Особенности жаропрочных и жаростойких сталей и их применение. Жаропрочные марки стали

Жаропрочная сталь: марка, подробное описание

Жаропрочная сталь, марки и виды которой рассмотрим далее, предназначена для длительного использования с учетом воздействия высоких термических и электрических нагрузок. Способ изготовления данного материала предусматривает последующую его эксплуатацию в течение длительного периода без деформаций. Особенности этого вида стали: высокая прочность и ползучесть. Рассматриваемые металлы преимущественно используются для постройки конструкций ненагруженного типа, эксплуатируемых под воздействием газовой окислительной среды и температур в диапазоне от 500 до 2000 градусов по Цельсию.

Характерные особенности

Марки жаропрочных и жаростойких сталей отличаются длительной прочностью. Этот показатель подразумевает возможность противостояния материала отрицательным внешним факторам на протяжении длительного времени. Высокая ползучесть – это влияние на непрекращающуюся деформацию стали в условиях повышенной трудности в плане эксплуатации и обслуживания.

От указанных факторов зависит возможность использования материала в той или иной сфере. Ползучесть характеризует предельный процент деформации, который в рассматриваемом случае составляет от 5 процентов на 100 часов до 1 % на 100 тысяч часов. По ГОСТУ 5632-72 любая марка жаропрочной стали не должна включать в себя добавки сурьмы, свинца, олова, мышьяка и висмута. Это обусловлено тем, что указанные материалы имеют малую температуру плавления, а это негативно сказывается на характеристиках конечного продукта. Некоторые элементы при нагревании выделяют негативные для здоровья человека испарения, что также сказывается на их непригодности для включения в подобного рода стали. В результате оптимальным составом для изготовления материала является железная основа с примесью хрома, никеля и прочих металлов, устойчивых к высоким температурам и окислительным процессам различного рода.

Жаропрочная сталь: марки

Ниже приведены основные марки рассматриваемого материала:

• Марка P-193 содержит не более одного процента углерода, 0,6 % марганца и кремния, а также порядка 30 % никеля и хрома, 2 % титана.
• Тинидур: углерод – до 0,13 %, марганец и кремний – не выше 1 %, хром – 16 %, алюминий – до 0,2 %, никель – 30-31 %.
• Жаропрочная сталь марки А-286 включает в себя в процентном соотношении 0,05 % углерода, 1,35 % марганца, 25 % никеля, 0,55 % кремния, 1,25 % молибдена, 2 % титана.
• Тип DVL42: 0,1 % углерода, не более одного процента марганца, 33 % никеля, 23 % кобальта, до 1 % кремния, 5 % молибдена, 1,7 % титана.
• DVL52 имеет похожий состав с указанной выше маркой, только вместо титана в состав входит до 4,5 процента тантала.
• Хромадур: 0,11 % углерода, 0,6 % кремния, 1,18 % марганца, 0,65 % ванадия, 0,75 % молибдена.

Все указанные разновидности жаропрочной стали производятся по схожей технологии, отличается только состав. Оставшаяся часть приходится на железо. Оно является основой для любых типов рассматриваемого материала.

Производство

Марки жаропрочных сталей для печей, как и их аналоги, требуют соблюдения определенных условий при выплавке. В отличие от производства обычных сталей, в состав сплава должно интегрироваться минимальное включение углерода, что направлено на обеспечение требуемой степени прочности. В связи с этим кокс не подходит для топки печей. Вместо него используется кислород газообразного типа. Он дает возможность достигать быстрой температуры плавления металла за короткий срок.

Как правило, рассматриваемый материал производят преимущественно из вторичного сырья. Хром и сталь помещают одновременно в печь, а сжигаемый кислород разогревает металл до степени плавления. В процессе происходит окисление выделяемого углерода, который по технологии нужно убрать из состава сплава. Кремний в небольших количествах дает возможность защитить хром от окисления, также в начале плавления добавляется никель. Остальные присадки смешиваются с основным сырьем в конце процесса. Температура проведения процедуры составляет порядка 1800 градусов по Цельсию.

Обработка

Обработка любой марки нержавеющей жаропрочной стали осуществляется при помощи подготовленных твердых резцов. Они изготавливаются из металлов, вмещающих кобальтовые и вольфрамовые сплавы. Остальной технологический процесс практически идентичен обработке стандартных марок. Она проводится на штатных винторезных токарных станках с использованием стандартных смазочных и охлаждающих жидкостей. Техника безопасности также не отличается.

Сварочные работы по рассматриваемому материалу выполняются дуговым либо аргонным методом. До начала сваривания обе соединяемые детали должны пройти закаливание, заключающееся в нагревании элемента до 1000 градусов и последующем мгновенном охлаждении. Подобный способ дает возможность избежать появления трещин в процессе сварки. Важно при этом сохранить степень качества шва на уровне основного материала, иначе могут появиться серьезные неполадки во время эксплуатации.

Применение

Рассматриваемый материал используется в условиях, когда подразумевается постоянная тепловая нагрузка на деталь. Например, назначьте марку жаропрочной стали сильхром для клапанов либо похожих изделий, и убедитесь в ее эффективности. Также данный состав используется часто для специальных печей с высокой температурой нагрева. Особенности стали позволяют выдержать до нескольких десятков тысяч рабочих циклов, что существенно снижает себестоимость продукции.

Аустенитные марки применяются в производстве роторов, турбинных лопастей и клапанов двигателей. Они имеют отличную сопротивляемость высоким температурам и усиленную устойчивость к вибрационным и механическим воздействиям. Черная марка жаропрочной стали с повышенной сопротивляемостью коррозии используется преимущественно для производства конструкций, применение которых выполняется на открытом воздухе либо в условиях повышенной влажности. К особенностям этого вида можно отнести высокое включение в составе хрома, который дает возможность повысить эффективность противостояния окислению и прочим разрушительным процессам.

Литые жаропрочные стали: марки для звеньев цепи, трубопроводов и клапанов

Среди данной категории сталей мартенситного класса, наиболее известными являются следующие марки:

• Х-5. Из этой стали производят трубопроводы, ориентированные на работу при температуре не выше 650 градусов.
• 1Х8ВФ, Х5ВФ, Х5М – используются для выпуска труб и оборудования, рассчитанного на эксплуатацию при температуре 500-600 градусов. При этом период работы ограничен (от одной до ста тысяч часов).
• 4Х9С2, 3Х13Н7С2 – выдерживают термическую нагрузку до 950 градусов по Цельсию, служат для изготовления клапанов моторов транспортных средств.
• 1Х8ВФ – марка подходит для производства паровых турбин, выдерживает нагрузку в 500 градусов с ресурсом работы не менее 10 тысяч часов.

Структурные нюансы

Марки жаропрочной стали для котлов с мартенситной структурой в своей основе имеют перлит. Он меняет свое состояние, в зависимости от содержания хрома. Для получения изделий с внутренним показателем высокотвердого сорбита, материал сначала закаливают при температуре не менее 950 градусов, после чего подвергают отпуску. К таким маркам относятся: Х10С2М, Х6С, Х7СМ, Х9С2. Перлитные виды относятся к хромомолибденовым и хромокремнистым категориям.

Стальные сплавы, которые содержат в составе до 33 процентов хрома, относятся к жаростойким материалам с ферритной внутренней конфигурацией. Изделия из этого материала подвергаются отжигу, что позволяет сформировать мелкозернистую структуру. При нагреве таких сталей выше 850 градусов, зернистость становится выше, что приводит к увеличению хрупкости материала. Марки этой категории: Х17, 1Х12СЮ, Х25Т, Х28, 0Х17Т.

Тугоплавкие стали

Для эксплуатации изделий, выдерживающих до двух тысяч градусов, используются тугоплавкие металлы. Ниже приведены элементы, которые используются в таких составах, и их температура плавления в градусах по Цельсию:

• Ванадий – 1900.
• Тантал – 3000.
• Вольфрам – 3400.
• Ниобий – 2415.
• Молибден – 2600.
• Рений – 3180.
• Цирконий – 1855.
• Гафний – 2000.

Конфигурация этих металлов меняется при нагреве, поскольку высокая температура позволяет перевести их в хрупкое состояние. Волокнистая структура элементов достигается путем рекристаллизации тугоплавких сталей. Повышение жаропрочности материала выполняется посредством добавления специальных смесей. Подобным образом составы защищаются и от окисления.

В заключение

Другое название жаропрочной марки стали (нержавейки) – окалиноустойчивая. Подобные материалы наделяются таким качеством в процессе производства. В результате они способны функционировать длительный период в условиях высоких термических воздействий без деформаций, проявляя при этом противостояние газовой коррозии. Проще говоря, посредством сплавов различных элементов добиваются оптимальных качеств жаростойких материалов, в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации.

Жаропрочные стали, представленные на современном рынке большим разнообразием марок, как и жаростойкие сплавы различных категорий, признаются большинством специалистов лучшим материалом для изготовления деталей и частей конструкций и оборудования, эксплуатация которого проводится в постоянном контакте с высокими температурами, агрессивной средой либо другими сложными воздействиями.

Жаропрочные стали: состав, марки, виды, применение

Жаропрочные стали сегодня встречаются крайне часто, так как могут использоваться в условиях контакта с агрессивными средами. Типичные изделия, которые изготавливаются из жаропрочных современных сталей: камины и печи, а также котлы и дымоходы. Рассмотрим особенности подобного металла подробнее.

Жаропрочные стали

Основные характеристики

Жаропрочные стали и сплавы могут использоваться для изготовления изделий, которые могут эксплуатироваться при воздействии высоких температур. Обычные стали при воздействии агрессивной среды могут медленно деформироваться, так как воздействие повышенной температуры становится причиной повышения пластичности.

Для того чтобы определить характеристики жаропрочной стали проводятся специальные испытания, особенностями которых можно назвать нижеприведенные моменты:

1. Жаропрочные стали размещают в печи, после чего нагревают до определенной температуры.
2. На помещенный сплав оказывается растягивающая нагрузка.

Среди других особенностей отметим следующие моменты:

1. Высокую жаростойкость. Даже при длительном воздействии высокой температуры основные эксплуатационные качества сплава остаются неизменными.
2. Прочность к механическому воздействию. При этом металл может сохранять длительную прочность при температурах, которые в иных случаях становятся причиной перестроения кристаллической сетки и изменения основных качеств.
3. Химический состав сплава также остается неизменным несмотря на воздействие агрессивной среды. Некоторые жаропрочные стали способны выдерживать воздействие агрессивной среды, представленной газами, кислотами и другими веществами.
4. Низкий показатель прокаливаемости и свариваемости создает довольно много проблем при изготовлении деталей путем сварки.
5. При добавлении хрома и некоторых других легирующих элементов материал становится коррозионностойким.

Жаропрочная сталь

По тому, сколько жаропрочная сталь может выдерживать воздействие рабочей среды выделяют две категории:

1. Стали жаропрочные длительного нагрева. Подобный материал может выдерживать длительное воздействие, но при этом температура зачастую не достигает критических значений. Примером можно назвать трубы, которые применяются для транспортировки различной среды
2. Стали жаропрочные кратковременного нагрева применяются в случае стремительного скачка температуры, значение которой может составлять несколько тысяч градусов Цельсия.

Жаростойкая сталь не подвержены деформации и разрушению по причине необычного химического состава. Именно поэтому основная классификация проводится по концентрации определенных легированных элементов.

Виды жаропрочных сталей

Жаропрочная нержавеющая сталь классифицируется по состоянию внутренней структуры:

1. Перлитные.
2. Мартенситные.
3. Аустенитные.
4. Мартенситно-ферритные.

Кроме этого все жаропрочные стали марки разделяются на следующие категории:

1. Ферритные.
2. Аустеннитно-ферритные.

Рассматривая мартенситные жаропрочные стали можно выделить следующе сплавы:

1. Х5 применяется для производства трубы, которая будет эксплуатироваться для подачи среды, температура которой не будет превышать 650 градусов Цельсия.
2. Х5М или Х6СМ могут использоваться для производстве деталей, эксплуатация которых проводится при температуре от 500 до 600 градусов Цельсия. Стоит учитывать, что подобные марки жаропрочных сталей доступны для недлительной эксплуатации.
3. 4Х9С2 и 3Х13Н7С2 предназначены для эксплуатации при температуре до 950 градусов Цельсия. Стоит учитывать, что этот металл предназначен для производства клапанов двигателей внутреннего сгорания транспортных средств.
4. 1Х8ВФп представляет собой также жаропрочную сталь, которая может удачно эксплуатироваться при температуре не выше 500 градусов Цельсия на протяжении десятков тысяч часов. Подходит этот спав для производстве элементов, используемых при изготовлении паровой турбины.

Очень часто в состав добавляется хром, за счет чего получается мартенситный сплав. Наиболее распространенными вариантами подобных металлов можно назвать Х6С и Х9С2, Х7СМ и Х10С2М. Среди особенностей их производства можно отметить нижеприведенные моменты:

1. После процесса легирования проводится закалка при температуре около 1000 градусов Цельсия.
2. Придать жаропрочность можно путем последующего отпуска металла при температуре 8100 градусов Цельсия. за счет этого создается твердая структура сорбита, которая может выдерживать длительный нагрев.

Для получения подобных составов требуется специальное оборудование, при помощи которого и проводится отпуск при сильном нагреве структуры.

Особенностями ферритных сплавов можно назвать нижеприведенные моменты:

1. Прочность и жаропрочность достигаются за счет создания мелкозернистой структуры. Получается она после закалки, обжига и отпуска при определенных режимах.
2. Как правило, в рассматриваемом составе есть от 20-30 процентов хрома. Основные эксплуатационные качества позволяют использовать металл при изготовлении теплообменников.

Примерами ферритных сплавов можно назвать марки Х28 и Х17, Х18СЮ и другие. Нагрев проводится до температуры 180 градусов Цельсия, при более высоких показателях поверхность станет более хрупкой по причине мелкозернистой структуры.

Мартенситно-ферритный состав применяется при производстве машиностроительных деталей. Особенности структуры позволяют проводить ее нагрев до температуры 600 градусов Цельсия без изменения основных эксплуатационных качеств.

Наибольшей востребованностью пользуются жаростойкие сплавы двух основных групп:

1. Дисперсионно-твердеющие. Подобные составы больше всего подходят для изготовления деталей турбин или клапанов двигателя. Они подвержены длительному нагреву и частому охлаждению. Стоит учитывать, что падение и повышение температуры в большинстве случаев становится причиной перестроения структуры сплава, но дисперсионно-твердеющие могут выдерживать подобное воздействие на протяжении всего срока эксплуатации.
2. Гомогенные. Применяются они для производства труб или арматуры, которые будут подвергаться большой нагрузке. Стоит учитывать, что трубы во время эксплуатации подвергаются не только воздействию со стороны рабочей среды, но и давлению, а также ударной нагрузке.

Есть жаропрочные стали, которые могут выдерживать воздействие огромных температур. Примером назовем следующие сплавы:

1. Тантал является одним из самых жаропрочных сплавов, так как может выдерживать воздействие температуры 3000°С.
2. Вольфрам не реагирует на воздействие окружающей температуры 3410°С.
3. Ванадий применяется при воздействии окружающей среды 1900°С.
4. Ниобий не реагирует на воздействие температуры 2415°С.
5. Рений самый жаропрочный сплав, который не реагирует на воздействие среды 3180°С.
6. Цирконий можно эксплуатировать при 1855°С.
7. Гафний применяется в том случае, если на деталь будет оказываться воздействием температуры 2000°С.
8. Молибден может эксплуатироваться при 2600°С.

Столь высокая жаропрочность достигается путем добавления различных легирующих элементов. Окисление легирующих элементов приводит к защите структуры от воздействия окружающей среды.

Жаропрочные сплавы также классифицируются следующим образом:

1. 30% рения с добавкой небольшого количества вольфрама.
2. 10% вольфрама с добавлением незначительного количества тантала.
3. 10% ниобия и 60% ванадия.
4. 48% железа и 1% циркония, а также 5% молибдена и 15% ниобия.

Вышеприведенная информация определяет то, что высоко жаропрочная сталь может классифицироваться по следующим показателям:

1. Температура окружающей среды, при которой сплав не изменяет свои эксплуатационные качества.
2. Длительность нагрева.
3. Устойчивость к воздействию химической среды или повышенной влажности.

Сегодня из жаропрочной нержавеющей стали изготавливаются самые различные детали, которые могут эксплуатироваться в опасной среде. Подобная жаропрочная сталь может выдерживать не только длительный нагрев, но и не реагирует на воздействие окружающей среды.

Применение жаропрочных сталей

Область применения рассматриваемого типа сплавов весьма большая. Жаропрочные стали и сплавы предназначены для применения при условии воздействия высокой температуры или агрессивной окружающей среды. Жаропрочные стали применяют для изготовления:

1. Корпусных деталей, которые будут подвержены нагреву.
2. Деталей конструкции двигателей внутреннего сгорания.
3. Деталей и элементов, которые могут контактировать с различной агрессивной средой: жидкость, химикаты и так далее.

Изготовление деталей работающих при температурах более 400 градусов Цельсия не должно проводится с использованием обычного металла, так как из-за нагрева они потеряют свою прочность и жесткость.

Нагрев становится причиной изменения кристаллической решетки, за счет чего из состав выделяется углерод. Обезуглероживание становится причиной потери прочности и твердости поверхности. При изготовлении деталей паровых двигателей или современных двигателей внутреннего сгорания применение обычной стали приведет к ее расширению, за счет чего линейные размеры изменяться. Критическое изменение линейных размеров становится причиной, по которой конструкция перестает правильно работать.

Усложнение процесса производства рассматриваемого сплава становится причиной существенного повышения его стоимости. Однако в большинстве случаев снизить стоимость конструкций нельзя по причине того, что обычные стали будут быстро изнашиваться.

Деталь из жаропрочной стали

Примером применения жаропрочных сталей можно назвать нижеприведенную информацию:

1. Турбины работают в сложных эксплуатационных условиях. Для ее изготовления часто используется легированный сплав на основе хрома ХН35ВТР. Подобный материал может выдерживать постоянную нагрузку и вибрацию, а также воздействие жара без изменения своих линейных размеров.
2. При изготовлении газовых конструкций могут применять ХН35ВМТЮ. Сгорание газа приводит к нагреву рабочей среды до довольно высокой температуры.
3. Компрессоры, которые работают с нагреваемой средой, имеют в качестве подвижного элемента конструкции диски и лопатки. Для повышения КПД подобной конструкции при их изготовлении используется листовой металл небольшой толщины, что существенно снижает устойчивость к воздействию рабочей среды. Именно поэтому при их изготовлении применяется легированный сплав ХН35ВТЮ.
4. Роторы турбин также могут быть подвержены воздействию жара. При их изготовлении чаще всего применяют ХН35ВТ.

Важной особенностью рассматриваемых сплавов можно назвать сложность проведения сварочных работ. Жаропрочным сталям характерен процесс разрушения холодного шва. Для решения подобной проблемы применяется современная технология сваривания, которая имеет следующие особенности:

1. Для устранения рассматриваемого недостатка проводится общий или локальный нагрев поверхности, что повышает ее пластичность. Данная процедура также проводится для минимизации разницы между температурой на периферии и в точке сварки, что позволяет существенно снизить показатель напряжения.
2. После выполнения сварочных работ зачастую проводится отпуск готового изделия на протяжении нескольких часов и при температуре до 2000°С.

За счет отпуска проводится удаление основной части растворенного в структуре водорода, а остаточный аустенит преобразуется в мартенсит.

Сегодня насчитывается несколько десятков разновидностей жаропрочных сталей, все они обладают своими определенными особенностями. Кроме этого отметим, что довольно часто они обладают также коррозионной стойкостью, так как в состав добавляется большое количество хрома. Коррозионная стойкость ко всему прочему существенно повышает срок эксплуатации изделия. Однако сложности, возникающие при легировании и последующем термической обработке существенно повышают стоимость изделий. Кроме этого, жаропрочные сплавы могут иметь самое различное количество легирующих элементов, которые могут придавать материалу и другие особые эксплуатационные качества, к примеру, повышение электропроводности.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

stankiexpert.ru

Характеристика жаропрочного металла; что собой представляет жаростойкая сталь

Окалино- или жаростойкость – это способность металлов или сплавов длительное время противостоять газовой коррозии в условиях повышенных температур. Жаропрочность же представляет собой способность металлов не разрушаться и не поддаваться пластической деформации при высокотемпературном режиме работы. Сталь жаропрочная представлена на рынке большим разнообразием марок, равно как и жаропрочные сплавы. Большинство специалистов признают ее лучшим материалом для изготовления деталей конструкций и оборудования, эксплуатируемых в агрессивных средах и в иных сложных условиях.

Жаропрочный металл и жаростойкость

Ненагруженные конструкции, эксплуатируемые при температуре порядка 550°С в окислительной газовой атмосфере, изготавливаются обычно из жаростойкой стали. К данным изделиям часто относятся детали нагревательных печей. Сплавы на базе железа при температуре больше 550°С склонны активно окисляться, из-за чего на их поверхности образуется оксид железа. Соединение с элементарной кристаллической решеткой и нехватка атомов кислорода приводит к появлению окалины хрупкого типа.

Для улучшения жаростойкости стали в химический состав вводятся:

• хром;
• кремний;
• алюминий.

Данные элементы, соединяясь с кислородом, способствуют формированию в металле надежных, плотных кристаллических структур, благодаря чему и улучшается способность металла спокойно переносить повышенную температуру.

Тип и количество легирующих элементов, вводимых в состав сплава на базе железа, зависит от температуры, в которой эксплуатируется изделие из него. Лучшая жаростойкость у сталей, легирование которых выполнялось на основе хрома. Наиболее известные марки этих сильхромов:

• 15Х25Т;
• 08Х17Т;
• 36Х18Н25С2;
• Х15Х6СЮ.

С повышением количества хрома в составе жаростойкость увеличивается. С хромом могут создаваться марки металлов, изделия из которых не утратят первоначальных характеристик и при долгом воздействии температуры больше 1000°С.

Особенности жаропрочных материалов

Жаропрочные сплав и стали успешно эксплуатируются при постоянном воздействии больших температур, причем склонность к ползучести не проявляется. Суть данного процесса, которому подвержены стали обыкновенных марок и прочие металлы, в том, что материал, испытывающий воздействие постоянной температуры и нагрузку, медленно деформируется, или ползет.

Ползучесть, которой стараются избежать при создании жаропрочных сталей и металлов другого типа, бывает:

• длительной;
• кратковременной.

Для определения параметров кратковременной ползучести материалы подвергаются испытаниям: помещаются в печь, нагретую до нужной температуры, а к ним на определенное время прикладывается растягивающая нагрузка. За короткое время проверить материал на склонность к длительной ползучести и выяснить, каков ее предел, не удастся. С этой целью испытуемое изделие в печи подвергается длительной нагрузке.

Важность предела ползучести в том, что он характеризует наибольшее напряжение, ведущее к разрушению разогретого образца после воздействия определенное время.

Марки жаростойких и жаропрочных сталей

По внутренней структуре категории следующие:

• мартенситные;
• аустенитные;
• мартенситно-ферритные;
• перлитные.

Жаростойкие стали могут представлять еще два типа:

• ферритные;
• мартенситные, или аустенитно-ферритные.

Среди сталей с мартенситной структурой наиболее известны:

• Х5 (из нее делают трубы, которые будут эксплуатироваться при температуре не больше 650°С).
• Х5М, Х5ВФ, 1 Х8ВФ, Х6СМ, 1 Х12Н2ВМФ (служат для изготовления изделий, которые эксплуатируются при 500-600°С определенное время (1000-10000 ч.).
• 3Х13Н7С2 и 4Х9С2 (изделия из них успешно эксплуатируются при 850-950°С, поэтому из них делают клапаны моторов транспортных средств).
• 1Х8ВФ (изделия из этой стали успешно эксплуатируются при температурах не больше 500°С 10000 ч. и дольше; в частности, из материала делают конструктивные элементы паровых турбин).

Основа мартенситной структуры – это перлит, меняющий состояние, если в составе материала увеличивается содержание хрома. Перлитные марки жаростойких и жаропрочных сталей, которые относятся к хромокремнистым и хромомолибденовым:

• Х6С;
• Х7СМ;
• Х6СМ;
• Х9С2;
• Х10С2М;
• Х 13Н7С2.

Для получения из этих сталей материала со структурой сорбита, отличающегося высокой твердостью (не меньше 25 по HRC), сначала их закаливают при 950-1100°C, а потом подвергают отпуску.

Стальные сплавы с ферритной структурой, из категории жаростойких, содержат 25-33% хрома, определяющего их характеристики. Для придания этим сталям мелкозернистой структуры изделия из них отжигают. В данную категорию сталей входят:

• 1 Х12СЮ;
• Х17;
• Х18СЮ;
• 0Х17Т;
• Х25Т;
• Х 28.

При нагревании их до 850°C и больше зерно внутренней структуры укрупняется, из-за чего повышается хрупкость.

Из жаропрочной нержавейки изготавливаются:

• тонколистовой прокат;
• бесшовные трубы;
• агрегаты химической и пищевой промышленности.

Стали, в основе которых феррит и мартенсит, активно используются в производстве изделий различного назначения в машиностроении. Изделия из таких жаропрочных сплавов даже довольно длительное время успешно эксплуатируются при температуре до 600°C .

Самые распространенные марки данных жаропрочных сталей:

• Х6СЮ;
• 1Х13;
• 1 Х11МФ;
• 1Х12ВНМФ;
• 1 Х12В2МФ;
• 2 Х12ВМБФР.

Хрома в химическом составе этих сплавов – 10-14%. Легирующие добавки, улучшающие состав, здесь – ванадий, вольфрам и молибден.

Аустенитно-ферритные и аустенитные стальные сплавы

Самые значимые особенности аустенитных сталей в том, что внутренняя их структура формируется благодаря никелю в их составе, а жаростойкость связана с хромом.

В сплавах данной категории, отличающихся малым содержанием углерода, иногда присутствуют легирующие элементы титан и ниобий. Стали, основу внутренней структуры которых составляет аустенит, входят в категорию нержавеющих и при длительном воздействии больших температур (до 1000°C) хорошо противостоят формированию окалины.

Наиболее распространенные сегодня стали с аустенитной структурой – это дисперсионно-твердеющие сплавы. С целью улучшения качественных характеристик добавляются карбидные или интерметаллические упрочнители.

Наиболее популярные марки, основа внутренней структуры которых – аустенит:

• Дисперсионно-твердеющие Х12Н20Т3Р, 4Х12Н8Г8МФБ, 4Х14Н14В2М, 0Х14Н28В3Т3ЮР.
• Гомогенные 1Х14Н16Б, 1Х14Н18В2Б, Х18Н12Т, Х18Н10Т, Х23Н18, Х25Н16Г7АР, Х25Н20С2.

Стальные сплавы на основе смеси аустенита и феррита отличает очень высокая жаропрочность, которая по показателям превышает аналогичный параметр даже у высокохромистых материалов. Характеристики жаропрочности достигаются и за счет высокой стабильности внутренней структуры сталей этой категории. Изделия из них успешно эксплуатируются даже при температурах до 1150°С.

Жаропрочные стали с аустенитно-мартенситной структурой характеризуются повышенной хрупкостью, поэтому не могут использоваться в производстве изделий, которые эксплуатируются под высокой нагрузкой.

Из жаропрочных сталей этой категории делаются изделия такого назначения:

• Жаропрочные трубы, конвейеры для печей, емкости для цементации (Х20Н14С2 и 0Х20Н14С2).
• Пирометрические трубки (Х23Н13).

Тугоплавкие материалы

Стальные сплавы на базе тугоплавких металлов используются для производства изделий, которые эксплуатируются при 1000–2000°C .

Тугоплавкие металлы, которые входят в химический состав таких сталей, характеризуются температурами плавления:

Благодаря тому, что тугоплавкие стали этой категории имеют высокую температуру перехода в хрупкое состояние, при серьезном нагреве происходит их деформация. Для повышения жаропрочности таких сталей в их состав вводят специальные добавки, а для повышения жаростойкости легируют титаном, молибденом, танталом и др.

Самые распространенные соотношения химических элементов в тугоплавких сплавах:

• основа – вольфрам и 30% рений;
• 60% ванадий и 40% ниобий;
• основа – 48% железо, 15% ниобий, 5% молибден, 1% цирконий;
• 10% вольфрама и тантала.

Сплавы на основе никеля и никель с железом

Сплавы на базе никеля (55% Ni) или выполненные на основе смеси его с железом (65%) - жаропрочные с высокими качествами жаростойкости. Базовый легирующий элемент для любых сталей этой категории – хром, которого содержится 14-23%.

Высокая стойкость и прочность сохраняется при повышенных температурах. Этими качествами обладают стальные сплавы на основе никеля.

Наиболее популярные:

• ХН60В;
• ХН67ВМТЮ;
• ХН70МВТЮБ;
• ХН70;
• ХН77ТЮ;
• ХН78Т;
• ХН78МТЮ;
• ХН78Т.

Некоторые марки – это жаропрочные стаи, остальные – жаростойкие. При нагревании на поверхности изделий из данных сплавов появляется оксидная пленка на базе алюминия и хрома. В твердых растворах структуры этих металлов формируются соединения никеля и алюминия или никеля и титана, что обеспечивает устойчивость материалов к высоким температурам. Более подробные характеристики приводятся в специальных справочниках.

Из сталей никелевой группы изготавливают:

• Элементы газовых конструкций и коммуникаций (ХН5ВМТЮ).
• Конструктивные элементы турбинных устройств (ХН5ВТР).
• Конструктивные элементы компрессоров – лопатки, диски (ХН35ВТЮ).
• Роторы для оснащения турбин (ХН35ВТ и ХН35ВМТ).

Итак, жаропрочные марки способны долгое время функционировать в условиях высоких температур без деформаций и противостоят газовой коррозии. Посредством сплавов разных элементов добиваются оптимальных свойств материалов в зависимости от условий эксплуатации.

tokar.guru

виды, выбор, цены на материалы

Жаропрочная сталь для печи, – в каких случаях ее применение необходимо, а в каких можно обойтись простой конструкционной сталью. При выборе материала для каменки или металлической печи обогрева дома важно подобрать оптимальный вариант, который позволит работать обогревателю долгое время без лишних затрат на покупку материалов.

Возможность сплавов долгое время оставаться устойчивой к воздействию газовой коррозии во время воздействия высоких температур – это характеристика жаростойкости.

Обеспечить работу конструкций в агрессивной среде при разогреве от 5000, и что важно без сильных нагрузок на них – в этом случае используются стали с повышенным содержанием хрома и других легирующих добавок.

Это нихром, сильхром, сталь с маркировкой 36Х18Н25С2 или 15Х6СЮ.

Жаропрочные материалы способны выдерживать повышенные перегрузки воздействия температур при нагревании, трении без значительных деформаций конструкций и материала.

Понятие жаропрочности

Оценивают уровень этих материалов по 2 критериям:

• способность выдерживать короткие по времени нагрузки при разогреве. Испытания проводятся на специальном стенде. Здесь образцы металлов испытываются на разрыв при определенной температуре разогрева;
• сплавы, выдерживающие разогрев и долговременные нагрузки за определенный временной промежуток, с сохранением прочности.

Особенности жаропрочных материалов

Эти материалы способны выдерживать коротковременную или длительную нагрузку во время нагрева деталей печи и других устройств. Определив предел долговременной ползучести металлов можно рассчитать и подготовить обоснованный проект объекта и его отдельных деталей.

В зависимости от видов ползучести материалов подбирается металл для кратковременного противостоянию деформации в агрессивной среде. Для печей, турбин подбираются сплавы, способные выдерживать высокую температуру без разрушения и деформации долгое время.

Среди отличительных особенностей выделим основные:

• величина зернистости структуры материала. Эта величина напрямую влияет на ползучесть жаропрочного сплава. Если зерна крупные, в этом случае зазор между этими частями меньше, поэтому уменьшается, зазоры между ними и ослабевает уровень скольжения и диффузионных перемещений. Лучший вариант – монокристалл, у которого всего одно зерно, но использовать такие материалы накладно;
• на уровень жаропрочности стали влияет температура расплавления материала. При росте этой характеристики, увеличивается уровень прочности связей атомов и уменьшается величина ползучести стали или сплавов. Но важно обеспечить больший уровень нагрева, после которого материал начинает расплавляться.

Марки стали

Жаростойкой сталью для печей, деталей и конструкций могут быть:

• аусенитного;
• мартенситного типа;
• перлитного;
• мартенситно – ферритного.

Для выпуска печей принято использовать ферритный, аусенитно – ферритный и мартенситный типа жаропрочного материала.

Наиболее востребованные для производства печей – это материалы с высоким содержанием хрома, беррилия, ванадия и других легирующих присадок. Они не теряют свои свойства при разогреве 12000 в течение до 10000 часов постоянной эксплуатации в агрессивной среде.

Аустенитные и аустенитно-ферритные стальные сплавы

Жаропрочный металл для печи – это увеличенное включение легирующих добавок (марганца, хрома). Детали из такого вида сталей способны сохранять целостность конструкции при рабочей температуре среды до 7000. Уровень жаропрочности у этого типа превышает это значение у всех видов сталей. Эти материалы используют для сварных соединений из-за своей пластичности.

Группу подразделяют на 3 подгруппы по методу придания материалам прочности:

1. В твердом растворе содержится пониженное число добавок.
2. В подгруппе в сплаве содержится повышенный процент карбидов. Это включение первичных TiC, VC, ZrC, NbC, а также вторичных карбидов.
3. Это стали, где стойкость повышаются с помощью интерметаллидного упрочения. Они наиболее жаропрочные среди всех групп аусентитных сталей. Такая особенность достигается добавлением в состав титана, алюминия, вольфрама, молибдена и брома.

Для повышения уровня сопротивления деформациям первые два типа сталей закаливают при температуре разогрева от 10500 в жидкости, воздушным способом. После постепенного охлаждения закаленные стали получается однородная высоколегированная структура.

Отличительной особенностью жаропрочной стали является пониженное содержание углерода.

Тугоплавкая сталь

Для повышения уровня жаропрочности в химическом составе сплавов или материалов добавлены специальные легирующие присадки, и выдерживается соотношение этих добавок:

• в основу из вольфрама добавляется рений — 30%;
• ванадия – 60%, добавляется ниобий – 40%;
• железа — 48% + ниобия — 5% + молибдена — 5% + циркония — 1%;

Сплавы на основе никеля и смеси никеля с железом

К этой группе относят:

• из никеля при его содержании 55%;
• в сплаве содержится 65% железа.

Для внесения легирующих веществ в основном применяется хром, его содержание 14-23%. Соединения обеспечивающие высокие эксплуатационные качества при нагреве–  сплавы, в которых основу составляет никель.

Конструкция, разогреваясь, покрывается защитой в виде пленки, которая препятствует их разрушению и деформации. Эти сплавы используются в производстве прокладки газопроводов, компрессорных установках и турбинах.

Какую сталь лучше выбрать?

Для разных вариантов использования и установки печи при производстве потребуется применять разные виды стали, в том числе и жаропрочной. Разберем основные места возможной установки печи и оптимальный выбор стали для ее производства.

Для банной печи

В этом варианте каменка будет разогреваться максимум до 5000, поэтому возможна деформация конструкции при не соблюдении технологии производства работ и выборе материала. Но отдельные части нагреваются по-разному, поэтому марка стали для банной печи для разных ее частей может изменяться:

• для производства топочного отделения потребуется подготовить заготовки из стали, марок AISI 430 или 08Х17Т. Но такую сталь трудно достать и затратно использовать при самостоятельном изготовлении печи. В этом случае можно использовать конструкционную сталь, но более высокой марки. Лучший вариант – Ст-10;
• на тепловой экран для предотвращения прямого прохождения тепла в дымоход можно использовать простую конструкционную сталь или 08ПС, 08Ю;
• для производства корпуса можно подготовить обычную Ст-3;
• для дверки топочного отделения важно приготовить хороший материал из жаропрочной стали или из чугуна. В специализированных магазинах или на барахолке, можно найти отличные б/у дверки, за небольшие деньги;

Важно! Подбирая материал для самостоятельного изготовления или покупая готовую каменку, обратите внимание на толщину заготовок. Если используется жаропрочный сплав – толщина стенок подойдет 4 мм. При использовании обычной конструкционной стали, детали должны выполняться из металла, толщиной 6-8 мм.

Для дома

На конструкцию оказывается длительные тепловые нагрузки, поэтому важно, чтобы детали были сделаны из хорошего материала. Можно использовать для домашней буржуйки сталь для банной печи, но лучше подготовить заготовки из сплавов, содержание хрома в которых от 12%.

Из такого листа производятся известные печи профессора Бутакова от компании «Теплодар» и компанией «Термофор». Они будут служить намного дольше, чем самодельные, сделанные из подручных материалов. Не следует забывать и толщине стенок таких печей. Сделанные из легированной стали с высоким уровнем сопротивления от деформаций при долгом нагреве печи могут выполняться из листовой стали, толщиной 4-5 мм.

Если печка устанавливается в небольшой дачный домик и планируется использовать ее только осенью или ранней весной во время редких визитах на участок, для этого можно сделать самодельную печку из трубы или газовых баллонов с системой конвекции. Такая конструкция дешевая и сможет обогревать дом долгое время.

Для гаража

Для гаража использовать дорогостоящую жаропрочную или жаростойкую сталь – это непозволительная роскошь. Такая печка используется короткое время и не очень часто. Поэтому сделав печку из колесных дисков или листового металла, толщиной 3-4 мм, вы легко решите вопрос обогрева гаражного помещения.

Вывод

Использование дорогостоящей жаропрочной стали должно быть оправдано. Не стоит использовать материалы, предназначенные для изготовления деталей промышленных конструкций в изготовлении небольшой банной печи.

Но если буржуйка используется для отопления загородного дома с большой площадью – в этом случае важно подобрать материал для печи с учетом жаропрочности и сопротивлению от воздействия агрессивной среды и высокой температуры.

pechnoy.guru

Жаростойкие и жаропрочные сплавы. Классификация, свойства, применение, химический состав, марки

www.metotech.ru

Лекция 20 Коррозионно-стойкие стали и сплавы. Жаростойкие стали и сплавы. Жаропрочные стали и сплавы

1. Коррозия электрохимическая и химическая.

2. Классификация коррозионно-стойких сталей и сплавов

3. Хромистые стали.

4. Жаростойкость, жаростойкие стали и сплавы.

5. Жаропрочность, жаропрочные стали и сплавы

6. Классификация жаропрочных сталей и сплавов

Коррозия электрохимическая и химическая.

Разрушение металла под воздействием окружающей среды называют коррозией.

Коррозия помимо уничтожения металла отрицательно влияет на эксплуатационные характеристики деталей, содействуя всем видам разрушения.

Коррозия в зависимости от характера окружающей среды может быть химической и электрохимической.

Электрохимическаякоррозия имеет место в водных растворах, а так же в обыкновенной атмосфере, где имеется влага.

Сущность этой коррозии в том, что ионы металла на поверхности детали, имея малую связь с глубинными ионами, легко отрываются от металла молекулами воды.

Металл, потеряв часть положительно заряженных частиц, ионов, заряжается отрицательно за счет избыточного количества оставшихся электронов. Одновременно слой воды, прилегающий к металлу, за счет ионов металла приобретает положительный заряд. Разность зарядов на границе металл – вода обуславливает скачок потенциала, который в процессе коррозии изменяется, увеличиваясь от растворения металла, и уменьшаясь от осаждения ионов из раствора на металле.

Если количество ионов переходящих в раствор и осаждающихся на металле одинаково, то скорости растворения и осаждения металла равны и процесс коррозии (разрушения металла) не происходит. Этому соответствует равновесный потенциал .

За нулевой потенциал принимают равновесный потенциал водородного иона в водном растворе при концентрации положительных ионов водорода, равной 1 моль ионов +на 1 литр.

Стандартные потенциалы других элементов измерены по отношению к водородному потенциалу.

Металлы, стандартный потенциал которых отрицательный – корродируют в воде, в которой растворен кислород тем активнее, чем отрицательней значение электрохимического потенциала.

Уходящие ионы металла, взаимодействуя с ионами , образуют гидроксиды, нерастворимые в воде, которые называютржавчиной,а процесс их образования –ржавлением.

Схема ржавления железа:

;

Гидроксид железа в присутствии кислорода, растворенного в воде, превращается в. Так как это нерастворимое соединение, то равновесный потенциал не может быть достигнут и коррозия будет продолжаться до полного разрушения.

В зависимости от структуры коррозия имеет разное проявление: при однородном металле – коррозия происходит равномерно по всей поверхности. При неоднородном металле – коррозия избирательная и называется точечной. Это явление наиболее опасно, так как приводит к быстрой порче всего изделия. Избирательная коррозия создает очаги концентрации напряжений, что содействует разрушению.

Химическая коррозияможет происходить за счет взаимодействия металла с газовой средой при отсутствии влаги. Продуктом коррозии являются оксиды металла. Образуется пленка на поверхности металла толщиной в 1…2 периода кристаллической решетки. Этот слой изолирует металл от кислорода и препятствует дальнейшему окислению, защищает от электрохимической коррозии в воде. При создании коррозионно-стойких сплавов – сплав должен иметь повышенное значение электрохимического потенциала и быть по возможности однофазным.

Классификация коррозионно-стойких сталей и сплавов

Коррозионная стойкость может быть повышена, если содержание углерода свести до минимума, если ввести легирующий элемент, образующий с железом твердые растворы в таком количестве, при котором скачкообразно повысится электродный потенциал сплава.

Важнейшими коррозионно-стойкими техническими сплавами являются нержавеющие стали с повышенным содержанием хрома: хромистые и хромоникелевые. На рис. 20.1 показано влияние количества хрома в железохромистых сплавах на электрохимический потенциал сплава.

Рис 20.1. Влияние хрома на потенциал сплавов

Хромистые стали.

Содержание хрома должно быть не менее 13% (13…18%).

Коррозионная стойкость объясняется образованием на поверхности защитной пленки оксида .

Углерод в нержавеющих сталях является нежелательным, так как он обедняет раствор хромом, связывая его в карбиды, и способствует получению двухфазного состояния. Чем ниже содержание углерода, тем выше коррозионная стойкость нержавеющих сталей.

Различают стали ферритного класса08Х13, 12Х17, 08Х25Т, 15Х28. Стали с повышенным содержанием хрома не имеют фазовых превращений в твердом состоянии и поэтому не могут быть подвергнуты закалке. Значительным недостатком ферритных хромистых сталей является повышенная хрупкость из-за крупнокристаллической структуры. Эти стали склонны к межкристаллитной коррозии (по границам зерен) из-за обеднения хромом границ зерен. Для избежания этого вводят небольшое количество титана. Межкристаллитная коррозия обусловлена тем, что часть хрома около границ зерна взаимодействует с углеродом и образует карбиды. Концентрация хрома в твердом растворе у границ становится меньше 13% и сталь приобретает отрицательный потенциал.

Из-за склонности к росту зерна ферритные стали требуют строгих режимов сварки и интенсивного охлаждения зоны сварного шва. Недостатком является и склонность к охрупчиванию при нагреве в интервале температур 450…500oС

Из ферритных сталей изготавливают оборудование азотно-кислотных заводов (емкости, трубы).

Для повышения механических свойств ферритных хромистых сталей в них добавляют 2…3 % никеля. Стали 10Х13Н3, 12Х17Н2 используются для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих в агрессивных средах.

После закалки от температуры 1000oC и отпуска при 700…750oС предел текучести сталей составляет 1000 МПа.

Термическую обработку для ферритных сталей проводят для получения структуры более однородного твердого раствора, что увеличивает коррозионную стойкость.

Стали мартенситного класса20Х13, 30Х13, 40Х13. После закалки и отпуска при 180…250oС стали 30Х13, 40Х13 имеют твердость 50…60 HRC и используются для изготовления режущего инструмента (хирургического), пружин для работы при температуре 400…450o, предметов домашнего обихода.

Стали аустенитного класса– высоколегированные хромоникелевые стали.

Никель – аустенитообразующий элемент, сильно понижающий критические точки превращения. После охлаждения на воздухе до комнатной температуры имеет структуру аустенита.

Нержавеющие стали аустенитного класса 04Х18Н10, 12Х18Н9Т имеют более высокую коррозионную стойкость, лучшие технологические свойства по сравнению с хромистыми нержавеющими сталями, лучше свариваются. Они сохраняют прочность до более высоких температур, менее склонны к росту зерна при нагреве и не теряют пластичности при низких температурах.

Хромоникелевые стали коррозионностойки в окислительных средах. Основным элементом является хром, никель только повышает коррозионную стойкость.

Для большей гомогенности хромоникелевые стали подвергают закалке с температуры 1050…1100oCв воде. При нагреве происходит растворение карбидов хрома в аустените. Выделение их из аустенита при закалке исключено, так как скорость охлаждения велика. Получают предел прочности= 500…600 МПа, и высокие характеристики пластичности, относительное удлинение= 35…45%.

Упрочняют аустенитные стали холодной пластической деформацией, что вызывает эффект наклепа. Предел текучести при этом может достигнуть значений 1000…1200 МПа, а предел прочности – 1200…1400 МПа.

Для уменьшения дефицитного никеля часть его заменяют марганцем (сталь 40Х14Г14Н3Т) или азотом (сталь 10Х20Н4АГ11).

Аустенитно-ферритные стали12Х21Н5Т, 08Х22Н6Т являются заменителями хромоникелевых сталей с целью экономии никеля.

Свойства сталей зависят от соотношения ферритной и аустенитной фаз (оптимальные свойства получают при соотношении – Ф:А=1:1 ). Термическая обработка сталей включает закалку от температуры 1100…1150oC и отпуск-старение при температуре 500…750oC.

Аустенитно-ферритные стали не подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением: трещины могут возникать только на аустенитных участках, но ферритные участки задерживают их развитие. При комнатных температурах аустенитно-ферритные стали имеют твердость и прочность выше, а пластичность и ударную вязкость ниже, чем стали аустенитного класса.

Кроме нержавеющих сталей в промышленности применяют коррозионно-стойкие сплавы – это сплавына никелевой основе.Сплавы типахастеллойсодержат до 80 % никеля, другим элементом является молибден в количестве до 15…30 %. Сплавы являются коррозионно-стойкими в особо агрессивных средах (кипящая фосфорная или соляная кислота), обладают высокими механическими свойствами. После термической обработки – закалки и старения при температуре 800oС – сплавы имеют предел прочностиМПа, и твердость. Недостатком является склонность к межкристаллической коррозии, поэтому содержание углерода в этих сплавах должно быть минимальным.

Жаростойкость, жаростойкие стали и сплавы.

Жаростойкость (окалиностойкость)– это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени.

Если изделие работает в окислительной газовой среде при температуре 500..550oC без больших нагрузок, то достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей).

Сплавы на основе железа при температурах выше 570oC интенсивно окисляются, так как образующаяся в этих условиях на поверхности металла оксид железа(вюстит) с простой решеткой, имеющей дефицит атомов кислорода (твердый раствор вычитания), не препятствует диффузии кислорода и металла. Происходит интенсивное образование хрупкой окалины.

Рис. 20.2. Влияние хрома на жаростойкость хромистой стали

Для повышения жаростойкости в состав стали вводят элементы, которые образуют с кислородом оксиды с плотным строением кристаллической решетки (хром, кремний, алюминий).

Степень легированости стали, для предотвращения окисления, зависит от температуры. Влияние хрома на жаростойкость хромистой стали показано на рис.20.2.

Чем выше содержание хрома, тем более окалиностойки стали (например, сталь 15Х25Т является окалиностойкой до температуры 1100…1150oC).

Высокой жаростойкостью обладают сильхромы, сплавы на основе никеля – нихромы, стали 08Х17Т, 36Х18Н25С2, 15Х6СЮ.

Жаропрочность, жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочность– это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах.

Жаропрочные материалы используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах, когда имеет место явление ползучести.

Критериями оценки жаропрочности являются кратковременная и длительная прочности, ползучесть.

Кратковременная прочностьопределяется с помощью испытаний на растяжение разрывных образцов. Образцы помещают в печь и испытывают при заданной температуре. Обозначают кратковременную прочность=, например300oС= 300МПа.

Прочность зависит от продолжительности испытаний.

Пределом длительной прочностиназывается максимальное напряжение, которое вызывает разрушение образца при заданной температуре за определенное время.

Например = 200 МПа, верхний индекс означает температуру испытаний, а нижний – заданную продолжительность испытания в часах. Для котельных установок требуется невысокое значение прочности, но в течение нескольких лет.

Ползучесть – свойство металла медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре.

При испытаниях образцы помещают в печь с заданной температурой и прикладывают постоянную нагрузку. Измеряют деформацию индикаторами.

При обычной температуре и напряжениях выше предела упругости ползучесть не наблюдается, а при температуре выше 0,6Тпл, когда протекают процессы разупрочнения, и при напряжениях выше предела упругостинаблюдается ползучесть.

В зависимости от температуры скорость деформации при постоянной нагрузке выражается кривой состоящей из трех участков (рис. 20.3):

Рис. 20.3. Кривая ползучести

1. ОА – упругая деформация образца в момент приложения нагрузки;

2. АВ – участок, соответствующий начальной скорости ползучести;

3. ВС – участок установившейся скорости ползучести, когда удлинение имеет постоянную скорость.

Если напряжения достаточно велики, то протекает третья стадия (участок СД), связанная с началом разрушения образца (образование шейки).

Для углеродистых сталей ползучесть наблюдается при нагреве выше 400oС.

Предел ползучести– напряжение, которое за определенное время при заданной температуре вызывает заданное суммарное удлинение или заданную скорость деформации.

НапримерМПа, где верхний индекс – температура испытания вoС, первый нижний индекс – заданное суммарное удлинение в процентах, второй – заданная продолжительность испытания в часах.

Классификация жаропрочных сталей и сплавов

В качестве современных жаропрочных материалов можно отметить перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, никелевые и кобальтоавые жаропрочные сплавы, тугоплавкие металлы.

При температурах до 300oC обычные конструкционные стали имеют высокую прочность, нет необходимости использовать высоколегированные стали.

Для работы в интервале температур 350…500oC применяют легированные стали перлитного, ферритного и мартенситного классов.

Перлитные жаропрочные стали. К этой группе относятся котельные стали и сильхромы. Эти стали применяются для изготовления деталей котельных агрегатов, паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания. Стали содержат относительно мало углерода. Легирование сталей хромом, молибденом и ванадием производится для повышения температуры рекристаллизации (марки 12Х1МФ, 20Х3МФ). Используются в закаленном и высокоотпущенном состоянии. Иногда закалку заменяют нормализацией. В результате этого образуются пластинчатые продукты превращения аустенита, которые обеспечивают более высокую жаропрочность. Предел ползучести этих сталей должен обеспечить остаточную деформацию в пределах 1 % за время 10000…100000 ч работы.

Перлитные стали обладают удовлетворительной свариваемостью, поэтому используются для сварных конструкций (например, трубы пароперегревателей).

Для деталей газовых турбин применяют сложнолегированные стали мартенситногокласса12Х2МФСР, 12Х2МФБ, 15Х12ВНМФ. Увеличение содержания хрома повышает жаростойкость сталей. Хром, вольфрам, молибден и ванадий повышают температуру рекристаллизации, образуются карбиды, повышающие прочность после термической обработки. Термическая обработка состоит из закалки от температур выше 1000oС в масле или на воздухе и высокого отпуска при температурах выше температуры эксплуатации.

Для изготовления жаропрочных деталей, не требующих сварки (клапаны двигателей внутреннего сгорания), применяются хромокремнистые стали – сильхромы:40Х10С2М, 40Х9С2, Х6С.

Жаропрочные свойства растут с увеличением степени легированности. Сильхромы подвергаются закалке от температуры около 1000oС и отпуску при температуре 720…780oС.

При рабочих температурах 500…700oC применяются сталиаустенитного класса. Из этих сталей изготавливают клапаны двигателей, лопатки газовых турбин,сопловые аппараты реактивных двигателей и т.д.

Основными жаропрочными аустенитными сталями являются хромоникелевые стали, дополнительно легированные вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Стали содержат 15…20 % хрома и 10…20 % никеля. Обладают жаропрочностью и жаростойкостью, пластичны, хорошо свариваются, но затруднена обработка резанием и давлением, охрупчиваются в интервале температур около 600oС, из-за выделения по границам различных фаз.

По структуре стали подразделяются на две группы:

1. Аустенитные стали с гомогенной структурой17Х18Н9, 09Х14Н19В2БР1,12Х18Н12Т. Содержание углерода в этих сталях минимальное. Для создания большей однородности аустенита стали подвергаются закалке с 1050…1100oС в воде, затем для стабилизации структуры – отпуску при 750oС.

2. Аустенитные стали с гетерогенной структурой 37Х12Н8Г8МФБ, 10Х11Н20Т3Р.

Термическая обработка сталей включает закалку с 1050…1100oС. После закалки старение при температуре выше эксплуатационной (600…750oС). В процессе выдержки при этих температурах в дисперсном виде выделяются карбиды, карбонитриды, вследствие чего прочность стали повышается.

Детали, работающие при температурах 700…900oC, изготавливают из сплавов на основе никеля и кобальта (например, турбины реактивных двигателей).

Никелевые сплавы преимущественно применяют в деформированном виде. Они содержат более 55 % никеля и минимальное количество углерода (0,06…0,12 %). По жаропрочным свойствам превосходят лучшие жаропрочные стали.

По структуре никелевые сплавы разделяют на гомогенные (нихромы) и гетерогенные (нимоники).

Нихромы.Основой этих сплавов является никель, а основным легирующим элементом – хром (ХН60Ю, ХН78Т).

Нихромы не обладают высокой жаропрочностью, но они очень жаростойки. Их применяют для малонагруженных деталей, работающих в окислительных средах, в том числе и для нагревательных элементов.

Нимоники являются четвертными сплавами никель – хром (около 20 %) – титан (около 2%) – алюминий (около 1 %) (ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТФКЮ). Используются только в термически обработанном состоянии. Термическая обработка состоит из закалки с 1050…1150oС на воздухе и отпуска – старения при 600…800oС.

Увеличение жаропрочности сложнолегированных никелевых сплавов достигается упрочнением твердого раствора введением кобальта, молибдена, вольфрама.

Основными материалами, которые могут работать при температурах выше 900oC (до 2500oС), являютсясплавы на основе тугоплавких металлов– вольфрама, молибдена, ниобия и других.

Температуры плавления основных тугоплавких металлов: вольфрам – 3400oС, тантал – 3000oС, молибден – 2640oС, ниобий – 2415oС, хром – 1900oС.

Высокая жаропрочность таких металлов обусловлена большими силами межатомных связей в кристаллической решетке и высокими температурами рекристаллизации.

Наиболее часто применяют сплавы на основе молибдена. В качестве легирующих добавок в сплавы вводят титан, цирконий, ниобий. С целью защиты от окисления проводят силицирование, на поверхности сплавов образуется слой MoSi2толщиной 0,03…0,04 мм. При температуре 1700oС силицированные детали могут работать 30 часов.

Вольфрам – наиболее тугоплавкий металл. Его используют в качестве легирующего элемента в сталях и сплавах различного назначения, в электротехнике и электронике (нити накала, нагреватели в вакуумных приборах).

В качестве легирующих элементов к вольфраму добавляют молибден, рений, тантал. Сплавы вольфрама с рением сохраняют пластичность до –196oС и имеют предел прочности 150 МПа при температуре 1800oС.

Для сплавов на основе вольфрама характерна низкая жаростойкость, пленки образующихся оксидов превышают объем металла более, чем в три раза, поэтому они растрескиваются и отслаиваются Изготавливают изделия, работающие в вакууме).

studfiles.net

Особенности жаропрочных и жаростойких сталей и их применение

Прежде чем говорить о свойствах жаропрочных сталей, дадим определения терминам «жаростойкость» и «жаропрочность».

Жаростойкость (окалиностойкость) – это устойчивость металлов и их сплавов к газовой коррозии в условиях повышенной температуры.

Жаропрочность – это устойчивость металлов и их сплавов к пластической деформации при механических нагрузках в условиях повышенной температуры.

Жаростойкие сплавы применяются при изготовлении ненагруженных конструкций, таких как элементы нагревательных печей, эксплуатируемых в условиях газовой окислительной среды при температуре порядка +550 ºC. При температуре свыше +550 ºC сплавы на основе железа активно окисляются, что приводит к формированию оксида железа на поверхности. Таким образом появляется окалина хрупкого типа.

Жаростойкость стали увеличивают введением в состав сплава легирующих добавок ― кремния, хрома, алюминия. Эти элементы, в отличие от железа, под воздействием кислорода образуют соединения с плотными кристаллическими решетками.

Сплавы на основе никеля (сильхромы) обладают максимальной жаростойкостью. К ним относят такие марки стали, как:

Подводя итог, можно заметить, что жаростойкость стали зависит от количества хрома в сплаве – чем его больше, тем выше жаростойкость. Что касается температурных пределов, то необходимо отметить, что некоторые марки стали работают без ухудшения своих начальных свойств даже при температурах около +1150 °С.

Жаропрочные стали используются при производстве изделий, при условиях «ползучести» и при повышенных температурах. Ползучестью называют склонность металлов или их сплавов к медленной пластической деформации при постоянных температурах и нагрузке. Она может быть двух видов:

• длительной;
• кратковременной.

Жаростойкие и жаропрочные марки сталей классифицируют следующим образом.

По состоянию структуры:

• мартенситно-ферритные;
• перлитные;
• аустенитные;
• мартенситные.

При этом жаростойкие сплавы дополнительно подразделяют на:

• аустенитно-ферритные или мартенситные;
• ферритные.

Таблица 1. Некоторые марки мартенситных сталей и их применение.

Мартенситные стали получают из перлитных путем добавления большего количества хрома, закалки при температурах 950–1100 ºC и последующем отпуске стали. К перлитным маркам стали относят такие жаростойкие и жаропрочные стали хромомолибденового и хромокремнистого состава, как:

• Х13Н7С2;
• Х7СМ;
• Х9С2;
• Х10С2М;
• Х6СМ;
• Х6С.

Жаростойкие ферритные стали проходят процедуру отжига и термообработки, после которых их структура становится мелкозернистой. В составе таких сталей содержится от 25 до 33 % хрома. Жаростойкие ферритные стали используются при изготовлении пиролизного оборудования и теплообменников.

К жаростойким ферритным сталям относят такие марки, как:

• Х28;
• Х18СЮ;
• Х17;
• Х25Т;
• 0Х17Т;
• 1Х12СЮ.

Мартенситно-ферритные стали в качестве легирующих добавок содержат молибден, вольфрам, ванадий. Содержание хрома в составе мартенситно-ферритных сталей, значительно меньше, чем в ферритных – от 10 до 14 %. Мартенситно-ферритные стали используются при производстве машиностроительных деталей, длительное время эксплуатируемых при температуре около 600 ºC. К мартенситно-ферритным сталям относятся такие марки, как:

• 1Х13;
• 1Х12В2МФ;
• 1Х12ВНМФ;
• Х6СЮ;
• 2Х12ВМБФР;
• 1Х11МФ.

Жаростойкие аустенитные стали наиболее востребованы в промышленности. Содержание углерода в таких сталях очень незначительно. Структура жаростойких аустенитных сталей обеспечивается наличием никеля в химическом составе, а жаростойкость – наличием хрома. Кроме того, в состав этих сталей в качестве легирующих добавок входят такие химические элементы, как ниобий, титан. Жаростойкие аустенитные стали устойчивы к появлению окалины при температурах до 1000 ºC и обладают антикоррозионными свойствами.

На настоящий момент в промышленности для изготовления клапанов двигателей транспортных средств и деталей турбин чаще всего используются аустенитные стали, относящиеся к категории дисперсионно-твердеющих сплавов:

• 0Х14Н28В3Т3ЮР;
• Х12Н20Т3Р;
• 4Х12Н8Г8МФБ;
• 4Х14Н14В2М.

Для изготовления труб и трубопроводной арматуры, эксплуатируемых в условиях больших нагрузок, элементов выхлопных систем, агрегатов сверхвысокого давления применяют гомогенные аустенитные сплавы:

Аустенитно-ферритные стали обладают уникальной стабильностью строения, в связи с чем их жаропрочность значительно больше, чем у обычных высокохромистых сплавов. При этом хрупкость у таких сплавов повышена. Аустенитно-ферритные стали используют при изготовлении ненагруженных деталей, эксплуатируемых при температуре около 1150 ºC. Например, марка Х23Н13 применяется при изготовлении пирометрических трубок, а марки Х20Н14С2 и 0Х20Н14С2 – при изготовлении печных конвейеров, труб, емкостей для цементации.

При необходимости изготовить детали, которые будут выдерживать температуры от 1000 до 2000 ºC, применяют тугоплавкие металлы и их сплавы (см. Таблицу 2).

Таблица 2. Температура плавления некоторых тугоплавких металлов.

Переход тугоплавких металлов в хрупкое состояние происходит при очень высоких значения температур, поэтому при нагреве такие металлы пластически деформируются. Когда температура достигает точки рекристаллизации, тугоплавкие металлы начинают формировать волокнистую структуру и наклеп. Свойство жаропрочности сплавов из таких металлов достигается внесением специальных добавок. Легирующие добавки в виде молибдена, тантала, титана и других элементов использую и для того, чтобы защитить сплавы от окисления при температурах свыше 1000 ºC.

Наиболее часто используемые тугоплавкие сплавы имеют такие химические составы в процентном соотношении:

• 30 % рения + вольфрам;
• 40 % ниобия + 60 % ванадия;
• 48 % железа + 1 % циркония + 5 % молибдена + 15 % ниобия;
• 10 % вольфрама + тантал.

Стали на основе никеля и стали системы «железо-никель» содержат 55 % никеля и 65 % комплекса «железо-никель», при этом в своем составе они содержат от 14 до 23 % хрома.

Стали на основе никеля имеют одни из самых высоких показателей стойкости и прочности при повышенных температурах, что обусловлено формированием на поверхности сплава оксидной алюминиевой и хромовой пленки, а также соединений алюминия и никеля, титана и никеля. Среди жаропрочных сталей это:

А среди жаростойких:

Стали на основе никеля и стали системы «железо-никель» широко используются в промышленности.

Таблица 3. Некоторые марки стали на основе никеля и системы «железо-никель» и их применение.

Жаропрочные и жаростойкие стали поставляются в виде различного проката: сортового (круг, квадрат, шестигранник, полоса, арматура), фасонного (балка, швеллер, уголок), листового, трубного. Эти и многие другие изделия черного, нержавеющего и цветного металлопроката, а также редкие металлы и металлургическое сырье Вы можете купить в нашей компании.

НПК «Специальная металлургия» объединяет десятки производителей металлопроката. У нас Вы всегда найдете широкий ассортимент и конкурентные цены. По вопросам приобретения обращайтесь по телефону +7 (800) 500-17-53 или отправляйте заявки по электронному адресу [email protected].

spec-metall.tiu.ru

• 
  Сталь подшипниковая
• 
  Проволока сталистая
• 
  Пассивация нержавеющей стали
• 
  Сталистая проволока