Химический состав жаропрочных сталей

Обновлено: 18.04.2024

Нержавеющие стали, которые можно также отнести к более широкому классу коррозионностойких сталей - материалы, обладающие высокой стойкостью к коррозии во влажной атмосфере и слабоагрессивных водных растворах.

Коррозией называется разрушение металлов и сплавов вследствие их химического или электрохимического взаимодействия с внешней средой. Коррозионная стойкость - способность материала сопротивляться коррозионному воздействию среды.

Основой нержавеющих сталей является железо. Основным легирующим элементом, обеспечивающим стойкость к коррозии, является хром (Cr). Также в состав указанных материалов обычно входят углерод (C), кремний (Si), марганец (Mn), сера (S) и фосфор (P). Многие из нержавеющих сталей содержат в качестве легирующих элементов никель (Ni), который улучшает коррозионную стойкость и жаропрочность стали; молибден (Mo), ниобий (Nb), которые повышают рабочую температуру стали; кобальт (Co), повышающий износостойкость материала.

Классификация

ферритный;
мартенситный;
аустенитный;
ферритно-мартенситный;
аустенито-мартенситный;
аустенито-ферритный.

Структуры сталей отличаются благодаря различным способам их охлаждения после высокотемпературной обработки. Структура наряду с химическим составом оказывает большое влияние на стойкость материала к коррозии в тех или иных агрессивных средах, что, в свою очередь, определяет области применения изделий из конкретного сплава или стали. Свойства нержавеющих сталей определяются химическим составом стали, а также ее структурой. Указанные признаки особенно важны для определения среды, в которой стоек тот или иной материал.

Мартенситный и мартенсито-ферритные стали обладают хорошей коррозионностойкие стойкостью в атмосферный условиях, слабоагрессивных средах (например, в слабых растворах солей, кислот), а также имеют высокие механические свойства.

Основной рабочей средой ферритных сталей являются растворы азотной кислоты аммиака, аммиачная селитра, смесь фосфорной, азотной, фтористоводородной кислот, а также некоторые другие окислительные агрессивные среды. Стали данного класса становятся хрупкими при температуре 475 °С, а также имеют сравнительно невысокие показатели прочности и жаропрочности. Стоит отметить плохую свариваемость ферритных сталей и низкую коррозионную стойкость сварных швов.

Аустенитные стали обладают хорошими показателями механических и технологических свойств, а также стойки в большом количестве агрессивных сред. Стали данного класса имеют высокую пластичность и прочность, а также хорошо обрабатываются.

Аустенито-ферритные и аустенито-мартенситные стали по коррозионной стойкости схожи со сталями аустенитного класса, но превосходят их по механическим характеристикам. Так аустенито-ферритные стали имеют повышенный предел текучести, аустенито-мартенситные - повышенную прочность.

Марки нержавеющих сталей

Необходимо сказать несколько слов о маркировке легированных сталей. В ее основу положена буквенно-цифровая система (ГОСТ 4543-71). Легирующие элементы: марганец - Г, кремний - С, хром - Х, никель - Н, вольфрам - В, ванадий - Ф, титан - Т, молибден - М, кобальт - К, алюминий - Ю, медь - Д, бор - Р, ниобий - Б, цирконий - Ц, азот - А.; Количество легирующего элемента в процентах указывается цифрой, стоящей после соответствующего индекса. В начале перед буквенным обозначением пишется (регламентируется маркой) в виде цифрового значения умноженное на 10 процентное содержание углерода в стали. Отсутствие цифры после индекса элемента указывает на то, что его содержание менее 1,5 %. Высококачественные стали имеют в обозначении букву А, а особо-высококачественные - букву Ш, проставляемую в конце.

Например, сталь 12Х2Н4А содержит 0,12% С, около 2% Cr, около 4% Ni и менее 0,025% S и P.

Достоинства / недостатки

Достоинства

обладают высокой коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах;
имеют более низкую стоимость по сравнению с коррозионностойкими сплавами на никелевой основе.

Недостатки

имеют невысокую жаропрочность и жаростойкость по сравнению с коррозионностойкими сплавами на никелевой основе.

Области применения нержавеющих сталей

Указанные материалы применяются при изготовлении изделий для энергетического машиностроения и печестроения. К таким изделиям можно отнести рабочие лопатки, болты, гайки, диски и роторы и другие элементы газовых турбин, а также узлы деталей печей и прочих изделий, требующих защиты от коррозии в агрессивных средах. Нержавеющие стали имеют меньшие рабочие температуры по сравнению с жаростойкими сплавами и сталями на никелевой основе, поэтому применяются в случаях, когда рабочие температуры не превышают 500-700 °С.

Продукция из нержавеющей стали

Выпускаются различные полуфабрикаты из нержавеющих сталей. Стоит отметить нержавеющие прутки и круги, проволоку и нить, нержавеющие листы и полосы, а также трубы. Перечисленные полуфабрикаты находят применение в областях промышленности, в которых предъявляются высокие требования к коррозионной стойкости изделий.

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

Нержавеющая сталь: состав, свойства, марки, маркировка

Высокая популярность такого материала, как нержавеющая сталь, объясняется ее уникальными характеристиками, которыми не обладают обычные углеродистые стальные сплавы. Благодаря большому разнообразию марок нержавеющих сталей, представленных на современном рынке, их можно подбирать для успешного решения технологических задач различного характера.

Внешний вид сооружений из нержавеющей стали не изменяется на протяжении всего срока эксплуатации

В чем состоит уникальность нержавеющих сталей

Нержавеющая сталь была запатентована в Англии в 1913 году. Автором данного изобретения, которое, без преувеличения, стало важнейшим этапом развития не только сталелитейной, но и других отраслей промышленности, является металлург Гарри Бреарли.

Наделить обычные стальные сплавы уникальными характеристиками и получить из них коррозионностойкие стали позволило добавление в их химический состав такого элемента, как хром.

Именно хром, которого в составе нержавеющих стальных сплавов должно быть не менее 10,5%, обеспечивает данным материалам такие характеристики, как:

исключительно высокая устойчивость к коррозии;
очень высокая прочность;
хорошая свариваемость;
простота обработки методами холодной деформации;
длительный эксплуатационный срок без потери первоначальных характеристик;
эстетически привлекательный внешний вид изделий, изготовленных из сплавов данной категории.

Влияние легирующих элементов на свойства сталей

Нержавеющие стали в обязательном порядке содержат в своем химическом составе хром и железо. Эти элементы дополняют друг друга, что и обеспечивает данным материалам такие уникальные характеристики. В частности, хром, соединяясь с кислородом, создает на поверхности нержавеющего сплава оксидную пленку, которая и становится надежным препятствием для коррозионных процессов.

Для того чтобы наделить нержавеющую сталь дополнительными характеристиками и значительно улучшить уже имеющиеся свойства, в ее химический состав вводят легирующие добавки – никель, титан, молибден, ниобий, кобальт и др. Такое легирование позволяет создавать различные виды стальных сплавов нержавеющей категории, отличающиеся друг от друга своими характеристиками и, соответственно, назначением.

Мы уже так привыкли к коррозиооностойкой стали, что даже не замечаем, насколько наша жизнь стала комфортнее из-за присутствия в ней нержавейки

Нержавеющая сталь содержит в своем химическом составе углерод, который придает ей высокую твердость и прочность. Следует отметить, что данный химический элемент является обязательным компонентом любого стального сплава и оказывает серьезное влияние на его свойства.

Уникальные характеристики, которыми отличается нержавеющая сталь, позволяют успешно использовать данный металл в самых различных сферах, связанных с эксплуатацией изделий и оборудования в условиях повышенной влажности и постоянного воздействия на них агрессивных сред. Активно используются нержавеющие стали для производства изделий как промышленного, так и бытового назначения. В частности, именно из этого металла чаще всего делают столовые приборы и ножи, изготавливают элементы коммуникаций и ограждающих конструкций, детали оборудования и др.

Методы классификации

Характеристики, которыми обладают нержавеющие стали, определяются как химическим составом сплавов, так особенностями их внутренней структуры. В зависимости от данных параметров все стали, относящиеся к категории нержавеющих, делятся на четыре группы.

В химическом составе сталей данной группы хром содержится в объеме 20% (поэтому их и называют хромистыми). Благодаря значительному содержанию хрома изделия из таких сталей способны успешно противостоять воздействию даже очень агрессивных сред. Стальные сплавы данной группы отличаются хорошими магнитными характеристиками.

Химический состав и механические свойства сталей ферритного класса

Крупными потребителями ферритных сталей являются предприятия тяжелой и химической промышленности, из нержавеющих сплавов этого вида производят элементы отопительного оборудования, а также многое другое. Сплавы ферритной группы занимают достаточно большую долю рынка нержавеющих сталей и по уровню своей востребованности лишь незначительно уступают материалам с аустенитной внутренней структурой, но стоят значительно дешевле последних.

Это нержавеющие стали, значительная доля химического состава которых (до 33%) приходится на хром и никель. Потребители отдают предпочтение этим сплавам из-за того, что такие материалы отличаются высокой прочностью и исключительной устойчивостью к коррозии.

Химический состав и сферы применения жаропрочных аустенитных нержавеющих сталей (нажмите для увеличения)

Благодаря особенностям внутренней структуры такие сплавы отличаются самой высокой прочностью среди сталей. Кроме того, они характеризуются хорошей износоустойчивостью и минимальным количеством вредных примесей в своем составе. Именно к этой категории относится жаропрочная коррозионностойкая сталь, способная не только успешно противостоять окислительным процессам, но и эксплуатироваться в условиях постоянного воздействия высоких температур, не утрачивая при этом своих первоначальных свойств.

Содержание химических элементов в мартенситных и ферритно-мартенситных сталях (нажмите для увеличения)

Сюда относятся стали с внутренней структурой комбинированного типа: аустенитно-ферритной и аустенитно-мартенситной. Такие инновационные материалы оптимально сочетают в себе лучшие свойства всех вышеперечисленных видов нержавеющих сталей.

Химические составы коррозионностойких сталей аустенитно-мартенситного класса

Владение информацией о том, к какой из групп относится та или иная марка нержавеющей стали, позволяет оптимально подбирать сплавы для решения определенных технологических задач.

Наиболее популярные марки и сферы их применения

Чтобы правильно подобрать нержавеющую сталь для изготовления продукции определенного назначения, можно воспользоваться специальными справочниками, в которых перечислены как все марки такого материала, так их основные характеристики. Между тем в каждой из таких групп есть наиболее популярные марки, которые чаще всего и выбирает потребитель. Перечислим их.

10Х17Н13М2Т и 10Х17Н13М3Т – стали, которые отличаются хорошей свариваемостью и отличной устойчивостью к коррозии. Благодаря таким свойствам нержавеющие стальные сплавы данных марок успешно используют для производства изделий, которые в процессе своей эксплуатации постоянно подвергаются воздействию высокой температуры и агрессивных сред. Свойства сталей данных марок формируются за счет наличия в их химическом составе следующих элементов: хрома (16–18%), молибдена (2–3%), никеля (12–14%), углерода (0,1%), кремния (0,8%), меди (0,3%), серы (0,02%), фосфора (0,035%), марганца (2%), титана (0,7%). Если существует необходимость в выборе нержавеющих сталей данных марок, то следует иметь в виду, что на отечественном рынке можно приобрести и их зарубежные аналоги, а именно: SUS316Ti (Япония), 316Ti (США), OCr18Ni12Mo2Ti (Китай), Z6CNDN17-12 (Франция).
08Х18Н9 и 08Х18Н10 – нержавеющие стальные сплавы, из которых делают трубы как круглого, так и любого другого сечения. Используют эти материалы для производства различных конструкций, эксплуатируемых в машиностроительной и химической промышленности, а также для производства элементов трубопроводов и печных устройств. В химическом составе сталей данных марок содержатся следующие элементы: хром (17–19%), углерод (0,8%), титан (0,5%), никель (8–10%).
10Х23Н18 – сталь этой марки характеризуется высоким содержанием никеля (17–20%) и хрома (22–25%), а также марганца (2%) и кремния (1%) в своем составе. Такое сочетание элементов наделяет сплав требуемыми характеристиками и формирует повышенную склонность к отпускной хрупкости. Следует отметить, что сплав данной марки относится к нержавеющим сталям жаропрочной категории.
08Х18Н10Т – нержавеющий сплав данной марки отличается высокой устойчивостью к процессам окисления, а также хорошей свариваемостью, причем для получения качественного соединения по данной технологии изделия можно не подвергать предварительному нагреву, а также не выполнять их термическую обработку после сварки. Чтобы улучшить прочностные характеристики изделий, изготовленных из такой стали, их необходимо подвергнуть закалке, что оговорено в соответствующем нормативном документе.
06ХН28МДТ – сплав данной марки оптимально подходит для создания сварных конструкций, которые будут в дальнейшем эксплуатироваться в агрессивных средах. В химическом составе этой стали содержатся следующие элементы: хром (22–25%), никель (26–29%), медь (2,5–3,5%).
12Х18Н10Т – изделия, изготовленные из стали данной марки, преимущественно используются для оснащения предприятий химической, целлюлозно-бумажной, строительной, пищевой и топливной отраслей. Этот металл отличается термической стойкостью, хорошей ударной вязкостью и практичностью использования.
12Х13, 20Х13, 30Х13 и 40Х13 – нержавеющие стальные сплавы данных марок практически не поддаются свариванию, но есть у них и положительные свойства. Последние заключаются в том, что эти стали не имеют склонности к отпускной хрупкости, а их внутренняя структура не поражается дефектами, которые на профессиональном языке называются флокенами. Из нержавеющих сталей данных марок изготавливают режущий и измерительный инструмент, а также рессоры и пружины различного назначения.
08Х13, 08Х17, 08Х18Т1 – это нержавеющие стальные сплавы ферритной группы, из которых производят изделия, не испытывающие в процессе своей эксплуатации ударные нагрузки, а также воздействие низких температур.

Виды поверхностей нержавеющей стали

Как расшифровать маркировку

Маркировка нержавеющих сталей, правила формирования которой оговариваются положениями нормативных документов, несет в себе следующую информацию:

число, стоящее на первом месте, указывает на количественное содержание в составе сплава такого химического элемента, как углерод (например, в стали марки 08Х17 углерод содержится в количестве 0,08%, а в 40Х13 – 0,4%);
после букв в маркировке, каждая из которых обозначает соответствующий химический элемент (Х – хром, Н – никель, М – марганец), проставляются цифры, указывающие на его содержание в целых процентах.

Пример расшифровки обозначения нержавеющей стали

В целом, если говорить о правилах маркировки стальных сплавов, относящихся к категории нержавеющих, они практически ничем не отличаются от тех, которые приняты для обозначения сталей любого другого типа.

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

Жаропрочность и жаростойкость металла

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.

Жаростойкие и жаропрочные сплавы

Основные сведения о жаростойких и жаропрочных сплавах

Жаропрочные сплавы и стали - материалы, работающие при высоких температурах в течение заданного периода времени в условиях сложно-напряженного состояния и обладающие достаточным сопротивлением к коррозии в газовых средах.

Жаростойкие сплавы и стали - материалы, работающие в ненагруженном или слабо-нагруженном состоянии при повышенных температурах (более 550 °C) и обладающие стойкостью к коррозии в газовых средах.

Активный интерес к подобным материалам стал проявляться в конце 30-х годов XX века, когда появилась необходимость в материалах способных работать при достаточно высоких температурах. Это связано с развитием реактивной авиации и газотурбинных двигателей.

Основой жаростойких и жаропрочных сплавов могут быть никель, кобальт, титан, железо, медь, алюминий. Наиболее широкое распространение получили никелевые сплавы. Они могут быть литейными, деформируемыми и порошковыми. Наиболее распространенными среди жаропрочных являются литейные сложнолегированные сплавы на никелевой основе, способные работать до температур 1050-1100 °C в течение сотен и тысяч часов при высоких статических и динамических нагрузках.

Классификация жаропрочных и жаростойких сплавов

Поскольку речь идет о жаростойких и жаропрочных сталях и сплавах, то стоит дать определение терминам жаропрочность, жаростойкость.

Термины и определения

Жаропрочность - способность сталей и сплавов выдерживать механические нагрузки при высоких температурах в течение определенного времени. При температурах до 600°С обычно применяют термин теплоустойчивость. Можно дать более строгое определение жаропрочности.

Под жаропрочностью также понимают напряжение, вызывающее заданную деформацию, не приводящую к разрушению, которое способен выдержать металлический материал в конструкции при определенной температуре за заданный отрезок времени. Если учитываются время и напряжение, то характеристика называется пределом длительной прочности; если время, напряжение и деформация - пределом ползучести.

Ползучесть - явление непрерывной деформации под действием постоянного напряжения. Длительная прочность - сопротивление материала разрушению при длительном воздействии температуры.

Жаростойкость характеризует сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах.

Классификация

Можно выделить несколько классификаций сплавов и сталей, которые работают при повышенных и высоких температурах.

Теплоустойчивые стали - работают в нагруженном состоянии при температурах до 600°С в течение длительного времени. Примером являются углеродистые, низколегированные и хромистые стали ферритного класса.
Жаропрочные стали и сплавы - работают в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладают при этом достаточной жаростойкостью. Примерами являются стали аустенитного класса на хромоникелевой или хромоникельмарганцевой основах с различными легирующими элементами и сплавы на никелевой или кобальтовой основе.
Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы - работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при температурах выше 550°С и обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах. В качестве примера можно привести хромокремнистые стали мартенситного класса, хромоникелевые аустенитные стали, хромистые и хромоалюминиевые стали ферритного класса, а также сплавы на основе хрома и никеля.

литейные;
деформируемые.

Свойства жаростойких и жаропрочных сплавов

Для жаропрочных сплавов и сталей основным полезным свойством с практической точки зрения является способность материала выдерживать механические нагрузки в условиях высоких температур. Существуют различные схемы нагружения жаропрочных материалов: статические растягивающие, изгибающие или скручивающие нагрузки, термические нагрузки вследствие изменений температуры, динамические переменные нагрузки различной частоты и амплитуды, динамическое воздействие скоростных газовых потоков на поверхность. При этом указанные материалы должны выдерживать соответствующий тип нагружения.

Основным практически полезными свойствами жаростойких сталей и сплавов является коррозионная стойкость материала в газовых средах при высоких температурах.

В то же время, с точки зрения производства готовых изделий важную роль играют технологические свойства. При создании деформируемых сплавов необходимо обеспечить достаточную технологическую пластичность при обработке давлением, в том числе при температурах 700-800 °С, а литые сплавы должны иметь удовлетворительные литейные свойства (жидкотекучесть, пористость).

Марки жаропрочных и жаростойких сплавов

Жаропрочные стали и сплавы на никелевой основе

В настоящее время сплавы на никелевой основе имеют наибольшее значение в качестве жаропрочных материалов, предназначенных для работы при температурах от 700 до 1100°С.

сплав изготавливается в дуговых и индукционных электропечах и с применением вакуумного дугового переплава;
температура деформации - начало 1160, конец выше 1000 °С, охлаждение после деформации иа воздухе;
рекомендуемые режимы термической обработки: нагрев до 1190±10 °С, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе; нагрев до 1050 °С, выдержка 4 ч, охлаждение на воздухе; старение при 800 °С в течение 16 ч, охлаждение на воздухе;
нагрев до 1180 °С, выдержка 6 ч, охлаждение на воздухе; нагрев до 1000 °С, охлаждение с печью до 900 °С, выдержка 8 ч, охлаждение на воздухе; старение при 850 °С в течение 15 ч, охлаждение на воздухе.

Жаростойкие стали и сплавы на основе никеля и железа

Основными жаростойкими материалами, которые используют в газовых турбинах, печах и различного рода высокотемпературных установках с рабочей температурой до 1350 °С, являются сплавы на основе железа и никеля. Высокое сопротивление окислению сталей и сплавов связано в первую очередь с большим количеством хрома, входящего в состав сплавов. Например, максимальное содержание хрома (по массе) в количестве 26-29 % имеет сплав на основе никеля ХН70Ю.

Выпускаются различные полуфабрикаты из жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов. Стоит отметить жаропрочные прутки и круги, проволоку и нить, жаропрочные листы и полосы, ленту, а также трубы. Перечисленные полуфабрикаты находят применение в областях промышленности, в которых предъявляются высокие требования к жаропрочности и жаростойкости изделий.

Сравнение жаростойких и коррозионностойких сталей и сплавов

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

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.

Читайте также: