金工具钢,一、刃具钢,工具：刃具、模具、量具，用于制备这些工具的合金钢统称为合金工具钢。,1、用途 车刀、铣刀、钻头等。,2、性能要求：高硬度、高耐磨性一般都在HRC60以上；高的红硬性，指刃部受热升温后，刃具钢仍能维持高硬度；一定的韧性和塑性，防止崩刃。,3、成分：,（1）（高碳）低合金钢 C0.9-1.10，高C量，保证硬度 主要合金元素 Cr，Mn，Si 提高淬透性（2）高速钢 特殊钢（高合金：20 wt%）C0.7-1.3，高C量，保证硬度 主要合金元素：Cr 提高淬透性；辅助合金元素：W，Mo，V（强碳化物形成元素）提高红硬性,4、牌号：,（

16、1）低合金钢：9SiCr，CrWMn（一位数字或无数字，C1%)）9SiCr 热硬性好，适合用于薄刃刀具和冷冲模具。CrWMn，工件变形小，适合用于大截面工件，如长丝锥，拉刀。（2）高速钢：W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2（特殊钢）W18Cr4V(C:0.7-0.8)的热硬性高，过热倾向小，适合于制作车刀；W6Mo5Cr4V2(C:0.95-1.95)的热塑性和韧性较好，适合于 制作麻花钻头。,丝锥,丝锥,拉刀,麻花钻,5、热处理：,（1）低合金钢：以9CrSi为例，600650预热、850870加热奥氏体化、油淬(200硝盐浴分级)、190低温回火。该钢的回火脆性温度区在250左右，回火

17、温度不许超过200，硬度可以达到HRC6063。,（2）高速钢：典型工艺过程为：锻造球化退火机械加工 淬火、多次高温回火喷砂磨刃成品。,预先热处理（锻造球化退火）：高速钢属于莱氏体钢，的铸锭中碳化物粗大，不均匀，必需经过良好的锻造。锻造后进行球化退火，工艺如右图。达到改善组织，消除应力，为最终热处理作好组织准备。,最终热处理(高温淬火多次高温回火)：淬火（1）850预热，发生奥氏体转变；（2）12001280高温加热，合金碳化物充分溶解，保证奥氏体的含碳量在0.7%以上。（3）600分级淬火，再空冷。,W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2,回火：在540560多次高温回火（至少3次）；目的：获

18、得二次硬化，提高硬度和耐磨性。原因：（1）回火过程中析出细小的碳化物，组织依然为回火马氏体，弥散强化。（2）在回火后的冷却中，残余奥氏体转变 马氏体，使硬度进一步提高，相变强化。,回火后的组织：回火马氏体(黑色基体)碳化物(白色)少量残余奥氏体。一般硬度可以保证在 HRC6264。,一、刃具钢,第四节 合金结构钢,3高速钢,二、模具钢,专门用来制造各种模具的钢材称为模具钢，分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。,1.冷作模具钢,用途：在接近室温状态对金属进行加工的模具，如冷冲模、冷镦、冷挤压、拉丝等。,性能要求：高硬度；高的耐磨性；足够的韧性和耐疲劳抗力。,1、冷作模具钢,常用的钢号：T10A，T

19、12A，9SiCr（适用于尺寸较小、轻载的模具）。Cr12、Cr12MoV 适用于尺寸较大、重载的和要求较精密的模具。,成分：高 C，C1.0-2.0，保证热处理后的硬度在 HRC60 以上；主要合金元素：Cr，Mo，W，V提高淬透性；形成难溶C化物，提高耐磨性。,热处理：加工工序：锻造球化退火加工淬火回火粗磨成品 热处理工艺：以Cr12MoV钢为例，热处理工艺有两种：其一：低淬低回（一次硬化法），10001050加热，油淬，180240回火，硬度5860HRC；其二：高淬高回（二次硬化法），11001120加热,油淬，510回火三次，硬度5860HRC。后者为了提高使用温度。,组织：回火马氏

20、体颗粒状碳化物残余奥氏体,1、冷作模具钢,1.冷作模具钢,2.热作模具钢,用途：热锻模，热挤压模等，工作温度为600左右。,性能要求：高的热硬度和高温耐磨性（硬度40-50HRC）；高的热稳定性；高应力疲劳抗力和热疲劳抗力。,成分特点：C0.4-0.6（中C），保证强韧性最佳配合，HRC3552之间；主合金元素：Cr，Mn，Ni提高淬透性；辅合金元素：Mo，W，V产生二次硬化。,常用的钢号：5CrMnMo、5CrNiMo、5Cr2NiMoVSi等。第1、2种用于普通模具，第3种用于要求较高的模具，后者性能更优。,热处理：锻造粗加工成形淬火高温回火精加工。工艺：以5CrMnMo为例，加热到820

21、850奥氏体化，出炉预冷至750780（防止开裂），油冷到210(马氏体点附近）取出，立即进行回火（以防开裂），回火温度为500540。组织：回火屈氏体或回火索氏体，硬度为HRC4144。,汽车曲轴,二、模具钢,第四节 合金结构钢,华中科技大学材料系开发研制的部分模具钢,三、量具钢,用途：制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、塞规、螺旋测微仪等等。,性能要求：必须保证尺寸的稳定性（组织需稳定）高硬度（62HRC）；高耐磨性；耐腐蚀,常用的钢号：简单量具可用T10A、T12A等。复杂、高精度量具采用低合金刃具钢 CrWMn。,热处理：锻造球化退火机械加工淬火冷处理低温回火粗磨低温人工时效精磨去应力回

22、火研磨。冷处理：降温至-70-80消除残余奥氏体的影响，硬度可达HRC66。回火：140160 x 3hr，减小淬火的应力，回火后硬度在HRC6265。人工时效：120 X 36hr，用来消除粗磨产生的应力。去应力回火 120 X 3hr。,成分特点：高C，C0.9-1.5（与高C低合金刃具钢类似），保证淬火硬度。主要合金元素 Cr，W，Mn提高淬透性（不希望残余奥氏体）,三、量具钢,工艺举例：,第五节 特殊钢,一、不锈钢,什么是特殊性能钢？具有特殊物理、化学性能的专用钢。如不锈钢、耐热钢、低温用钢、电工钢等。这些钢往往用在特殊工况条件下，故应具有某些特殊的性能。,1金属的腐蚀,腐蚀介质：大气

23、 化学介质,腐蚀：金属表面和周围介质发生化学或电化学反应引起的损坏现象叫做腐 蚀。腐蚀时有化学反应的叫做化学腐蚀.如:氧化。腐蚀时有电流产生的叫做电化学腐蚀。,1金属的腐蚀,化学腐蚀：化学腐蚀主要是氧化。电化学腐蚀：是由于金属在电解质溶液中形成原电池或微电池。当不同的材料，或同一材料不同相处于同一电解质中时，它们之间存在电势差。在电解质中两电极之间可以形成通路，有电流通过，电极电位较低的阳极上金属原子失去电子，变成离子溶入电解质中，即造成腐蚀。右图为珠光体在电解质中的电化学腐蚀过程。,阳极,阳极,阳极,2、预防电化学腐蚀的途径,产生电化学腐蚀必须具备三个条件：（1）要构成阳极和阴极（存在具有不

24、同电势的两个相）；（2）有电解质存在；（3）阳极和阴极形成通路。防腐就是阻止其中的某一个环节。,防电化学腐蚀措施：,尽量为单相组织，减少自己内部构成原电池的可能性；加入合金元素，使两相的电极电位相近，减少电势差；添加元素在表面形成致密的钝化膜；牺牲阳极。在钢的表面镀上一层比钢的电极电位更低的金属层，使金属镀层成为阳极被腐蚀，而钢得到保护。如：钢表面镀锌。,3、常用不锈钢,按成分分为：Cr不锈钢和 Ni-Cr不锈钢。按组织分为：马氏体不锈钢 鉄素体不锈钢 奥氏体不锈钢,不锈钢的成分特点,低碳含量，减少珠光体数量。高Cr含量，元素Cr主要作用是提高阳极的电极电位及钝化能力，特别是含量达到12处，阳

25、极电位突然增加，所以一般不锈钢中的Cr含量都大于12含有足够Cr或Ni，扩大奥氏体区使钢成为单相组织，避免形成双相组织。加入Ti、V，与碳优先形成化合物，避免在晶界上生成Cr的碳化物而出现贫铬，减轻了材料晶间腐蚀倾向。,2、常用不锈钢,Cr13系列，包括1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13，其中Cr的含量一般在13左右，充分利用Cr对电极电位提高的作用。第一位数字表示钢的含碳量从0.1%0.4%。1Cr13、2Cr13不锈钢主要用来制造耐腐蚀构件，如汽轮机叶片、水压机的阀、结构架等。3Cr13、4Cr13淬火后能保证一定的硬度，广泛用在医疗器械上。3Cr13的弹性好，可以旨在医疗用钳

26、子、镊子等。4Cr13的回火马氏体有相当的硬度，常用来制造手术剪子、手术刀等。,（1）马氏体型不锈钢,（2）铁素体型不锈钢：,主要有Cr17系列，常用牌号是1Cr17Mo。当Cr的含量大于17后，在加热过程中没有奥氏体化转变，始终保持单相的铁素体，故成为铁素体不锈钢。铁素体型可以用来制造化工设备中的容器、管道等。,（3）奥氏体型不锈钢：,常称为188型，常用牌号0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti。这类钢为单相奥氏体组织，故称为奥氏体不锈钢。,当Cr的含量大于18.5%后能产生自钝化，阻碍阳极反应；含Ni达到9主要是扩大相区，FeC相图中的 S 点降低

27、到室温以下。Ti的主要作用是为了抑制(Cr,Fe)23C6在晶界上的析出，消除晶间腐蚀。,奥氏体型不锈钢的热处理,固溶处理 将钢加热到10501100，让碳化物全部溶解，水淬得到过饱和（来不及析出）的固溶体，达到组织均匀，提高强度。稳定化处理 含Ti、Nb的188钢需要进行稳定化处理。目的是使溶入奥氏体中的碳充分以TiC（或NbC）形式析出，得到消除晶间腐蚀的目的。常规工艺：850880，保温6小时，空冷或炉冷。消除应力处理 为消除应力腐蚀，需进行消除应力退火。300350退火消除加工应力，850退火消除残余应力。,二、耐热钢,用途：多用来制造炉用零件，如燃气轮机燃烧室、锅炉吊钩、加热炉底版、

28、辊道以及炉管、连接螺栓等。,性能要求：热稳定钢在高温下具有较好的抗氧化性，而有一定强度的钢种，也称为抗氧化钢。,典型牌号：早期用3Cr18Ni25Si2，现在主要用3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N。后着抗氧化性稍差，但其他各方面的性能均优于前者。它们都属于奥氏体型钢，不仅有良好的抗氧化性，而且有抗硫腐蚀和抗渗碳能力。,1.热稳定钢,成分特点：,高铬，铬是一种钝化元素，含铬的钢能在表面形成一层致密的Cr2O3氧化膜，有效阻挡氧原子继续向内扩散，所以钢中铬含量常大于20，如达到22在1100以下是稳定的。加入Si，在高温下，可以形成SiO2薄膜，也能提高抗氧化性，但过量的

29、硅会恶化钢的热加工性能。加入Al，形成的Al2O3薄膜与铬相似，含5铝的奥氏体铁锰铝钢可在800以下长期使用，含铝6可使钢到980有好的抗氧化性。Ni，Ni是稳定奥氏体元素。,2.热强钢,用途：汽轮机和燃气轮机的涡轮盘、叶片、高压锅炉过热器管道、热处理炉的传输带、工作螺栓、弹簧等。,性能要求：,高的高温强度，在应用状态不应断裂和大的塑性变形；持久热强性，高抗蠕变能力。组织稳定，要求在长期使用时，不发生组织变化，否则可能出现软化，强度降低或脆化而导致破坏。,高温下有一定抗氧化能力和较高强度以及良好组织稳定性的钢中叫热强钢。与热稳定钢相比，都用在高温下，都要求抗氧化能力和高温强度，而热稳定钢重点强

30、调抗氧化能力，热强钢的重点则是强调高温强度。,2.热强钢,常用钢种：,珠光体型钢 如15CrMo、12Cr1MoV等。用于600以下，合金元素总量不超过35。马氏体钢 Cr13型，1Cr13可用到450475，2Cr13只能用到400450。1Cr11MoV可用到540，1Cr12WMoV可用到580，为提高耐磨性而增加热强钢的碳含量，4Cr9Si2可用到650，4Cr10Si2Mo可用到800。贝氏体钢 这类钢的正火态组织有部分贝氏体组成，这是大量合金元素加入造成TTT曲线右移，空冷时发生贝氏体转变，如12MoVWBSiRe、12Cr2MoWVTiB及12Cr3MoVSiTiB等，使用温度在580620。奥氏体钢 这类热强钢用在600700，且组织为奥氏体，如：1Cr18Ni9Ti；4Cr14Ni14W2Mo，用在航空、船舶、汽车的排气阀等。,二、耐热钢,第五节 特殊钢,