Что влияет на жаропрочность сталей и сплавов

Обновлено: 18.05.2024

Коррозионностойкие и жаростойкие сплавы и стали используются при производстве ответственных деталей машин, аппаратов, приборов и технологического оборудования практически для всех отраслей промышленности. Главное общее свойство, присущее этим материалам – стойкость к разным видам коррозии в агрессивных средах и стабильность параметров при высоких температурах. Различаются они физико-механическими характеристиками, а также химическим составом, точнее, типом и объемом дополнительных химических элементов (легирующих добавок), введенных в базовую основу – железо или никель, которые и придают конечному материалу определенные качества.

Фланцы из коррозионностойкой стали

Классификация

Жаростойкие и коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют по ГОСТ 5632-72 исходя из их ключевых физико-механических свойств.

Коррозионностойкие стали и сплавы отличаются способностью противостоять коррозионным процессам под воздействием широкого спектра естественных и искусственных коррозионных сред: атмосферной (в атмосфере воздуха, в условиях любого влажного газа), подводной, подземной (почвенной), щелочной, кислотной, солевой, под воздействием блуждающего тока и т.д. Окалиностойкие жаростойкие сплавы обладают долговременной стойкостью к химическому и электрохимическому разрушению (окислению) поверхности в агрессивных газообразных средах при температурах свыше 500-550°С, при работе без высоких нагрузок.

Легирование

Формирование специальных свойств коррозионно - и жаростойких сплавов и сталей производится способом легирования. Осуществляется легирование путем введения определенного количества хрома (Cr) и/или никеля (Ni) в расплав базового металла. У некоторых типов сталей и сплавов допускается наличие дополнительных легирующих, а также незначительного количества случайно попавших элементов, но никель и хром в их составе всегда имеет наибольшую массовую долю в соотношении к остальным примесям и добавкам.

Химический состав коррозионностойких сталей и сплавов

Бак из коррозионностойкой стали

Свойства коррозионностойких сталей и сплавов

Когда сплав обогащается хромом в объеме свыше 13%, то в сочетании с другими легирующими компонентами получается прочная нержавеющая сталь с повышенными коррозионно - и жаростойкими свойствами, а также с высокой устойчивостью к воздействию кислот и т.п. Например, коррозионностойкая сталь марки 08Х18Н10 может эксплуатироваться в средах средней агрессивности при температурах до 600°С. Жаростойкость сталей марки 36Х18Н25С2 и 15Х6СЮ достигает 800°С, марки 12Х17 – 900°С, а нержавеющая сталь марки 15Х25Т способна сохранять устойчивость к коррозии (окалиностойкость) при температуре в 1100°С (кратковременно).

Химический состав жаростойких сплавов

В отличие от коррозионностойких сталей, изготавливаемых на основе железа с легированием хромом и никелем, жаростойкие сплавы производятся на основе никеля. Именно большая массовая доля никеля (не менее 55%), температура плавления которого равна 1455°С, обеспечивает сплавам защиту от коррозии и физическую стабильность при работе в различных средах при очень высоких температурах. Чтобы увеличить и без того высокую жаропрочность сплава, никель легируется хромом (15-23%) и в незначительном объеме (1-5%) обогащается тугоплавкими металлами (кремний, молибден, титан, марганец, вольфрам, тантал, ниобий и др.) с температурой плавления выше 1700°С. Для экономии дорогостоящего никеля в состав некоторых марок сплава вводят железо (до 25%).

Свойства жаростойких сплавов

Одним из наиболее распространенных жаростойких сплавов на основе никеля является нихром, который по своим свойствам превосходит лучшие жаропрочные стали. В данном случае речь идет именно о жаростойкости (жаростойкость характеризует сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах) нихрома, которую не следует путать с жаропрочностью (жаропрочность - способность сталей и сплавов выдерживать механические нагрузки при высоких температурах в течение определенного времени). В отличие от коррозионностойкой нержавеющей стали, нихромы не имеют достаточной механической прочности, чтобы в течение продолжительного времени работать в нагруженном состоянии, из них нельзя штамповать или точить детали, зато они чрезвычайно жаростойки и пластичны, поэтому отлично подходят для производства большого спектра высокоэффективных нагревательных элементов.

К примеру, 60-процентная массовая доля никеля в составе нихрома марки ХН60Ю обеспечивает ему возможность длительной работы в агрессивной окислительной среде (в азоте, аммиаке и др.) при рабочей температуре до 1150°С, а температура плавления этого материала составляет 1390°С. В свою очередь рабочая температура нихрома марки Х20Н80 достигает 1250°С. Здесь следует заострить внимание на том, что никелевые жаростойкие сплавы чаще всего производят в виде полуфабрикатов - проволоки и ленты, поэтому рабочая температура детали из нихрома будет зависеть еще и от диаметра проволоки или сечения ленты.

Стоимость жаро- и коррозионностойких сталей и сплавов

Поскольку коррозионностойкие стали и жаростойкие сплавы в плане их применения имеют мало точек пересечения, т.к. каждый материал обладает своей специфической нишей, сравнивать стоимость материалов было бы не совсем корректно. И, тем не менее, для полноты и объективности данного обзора отметим, что килограмм обыкновенной коррозионностойкой стали аустенитного класса стоит в 20 раз дешевле килограмма жаростойкого сплава. Такое положение дел обусловлено дефицитом и высокой стоимостью никеля. Несмотря на это жаростойкие сплавы пользуются неизменным и стабильным спросом на рынке, оставаясь незаменимыми во многих сферах, тем более, что их ближайшие аналоги, например, кобальтовые сплавы, стоят еще дороже, причем настолько, что их используют только в исключительных случаях.

Области применения

Количество жаростойких изделий, для производства которых применяется коррозионностойкая нержавеющая сталь сложно перечислить в рамках одной статьи. В их числе элементы аппаратов и сосудов для кислот, щелочей и солевых растворов различной концентрации, арматура, теплообменники и трубы, предназначенные для работы в условиях слабоагрессивных сред, детали и корпуса пищевого и химического оборудования, печей, турбин, двигателей машин, самолетов. Разумеется, нержавеющая сталь незаменима при изготовлении посуды и медицинских биксов (стерилизационных емкостей).

Реактор для химической промышленности

Сфера использования сплавов на основе никеля (нихромов) обусловлена не только их уникальной коррозионной и жаростойкостью, устойчивостью к большому спектру химических воздействий (окислению), но и высокой пластичностью. Из нихромовой проволоки изготавливают нагревательные элементы для лабораторных и промышленных печей, реостатов, сушильных аппаратов, электротермического и кухонного оборудования (в том числе бытового), резисторы, нити электронных сигарет и многое другое.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Жаропрочные и жаростойкие что это за стали — 5 основных типов

Сталь, классифицирующая как жаропрочная, рекомендуется для изготовления конструкций не только находящихся под влиянием высоких температур, но и работающих в иных агрессивных условиях.

Рассмотрим, что же из себя представляют жаропрочные стали, на какие классы и марки подразделяются, и как выбрать оптимальный вариант для собственных нужд.

Жаропрочность и жаростойкость металла

Жаростойкие стали обладают таким ценным свойством как жаростойкость или если говорить простым языком, то они сохраняют свои свойства при высоких температурах. Второе название данного свойства – «Окалиностойкость». Основная ценность такой стали заключается в том, что она способна длительное время сохранять структуру своей кристаллической решетки в условиях воздействия высоких температур.

Стандартные жаропрочные стали имеют верхний температурный предел от 500 до 550 градусов и способны эффективно сопротивляться температуре только до этого предела. Далее на поверхности металла начинает образовываться оксидная пленка (окалина), что становится первым шагом к разрушению металла.

Не рекомендуется применять простые жаропрочные стали для изготовления конструкций, находящихся под сильной динамической нагрузкой.

Понятие жаропрочности

Жаропрочные стали изготавливаются методом химического взаимодействия основного состава с оксидами хрома, кремния или алюминия. Структура кристаллической решетки, полученная путем взаимодействия атомов двух элементов, сохраняет свою плотность даже в условиях воздействия открытого огня.

Количественные показатели и процентное соотношение добавок в сталях рассчитывается по формуле исходя из предполагаемых условий эксплуатации изделия. На производстве предпочтение отдается металлу, изготовленному из сплава главным компонентом, которого является хром.

Чем большее количество хрома в составе соединения, тем более жаропрочным получается сплав. Удается добиваться показателей, при которых металл переносит температуру более 1000 градусов и не теряет своих свойств.

Основные типы

Все жаропрочные и жаростойкие стали разделены на три условных группы. Группы отличаются химическим составом, способностью противостоять температуре и методикой производственного процесса.

К первой группе относятся все сплавы, выполненные с добавлением хрома, марганца, молибдена, титана или вольфрама. Так же к первой группе относится сталь с добавлением бора, ванадия или ниобия. Такие сплавы тоже имеют жаропрочные свойства, но из-за дороговизны производства используются редко.
Ко второй группе относятся сплавы на основе кальция, серия и еще ряда химических элементов сходных по структуре. Комплексное количество присадок в таких металлах может достигать 50%.
Третья группа характеризуется введением в консистенцию углерода, молибдена и кобальта.

Аустенитный класс

Аустенитные сплавы пользуются популярностью благодаря своим свойствам. Помимо способности эффективного сопротивления температуре вплоть до 1000 градусов, полученный жаропрочный сплав обладает ярко выраженными антикоррозийными свойствами.

Структура металла поддерживается путем добавления в сплав 10-15 процентов никеля, который удерживает атомы кристаллической решетки и не дает металлу понизить прочностные качества.

Хром придает устойчивость к температуре и не разрушает структуру, незначительные добавки стабилизирующих элементов – углерода, титана или ниобия успешно работают на поддержание антикоррозийных свойств.

Структура аустенитов

Жаропрочные аустенитные сплавы в зависимости от типа химической структуры бывают двух видов:

гомогенный. Материалы данного типа не предназначены для высоких температур и слабо переносят длительное воздействие жара. Максимальный предел температуры – 500 градусов. Тип материалов обусловлен отказом от термообработки и малым количеством углеродных включений;
гетерогенный. Данный тип материалов проходит две фазы термической обработки, что повышает его жаростойкость до 700 градусов. Карбидные фазы работают на сохранение устойчивости к деформациям и большим нагрузкам в период нагревания. Максимальная температура гетерогенного ряда – 1700 градусов, такой предел возможен при добавлении в сплав более 50% молибдена.

Аустенитно ферритный класс

Сплав полученный на основе смеси фаз аустенитов и ферритов является высоколегированным и стабилизированным сплавом. Чрезвычайно трудно обрабатываемый металл. Применяется для построения дымоотводных каналов, выхлопных труб автомобилей и конструкций, работающих с сильным температурным воздействием.

При производстве критически важных изделий на основе подобных сталей, используются сплавы, матрица которых усиливается дисперсионным твердением и добавлением таких элементов как карбид и его образующие. Метал подобных изделий не образует хрупкой окалины и устойчив к динамическим нагрузкам и деформации.

Мартенситный класс

Мартенситный класс жаропрочной стали характеризуется особым процессом изготовления и обработки. Суть его в том, что вначале металл закаливают высокой температурой, после которой «отпускают» в специальной камере. Итогом такого процесса является значительное повышение способности к сопротивлению температуре, но падение упругости.

На первом этапе сплав нагревают до 1200 градусов и стабилизируют его в течение 5 часов с последующим постепенным остыванием в примерно такой же временной интервал

На втором этапе процесс повторяется с тем отличием что стабилизация и «отпуск» проходит под воздействием температуры в 1000 градусов.

Перлитный класс

Перлитные стали относятся к категории низколегированных термостойких сплавов. В первую очередь они нацелены на сохранение структуры и свойств самого металла, а уже потом на его жаропрочные свойства.

Из стали перлитного класса изготавливаются детали и изделия промышленного назначения по условиям эксплуатации, не допущенные к работе при температуре свыше 400 — 500 градусов. Незначительного повышения жаростойкости можно добиться путем добавления в металл хрома и ванадия, в этом случае температурный предел поднимается до 600 – 650 градусов.

Если совместно с легированием применить технологию нормализации, то можно значительно улучшить прочность металла и его механические свойства.

Ферритный класс

Ферритные сплавы или металлы ферритного класса характеризуются высоким содержанием в своем составе хрома. Как правило, в ферритных сплавах его процентное соотношение достигает 35%.

Металлы данного класса подвергаются особому виду термической обработки – «обжигу». Такой вид подготовки позволяет получить зернистую структуру металла и значительно увеличить температурный предел работы металла.

Металлы ферритного класса способны эффективно переносить длительное нахождение под воздействием высокой (до 800 градусов) температуры. Дальнейшее повышение жаропрочности методом присадок и легирования не рекомендуется в связи с тем, что температурный предел повышается незначительно, а хрупкость изделий возрастает в несколько раз.

Мартенситно ферритный класс

Жаропрочный металл производимый из сплавов мартенситно-ферритного класса имеет среднюю устойчивость и содержит целый пакет дополнительных присадок – хром, вольфрам и ванадий.

Из него изготавливаются такие детали как лопасти паровых турбин, центрифуг, теплообменных сетей и активного оборудования ТЭЦ.

Металл хорошо подходит для изделий любого типа спланированных к эксплуатации в условиях непрерывного воздействия температур в диапазоне от 500 до 600 градусов и умеренных механических нагрузок.

В отдельных случаях, для повышения антиокислительных свойств в металл могут добавлять никель. Он способствует образованию на поверхности готовых изделий непроницаемой пленки и препятствует губительному воздействию кислорода.

Сплавы на основе никеля

Несмотря на то, что сплав легирован никелем, основным компонентом металла является все равно хром. Именно он придает смеси свойства жаропрочности и жаростойкости. В зависимости от количества базовых присадок сплавы на основе никеля могут быть как жаропрочными, так и жаростойкими.

Их устойчивость к перегреву обусловлена химическому процессу образования на поверхности металла оксидной пленки. Оксидная пленка состоит из фракций алюминия и хрома или алюминия и никеля.

Как правило такой металл применяют при изготовлении систем газовых турбин, трубопроводов и нагревательных элементов, деталей конструкции компрессоров и нагнетателей.

Химический состав

Однозначной формулой сложно описать всю суть протекающего химического процесса. Все дело в том, что формула учитывает исключительно основной состав металла и легирующие его добавки.

В действительности же, жаростойкие сплавы имеют в своем составе не только то что добавляется в процессе производства, но и не учитываемые продукты протекающих внутри химических реакций, отложения и выпадающие осадки. Получающиеся в процессе контролируемой химической реакции примеси в значительной мере ухудшают свойства металла.

В особенности большой вред наносят отложения серы. Всего лишь 0,003% серы в составе сплава способны полностью свести на нет все полезные свойства.

Структура и свойства

Не столько и не только химический состав консистенции влияет на жаростойкость полученного металла. Важную роль играет и форма, и агрегатное состояние в котором находятся легирующие примести до их включения в состав.

Химическая чистота присадок влияет на результат так же, как и ее количество. Никель и хром придают металлу жаропрочные свойства только при условии их полной очистки. Включение небольшого количества серы снижает температуру плавления металла, но и снижает его ползучесть.

«Ползучесть» — выведенный формат определения качественного состояния жаропрочности металла. Простыми словами ползучестью называется способность к разрушению структуры под действием температуры. И чем ползучесть ниже, тем качественнее считается металл.

Что влияет на жаропрочность

При стандартном производстве получить жаропрочный сплав можно только при соблюдении трех основных условий.

Термическая закалка, производимая в один или два этапа. Подразумевает постепенный нагрев до определенной температуры, удержание (стабилизация) в несколько часов и постепенное охлаждение. Правильное охлаждение выполняется в водяной бане или на открытом воздухе под контролем падения температуры.
Добавление в состав металла присадок, сохраняющих структуру металла и не допускающий возникновения интеркристаллической коррозии. Чаще всего в качестве таких присадок применяются ниобий или титан.
Точный расчет основного компонента. Основным компонентом является хром, от его количества зависит жаростойкость и способность к сопротивляемости окислению. В большинстве случаев хром составляет от 10 до 13% от всей массы металла.

Сферы применения

В связи с большим количеством жаропрочных сплавов, представленных на рынке, их эксплуатация и применение во многом определяется по составу входящих в сплавы присадок и дополнительных легирующих компонентов.

Рассмотрим основные сферы применения жаростойких металлов в зависимости от состава химических элементов:

AISI-314. Основная сфера применения – стенки и корпусные элементы печных конструкций. Достоинство сплава – высокая степень тугоплавкости;
AISI-310. Используется для производства двигателей внутреннего сгорания, нагруженных элементов моторов и турбин;
AISI-310S. Чаще всего востребована на производстве газоотводных трубопроводов, участков системы выхлопных труб и транспортных труб инертных газов;
AISI-309. Универсальный сплав, хорошо подходит как для изготовления печей, так и для производства других элементов, работающих в условиях повышенных температур.

Марки нержавеющей стали для изготовления дымоходов

При изготовлении или приобретении дымохода необходимо точно знать материал. Часто в свободной продаже можно встретить дымоход по цене в два, а то и три раза ниже рыночной. Стоит учитывать, что вероятнее всего такое изделие изготовлено из стали марки AISI 201 которая относительно недорогая, но при этом не отвечает всем требованиям для дымоходов.

Лучше всего для этой цели подойдет жаропрочная сталь марки AISI-309. Основное ее отличие от более дешевой 201-й версии в том, что у нее практически отсутствует риск деформации и возникновения термических трещин и разрывов.

Оба варианта стали немагнитны и неотличимы визуальным методом. Для их идентификации нужно проверять сопроводительные документы или же проводить сложный химический анализ.

Нержавеющие стали для пищевой индустрии

Жаропрочная нержавеющая сталь, имеющая свойства сопротивления коррозии, имеет массу преимуществ в изготовлении посуды и принадлежностей, контактирующих с пищей.

Разберем основные из них:

внешний вид. Хорошо отполированная сталь имеет привлекательный внешний вид и красиво смотрится в качестве готовых изделий;
прочность. Нержавеющая сталь трудно обрабатывается, но и трудно деформируется. Благодаря заложенной прочности можно изготавливать тонки элементы посуди и сервировки способные выдерживать большую нагрузку;
соответствие установленным нормам гигиены и СанПиН(а). Сталь имеет настолько плотную структуру, что при должной обработке и шлифовке практически не остается раковин где может задержаться грязь;
отсутствие эффекта коррозии. Основное преимущество нержавейки. Изготовленная из нее посуда не поддается окислению даже при длительном контакте с водой.

Основные марки стали применяемые в пищевой индустрии представлены в таблице.

Какая марка стали лучше для банной печки

Жаропрочная и коррозионностойкая сталь для печи должно не просто сопротивляться воздействия высокой температуры, но и выдерживать длительное воздействие открытого огня. Наиболее часто встречающаяся неисправность банной печи – прогорание стенок.

Для устранения проблемы можно конечно просто использовать толстостенную сталь, не вникая в ее свойства и химический состав. В принципе, это будет вполне рабочий способ, но не лишенный недостатков:

во-первых – такая сталь все равно будет окисляться и на ее поверхности будет появляться все увеличивающийся слой окалины, что помимо неприглядного внешнего вида рано или поздно приведет к прогоранию;
во-вторых – печь из толстого металла будет очень долго протапливаться и требовать в разы больше топлива для набора необходимой температуры.

Как показывает практика, лучше всего для банной печи подходит легированная сталь марки AISI-430, которая обладает всеми необходимыми качествами и долгим сроком службы.

Расшифровка марок

Маркировка жаропрочной стали, в том числе и металлов для печей имеет буквенно-цифровой вид. Каждый символ маркировки несет информацию о содержании в сплаве определенного химического элемента.

Двузначный числовой показатель как правило ставится в начале маркировки и дает информацию о процентном соотношении углерода. Буквенные символы указывают на находящийся в сплаве химический элемент и его процент (указан цифрами сразу после буквы).

Расшифровка буквенного обозначения представлена на таблице.

Оптимальная толщина металла для печи в баню

Для определения какую толщину металлического листа выбрать для изготовления банной печи, стоит обратить внимание на два фактора.

Теплопроводность стали. Чем толще сталь, тем больше энергии необходимо затратить для ее нагрева и поддержания температурного режима. Исходя из практического опыта считается, что использование для печи стальных листов толще 8 миллиметров экономически не целесообразно.
Огнеупорность. Если планируется эксплуатировать печь более 3 лет, то не стоит применять сталь в 4 мм. Такая печь будет очень быстро нагреваться, но прогорит менее чем через год интенсивного использования.

Исходя из вышеуказанного, специалисты понимают, что применять для печи лучше сталь марки AISI-430 с толщиной стенки 5-6 мм.

Какими электродами надо варить банную печь

Если стоит вопрос о самостоятельном изготовлении банной печи, то нельзя упускать из внимания и вопросы сварки. Нержавеющая, жаропрочная сталь варится особым видом электродов марки ЦЛ11 или аналогом – Д4.

Обязательным условием работы является химическая протравка сварного шва. Если упустить данный момент, то в местах сварки возможно появление коррозии и как следствие преждевременное разрушение конструкции.

Легирующие элементы в жаропрочных сплавах

Практически все жаропрочные сплавы создаются на металлургических производствах с использованием технологии легирования. Сущность технологии заключается в расширении химического состава и усложнении структуры базовой основы сплава путем введения в него различных легирующих элементов. В конечном итоге сплав приобретает жаропрочность – способность длительное время сохранять механическую прочность и коррозионную стойкость при высоких температурах эксплуатации.

Принцип повышения жаропрочности сплавов

Пластическая деформация и разрушение сплава при интенсивном нагреве объясняется ослаблением и нарушением межатомных связей и диффузной ползучестью материала, краевой дислокацией в структуре кристаллической решетки. Чтобы сделать сплав жаропрочным, необходимо стабилизировать его структуру, предотвратить или свести к минимуму деформационные процессы, протекающие под воздействием высоких температур.

Для решения этих задач сплавы упрочняют легирующими элементами, которые повышают энергию, прочность и стабильность кристаллических связей, замедляют диффузию, оказывая влияние на увеличение размера зерен и упрочнение их границ, препятствуют рекристаллизации. Для наибольшего эффекта легирование выполняется не одним, а несколькими химическими элементами, которые помимо жаропрочности придают сплаву дополнительные технологические свойства.

Выбор легирующих элементов для жаропрочных сплавов

Выбор химических элементов для легирования сплава с целью повышения его жаропрочности определяется свойствами, которые ему необходимо придать. Среди часто применяемых для легирования элементов можно назвать никель (Ni), вольфрам (W), молибден (Mo), ванадий (V), кобальт (Co), ниобий (Nb), титан (Ti). Каждый по-своему влияет на физические и химические характеристики сплава, поэтому, как правило, они вводятся в базовый состав комплексно, в различных комбинациях и пропорциях.

Например, молибден, титан и ниобий являются карбидообразователями. Связывая содержащийся в сплаве углерод в прочные карбиды, они обеспечивают эффективное торможение дислокаций и диффузий, усиливают межатомные связи, способствую формированию более стабильной структуры материала и повышению его жаропрочности. Наличие в сплаве никеля обуславливает его сопротивление к окислению на воздухе, а в комбинации с кобальтом, никель способствует повышению длительной прочности сплава.

Ферросплавы как наиболее эффективная форма легирования жаропрочных сплавов

В металлургии для получения разных марок жаростойких сплавов, используют специальные полупродукты на основе железа (Fe), содержащие определенный процент необходимого легирующего элемента – ферросплавы. Вводимые в жидкую субстанцию того или иного металла, ферросплавы, в виде чушек, блоков или гранул, значительно упрощают технологическую схему и сам процесс корректировки химического состава жаростойкого сплава.

Необходимо отметить, что ферросплавами условно называют и те полупродукты, где железо не является базовой основой, а содержится лишь в виде примеси. Сортамент ферросплавов для легирования жаростойких металлов весьма разнообразен. Наиболее важными ферросплавами в современной металлургии являются ферроникель, ферровольфрам, ферромолибден, феррованадий, феррониобий, ферротитан, феррокобальт.

Роль легирующих элементов в составе жаропрочных сплавов

Рисунок 1. Сводная таблица легирующих элеменнтов.

Никель

Никель повышает пластичность, вязкость, теплоемкость сплава, увеличивает его сопротивляемость к образованию трещин и коррозии, улучшает возможности термообработки. В связи с этим ферроникель – один из самых распространенных и востребованных ферросплавов глобальной металлургической отрасли. Мировые стандарты определяют пять марок ферроникеля, содержащего 20-70% никеля, плюс незначительное количество углерода (С), серы (S), фосфора (Р), кремния (Si), хрома (Cr), меди (Cu).

Молибден и вольфрам

На физические характеристики сталей и сплавов вольфрам и молибден оказывают схожее влияние, существенно увеличивая предел длительной механической прочности при температурах до 1800°C (в вакууме). Достаточно ввести 0,3-0,5% этих элементов в сплав, чтобы заметно усилить его сопротивление ползучести, укрепить межатомные связи кристаллической решетки, повысить температурный предел рекристаллизации. Для сталеплавильной и литейной промышленности производят легирующие ферросплавы из молибдена и вольфрама с железом: ферромолибден (55-60% Мо) и ферровольфрам (65-85% W).

Ванадий

Специальные ферросплавы

Все используемые в литейном производстве жаропрочных сплавов ферросплавы условно делятся на две группы: первая - ферросплавы массового применения, вторая - специальные ферросплавы. Ко второй группе относятся соединения железа с титаном, кобальтом, ниобием и рядом других элементов. Специальные ферросплавы применяют в небольших пропорциях 4–6%, и не только для повышения рабочей температуры жаропрочных сплавов, но для придания им особых свойств.

Например, феррониобий применяется для легирования жаропрочных хромоникелевых сталей, поскольку ниобий эффективно препятствует межкристаллитной коррозии, разрушающей границы зерна и ведущей к потере прочности материала. В свою очередь ферротитан вводится в жаропрочные сплавы для усиления общих антикоррозийных характеристик. Кроме того, титан улучшает свариваемость нержавеющих сталей. Легирование жаропрочных сплавов феррокобальтом позитивно сказывается на их релаксационной стойкости, особенно это касается хромистых сталей.

Жаростойкие стали: состав и марки жаропрочных сплавов

Жаропрочная сталь, представленная на современном рынке большим разнообразием марок, как и сплавы жаростойкой категории, признается большинством специалистов лучшим материалом для изготовления элементов конструкций и оборудования, которые эксплуатируются в постоянном контакте с агрессивными средами и в других сложных условиях.

Типичные изделия из жаропрочной стали – печи, камины, котлы и металлические дымоходы

Жаростойкость, которой обладают стали и другие металлические сплавы отдельной категории, имеет еще одно название – «окалиностойкость». Это свойство, которым отдельные металлы наделяют в процессе производства, заключается в их способности длительное время в условиях повышенных температур активно противостоять такому негативному явлению, как газовая коррозия. В отличие от жаростойких, жаропрочные стали и металлы другого типа обладают способностью не разрушаться и не деформироваться под длительным воздействием высоких температур.

Металлы, которые отличаются жаростойкостью, применяют преимущественно для изготовления ненагруженных конструкций, эксплуатируемых в условиях постоянного воздействия на них газовой окислительной среды и температуры, не превышающей 550°. К таким конструкциям, в частности, относятся элементы нагревательных печей.

Сплавы, выполненные на основе железа, даже если их отличает жаростойкость, при таких условиях эксплуатации и при воздействии температуры, превышающей 550°, начинают активно окисляться, что приводит к появлению на их поверхности пленки, состоящей из оксида железа. Формирующееся на поверхности такого металла химическое соединение железа и кислорода – это, по сути, окалина хрупкого типа. Ее характеризует элементарная кристаллическая решетка, содержащая недостаточное количество атомов второго вещества.

Свойства оксидов элементов, увеличивающих жаростойкость железа

Чтобы улучшить такое свойство стали, как жаростойкость, в ее химический состав вводят хром, алюминий и кремний. Соединяясь с кислородом, эти элементы способствуют формированию в структуре металла плотных и надежных кристаллических структур, что и улучшает его способность безболезненно переносить воздействие повышенных температур.

Количество и тип легирующих добавок, вводимых в химический состав сплава, выполненного на основе железа, зависит от температурных условий эксплуатации изделий, которые будут из него изготовлены.

Лучшую жаростойкость демонстрируют стали, легирование которых выполнено на основе такого металла, как хром. К наиболее известным маркам таких сталей, которые называют сильхромами, относятся:

08Х17Т;
15Х25Т;
15Х6СЮ;
36Х18Н25С2.

Химический состав жаропрочных сталей марок 13Х11Н2В2МФ, 15Х11МФ, 20Х13, 20Х12ВНМФ

Что характерно, жаростойкость стали повышается с увеличением в ее химическом составе количества хрома. Используя данный металл в качестве легирующего элемента, можно создавать марки сталей, изделия из которых не будут утрачивать своих первоначальных характеристик даже при длительном воздействии на них температуры, превышающей 1000 градусов.

Особенности материалов с жаропрочными свойствами

Жаропрочные стали и сплавы, как уже говорилось выше, способны успешно эксплуатироваться в условиях постоянного воздействия высоких температур, при этом не проявляя склонности к ползучести. Суть этого негативного процесса, которому подвержены стали обычных марок и другие металлы, заключается в том, что материал, на который воздействуют неизменная температура и постоянная нагрузка, начинает медленно деформироваться, или ползти.

Ползучесть, которой и стараются избежать, создавая жаропрочные стали и металлы другого типа, бывает двух видов:

Для определения ползучести сплавов в иследовательских центрах используют комплекс испытательных машин

Чтобы определить параметры кратковременной ползучести, материалы подвергают специальным испытаниям, для чего их помещают в печь, нагретую до определенной температуры, и прикладывают к ним растягивающую нагрузку. Такое испытание проводится в течение ограниченного промежутка времени.

Проверить материал на его склонность к длительной ползучести и определить такой важный параметр, как предел ползучести, за короткий промежуток времени не получится. Для этого испытуемое изделие, помещенное в печь, необходимо подвергать длительной нагрузке. Важность такого показателя, как предел ползучести материала, заключается в том, что он характеризует наибольшее напряжение, которое приводит к разрушению разогретого изделия после воздействия в течение определенного промежутка времени.

Марки жаропрочных и жаростойких сталей

Стали, отличающиеся жаропрочностью и жаростойкостью, по состоянию внутренней структуры подразделяются на несколько категорий:

аустенитные;
мартенситные;
перлитные;
мартенситно-ферритные.

При этом стали, относящиеся к категории жаростойких, могут быть представлены еще двумя типами:

ферритные;
аустенитно-ферритные или мартенситные.

Основные свойства некоторых жароупорных сталей (нажмите для увеличения)

Если рассматривать стали с мартенситной внутренней структурой, то их наиболее известными марками являются:

Х5 (из такой жаропрочной стали производят трубы, которые предполагается эксплуатировать при температурах, не превышающих 650°);
Х5М, Х5ВФ, Х6СМ, 1Х8ВФ, 1Х12Н2ВМФ (используются для производства изделий, эксплуатируемых при 500–600° на протяжении определенного периода времени (1000–10000 часов));
3Х13Н7С2 и 4Х9С2 (изделия из данных марок могут успешно эксплуатироваться при 850–950°, поэтому из таких сталей производят клапаны двигателей транспортных средств);
1Х8ВФ (изделия из жаропрочной стали этой марки могут успешно эксплуатироваться при температурах, не превышающих 500°, на протяжении 10000 часов и даже дольше; из данного материала, в частности, производят конструктивные элементы паровых турбин).

Листовая жаропрочная сталь используется там, где требуется хорошая стойкость к высокой температуре и к агрессивной среде

Основой мартенситной структуры стали является перлит, который меняет свое состояние в том случае, если в составе материала увеличить количественное содержание хрома. Перлитными являются следующие марки жаропрочных и жаростойких сталей, относящихся к хромомолибденовым и хромокремнистым: Х6С, Х6СМ, Х7СМ, Х9С2, Х10С2М и Х13Н7С2. Чтобы получить из этих сталей материал с внутренней структурой сорбита, который отличается высокой твердостью (не менее 25 единиц по шкале HRC), их сначала закаливают при 950–1100°, а затем подвергают отпуску.

Стальные сплавы с ферритной внутренней структурой, относящиеся к категории жаростойких материалов, содержат в своем химическом составе от 25 до 33% хрома, который и определяет их характеристики. Чтобы придать таким сталям мелкозернистую структуру, изделия из них подвергают отжигу. К сталям данной категории относят марки 1Х12СЮ, Х17, 0Х17Т, Х18СЮ, Х25Т и Х28. Следует иметь в виду, что при нагревании этих сталей до 850° и выше, зерно в их внутренней структуре начинает укрупняться, что приводит к увеличению их хрупкости.

Жаропрочная нержавеющая сталь применяется при производстве тонколистового проката, бесшовных труб и различных агрегатов пищевой и химической промышленности

Стали, основу структуры которых составляют мартенсит и феррит, активно применяются для производства изделий различного назначения, используемых в машиностроительной отрасли. Изделия, для изготовления которых применяют такие жаропрочные сплавы, даже на протяжении достаточно длительного времени могут успешно эксплуатироваться при температуре, находящейся в пределах 600°. Наиболее распространенными марками данных жаропрочных сталей являются Х6СЮ, 1Х13, 1Х11МФ, 1Х12В2МФ, 1Х12ВНМФ, 2Х12ВМБФР. Такие жаропрочные сплавы отличаются тем, что хром в их химическом составе содержится в пределах 10–14%, а легирующими добавками, при помощи которых улучшают их химический состав, являются вольфрам, молибден и ванадий.

Аустенитные и аустенитно-ферритные стальные сплавы

Наиболее значимые особенности аустенитных сталей заключаются в том, что их внутренняя структура формируется за счет наличия в их составе никеля, а такое свойство, как жаростойкость, связано с присутствием хрома. В сплавах подобной категории, отличающихся незначительным содержанием углерода в своем химическом составе, в некоторых случаях могут присутствовать такие легирующие элементы, как ниобий и титан. Стали, основу внутренней структуры которых составляет аустенит, относятся к категории нержавеющих, а при длительном воздействии высоких температур (до 1000 градусов) успешно противостоят формированию слоя окалины.

Аустенитные сплавы марок Х17Н13М2 и Х17Н13М3 оптимально подходят для конструкций, работающих под воздействием кислот

К наиболее распространенным на сегодняшний день сталям с аустенитной внутренней структурой относятся сплавы дисперсионно-твердеющей категории. Для улучшения качественных характеристик в их состав добавляют интерметаллические или карбидные упрочнители, в зависимости от чего такие материалы и относят к определенной категории.

Наиболее популярными марками жаропрочных сталей, основу внутренней структуры которых составляет аустенит, являются:

дисперсионно-твердеющие Х12Н20Т3Р, 4Х12Н8Г8МФБ, 0Х14Н28В3Т3ЮР, 4Х14Н14В2М (из этих жаропрочных сталей, относящихся к категории нержавеющих, изготавливают конструктивные элементы турбин и клапаны двигателей транспортных средств);
гомогенные 1Х14Н16Б, 1Х14Н18В2Б, Х18Н12Т, Х18Н10Т, Х23Н18, Х25Н20С2, Х25Н16Г7АР (из материалов данных марок преимущественно производят арматуру и трубы, эксплуатируемые под воздействием значительных нагрузок, агрегаты сверхвысокого давления, элементы выхлопных систем).

Труба жаропрочная из стали марки 20Х23Н18 (она же Х23Н18 или ЭИ417) используется для изготовления печного оборудования, поковок и бандажей

Стальные сплавы, основу внутренней структуры которых составляет смесь аустенита и феррита, отличает исключительная жаропрочность, превышающая по своим показателям аналогичный параметр даже высокохромистых материалов. Такие характеристики жаропрочности достигаются за счет высочайшей стабильности внутренней структуры сталей данной категории. Изделия из них могут успешно эксплуатироваться даже при температурах, доходящих до 1150°.

Между тем для жаропрочных сталей с аустенитно-мартенситной внутренней структурой характерна повышенная хрупкость, поэтому их нельзя использовать для производства изделий, эксплуатируемых под высокой нагрузкой.

Из жаропрочных сталей данной категории производят изделия следующего назначения:

пирометрические трубки (Х23Н13);
конвейеры для печей, жаропрочные трубы, емкости для осуществления процедуры цементации (Х20Н14С2 и 0Х20Н14С2).

Стали и металлы, отличающиеся тугоплавкостью

Стальные сплавы, основу которых составляют тугоплавкие металлы, используют для производства изделий, эксплуатируемых при 1000–2000°.

Тугоплавкие металлы, входящие в химический состав таких сталей, характеризуются следующими температурами плавления (см. таблицу).

Температура плавления тугоплавких металлов

За счет того, что тугоплавкие стали данной категории характеризуются высокой температурой перехода в хрупкое состояние, при значительном нагреве они деформируются. Чтобы повысить жаропрочность таких сталей, в их химический состав водятся специальные добавки, а для увеличения жаростойкости их легируют такими элементами, как титан, молибден, тантал и др.

Наиболее распространенными соотношениями химических элементов в составе тугоплавких сплавов являются:

основа – вольфрам и 30% рения;
60% ванадия и 40% ниобия;
основа – 48% железа, 15% ниобия, 5% молибдена и 1% циркония;
10% вольфрама и тантал.

Сплавы на основе никеля и смеси никеля с железом

Сплавы на никелевой основе (55% никеля) или выполненные на базе смеси никеля с железом (65%) являются жаропрочными и обладают достойными жаростойкими качествами. Базовым легирующим элементом для любых сталей данной категории является хром, которого в них может содержаться от 14 до 23%.

Если говорить о стойкости и прочности, высокие показатели которых сохраняются при повышенных температурах, то такими качествами обладают стальные сплавы, выполненные на основе никеля. К наиболее популярным из них относятся ХН60В, ХН67ВМТЮ, ХН70, ХН70МВТЮБ, ХН77ТЮ, ХН78Т, ХН78Т, ХН78МТЮ. Часть сталей данных марок являются жаропрочными, а остальные – жаростойкими. При нагреве на поверхности изделий из сплавов данных марок появляется оксидная пленка на основе хрома и алюминия, а в твердых растворах структуры таких металлов формируются соединения алюминия с никелем или титана с никелем, что и обеспечивает устойчивость таких материалов к воздействию высоких температур. Более подробно с характеристиками жаропрочных сплавов никелевой группы можно познакомиться, изучив специальные справочники.

Читайте также: