Что может обеспечить жаростойкость стали

Обновлено: 04.07.2024

Жаропрочными называют стали и сплавы, сохраняющие при повышенных температурах в течение определенного времени высокую механическую прочность и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Жаростойкими (окалиностойкими) называют стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550 0 С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

Жаропрочность характеризуется, в основном, пределами ползучести и длительной прочности. Ориентировочно о жаропрочности судят также по механическим свойствам, определяемым кратковременным испытанием на растяжение при рабочей температуре.

Дополнительные характеристики жаропрочности: длительная пластичность, релаксационная стойкость, предел выносливости, термостойкость и др.

Жаропрочность стали (сплава) определяется химическим составом и структурой; к числу элементов, повышающим жаропрочность, относятся молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан, кобальт, алюминий и отчасти хром и никель. Последний, наряду с марганцем, имеет значение, главным образом, как аустенитообразующий элемент (поскольку аустенитная структура создает наибольшую жаропрочность стали). На жаропрочные свойства хром влияет меньше, чем многие другие элементы. Однако его присутствие в стали или сплаве наряду с алюминием и кремнием повышает их жаростойкость (окалиностойкость). Поэтому хром - обязательный компонент жаропрочных сталей и сплавов.

Классификация

К жаропрочным сталям относят сплавы на основе железа, если содержание последнего превышает 50 %.

В зависимости от суммарного содержания легирующих элементов жаропрочные стали могут быть низко-, средне- и высоколегированными.

В низколегированной стали суммарное содержание легирующих элементов не превышает 4-5 %. Среднелегированной называется сталь с суммарным содержанием легирующих элементов от 5 до 9 %, причем содержание каждого из них не должно превышать 5 %. Высоколегированной называют сталь, в которой содержание любого легирующего элемента превосходит 5 %, либо суммарное содержание всех легирующих элементов - более 10 %.

По микроструктуре (получаемой после охлаждения на воздухе с высокой температуры) жаропрочные стали подразделяют на семь классов: перлитный, мартенситный, мартенситно-ферритный, ферритный, аустенитно-мартенситный, аустенитно-ферритный, аустенитный.

Низколегированные стали относятся к перлитному классу, среднелегированные - к перлитному, мартенситному или мартенситно-ферритному, высоколегированные - к любому из перечисленных классов, кроме перлитного.

К сплавам на железоникелевой основе относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе. Суммарное содержание железа и никеля не менее 65 %.

К сплавам на никелевой основе относятся сплавы, содержащие не менее 50 % Ni, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в никеле (содержание железа не более 6-8 %).

Стали перлитного класса

Среди низколегированных сталей высокой жаропрочностью отличаются молибденосодержащие стали, например, хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые, хромомолибденовольфрамованадиевые, имеющие достаточно высокие сопротивление ползучести и длительную прочность при температурах до 565-580 °С. Такие стали условно называют теплоустойчивыми.

Химический состав теплоустойчивых сталей перлитного класса приведен в ГОСТ 20072-74, ГОСТ 4543-71, ТУ 14-1-1391-75. Они содержат 0,5-3,3 % Cr; 0,25-1,2 % Мо; 0,15-0,8 % V. Некоторые марки содержат 0,3-0,8 % W либо Nb.

Эти стали применяют для изготовления различных деталей в котлостроении, работающих длительное время (10 000-100 000 ч) при температурах 500-580 °С, в частности, для паропроводных и пароперегревательных труб, а также для проката и поковок, используемых в турбинах и паровых котлах высокого давления.

Механические свойства сортового металла из перлитных сталей, предусмотренные ГОСТ или существующими ТУ, а также рекомендуемые режимы термической обработки приведены в табл. 1. Механические свойства при повышенных температурах, определяемые кратковременным испытанием на растяжение, как правило, не регламентируются. Решающее значение имеют нормы длительной прочности и ползучести при рабочих температурах в зависимости от длительности службы за время 10 000-100 000 ч (табл.2). Сведения о примерном назначении сталей перлитного класса и их рабочие температуры приведены в табл. 3.

Стали мартенситного класса

Стали мартенситного класса содержат 4,5-12 % Cr, а также в значительно меньшем количестве Ni, W, Mo, V.

Стали марок 15Х5, 15Х5М, 15Х5ВФ и 15Х8ВФ широко применяют для изготовления элементов аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов - деталей насосов, задвижек, крепежных деталей, крекинговых труб, работающих при температурах 550-600 °С. Стали этой же группы с более высоким содержанием Cr (6-10 %) и с повышенным содержанием Si (2-3 %), в основном, применяют для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания.

Сталь 11Х11Н2ВМФ(ЭИ962) применяют для дисков компрессоров и для других деталей, работающих при температурах до 600 °С с ограниченным сроком службы.

Механические характеристики мартенситных сталей приведены в табл. 1 характеристики жаропрочности - в табл. 12.2.

Стали мартенситно-ферритного класса

Стали мартенситно-ферритного класса содержат в структуре кроме мартенсита 10-25 % феррита. Основная легирующая добавка и в этих сталях - Cr (11-13 %), наряду с которым присутствуют менее значительные присадки Ni, W, Mo, Nb, V (модифицированные хромистые стали). Их термическая обработка заключается либо в закалке с отпуском, либо в нормализации с отпуском. Механические свойства при надлежащей температуре отпуска практически равноценны. Уровень жаропрочных свойств после оптимальной термической обработки для большинства сталей мартенситно-ферритного класса также примерно одинаков. Однако наиболее высокие (при обработке на одинаковую твердость) характеристики жаропрочности при 500-600 °С у стали 18Х12ВМБФР(ЭИ993).

Эти стали изготовляют в виде сортового проката и применяют в турбостроении для лопаток и дисков турбин, а также для крепежных деталей. Ориентировочная рабочая температура для стали 15Х12ВНМФ(ЭИ802) - 550-580 °С и 570-600 °С - для стали 18Х12ВМБФР(ЭИ993).

Стали аустенитного класса

Стали аустенитногокласса - в основном хромоникелевые стали с содержанием Cr и Ni в пределах от 7 до 25 % каждого, наряду с которыми присутствуют W, Mo, Ti, Nb и др.

Это самая многочисленная группа жаропрочных (и жаростойких) сталей (см. ГОСТ 5632-72).

Режимы термообработки и характеристики механических свойств сортового проката из жаропрочных сталей при нормальной температуре

Характеристики механических свойств

Температура закалки или нормализации,°С

Температура отпуска (или отжига), °С

воздух или масло

воздух, масло, вода

* Сталь применяется в отожженном состоянии

Режимы термической обработки, пределы ползучести и длительной прочности легированных сталей перлитного и мартенситного классов, применяемых для длительной службы

Предел длительной прочности , МПа за время, ч

Предел ползучести, МПа, соответствующий 1% деформации за время, ч

Температура закалки или нормализации,°С

Температура отпуска, °С

Мартенситный и мартенситно-ферритный, аустенитно-ферритный

воздух, масло, вода

Примерное назначение низколегированных жаропрочных сталей перлитного класса

Рабочая
температура, ˚ С

Температура начала интенсивного окалинообразования, ˚ С

Трубы паронагревателей, паропроводов и коллекторов энергетических установок; арматура паровых котлов и паропроводов

Трубы для гидрогенизационных установок и нефтехимической аппаратуры

Поковки (роторы, диски), болты

Крепежные детали (болты, шпильки), плоские пружины

Режимы термической обработки и характеристики механических свойств сортового проката из жаропрочных аустенитных сталей (при нормальной температуре)

Характеристики механических свойств

Температура закалки, °С.

Т, °С, длительность отпуска или старения

Временное сопротивление σ_в, МПа

Предел текучести σ_0,2, МПа

Относительное удлинение δ₅, %

Относительное сужение ψ, %

Ударная вязкость КСU, Дж/см 2

670 (12-14 ч)
770-800 (10-12 ч)

воздух, масло, вода

* Применяются без отпуска. **Без закалки

В марках этих сталей приняты следующие обозначения для легирующих элементов: А - N, Б - Nb, В - W, Г - Mn, К - Co, М - Mo, Н - Ni, P - B, C - Si, T - Ti, Ф - V, X - Cr, Ю - Al. Цифра после буквы указывает на округленное (среднемарочное) содержание этого элемента в процентах (при содержании менее 1 % цифру не пишут). Исключение - углерод, содержание которого первые две цифры марки выражают в десятых процента. Например, марка 45Х14Н14В2М(ЭИ69) следующего состава: 0,45 % С, 14 % Cr, 14 % Ni, 2 % W, и ≤ 1 % Мо. Характеристики механических свойств сортового проката из жаропрочных аустенитных сталей, а также оптимальные режимы термической обработки приведены в табл. 4.

В соответствии с особенностями легированного аустенита характеристики жаропрочных свойств аустенитных сталей более высокие (табл. 5), чем у жаропрочных сталей перлитного или мартенситного классов.

Сталь 08Х18Н10Т(ЭИ914) применяют как жаропрочную и жаростойкую. При температуре до 600 °С у стали стабильные механические свойства, она устойчива против межкристаллитной коррозии и хорошо сваривается. Сталь этой марки изготовляют в виде сортового проката, поковок, листа, труб для энергетического и химического оборудования. Аналогичные свойства у стали 12Х18Н12Т, которую применяют в тех же областях техники.

У хромоникельвольфрамовых аустенитных сталей (45Х14Н14В2М(ЭИ69)) повышенные жаропрочность и сопротивление усталости при высоких температурах. Сталь 45Х14Н14В2М(ЭИ69) находит применение для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания. Для длительных сроков службы при температурах 600-650 °С рекомендуется сталь того же типа с пониженным содержанием С (до 0,15 %).

Аустенитные стали применяют, как правило, для изготовления деталей, работающих при температурах 650-700 °С весьма длительное время. Механические свойства этих сталей при температуре 20 °С похожи, но пределы длительной прочности и ползучести отличаются весьма существенно (табл. 4, 5). Наиболее жаропрочные из них стали 09Х14Н19В2БР(ЭИ695)

, которые применяют для изготовления пароперегревательных и паропроводных труб установок сверхвысокого давления.

Хромомарганцевые стали марок 30Х13Г18Ф и 37Х12Н8Г8МФБ-Ш (ЭИ-481Ш, 4Х12Н8Г8МФБ) - заменители жаропрочных сталей с более высоким содержанием никеля. Эти стали имееют достаточно высокую длительную прочность при температурах 500-650 °С.

Пределы ползучести и длительной прочности жаропрочных аустенитных сталей, применяемых для длительной службы *

Предел длительной прочности , МПа за время, ч

Предел ползучести , МПа, соответствующий 1 % деформации за время, ч

* Режимы термической обработки см. табл. 4.

** Данные из зарубежных источников для сталей близкого химического состава.

Сплавы на железо-никелевой основе

Сплавы на железо-никелевой основе могут быть разделены на две группы: 1) с содержанием 14-16 % Cr и 32-38 % Ni и 2) с содержанием 20-25 % Cr и 25-45 % Ni (либо Ni + Mn). Сплавы первой группы дополнительно легированы вольфрамом и титаном и обладают высокой (приблизительно равной) жаропрочностью (табл. 6). Сплавы второй группы благодаря повышенному содержанию Cr жаростойкие, по жаропрочным свойствам они уступают сплавам первой группы, например, сплав ХН38ВТ(ЭИ703).

Сплавы ХН35ВТ(ЭИ612), ХН35ВМТ, ХН35ВТЮ(ЭИ787) поставляют преимущественно в виде горячекатаных и кованных прутков и полос, а также поковок. Из сплавов ХН35В5Т, ХН38ВТ(ЭИ703) и 12Х25Н16Г7АР(ЭИ835), в основном, изготовляют горячекатаный и холоднокатаный лист и ленту, а из сплава ХН45Ю(ЭП747) - также и трубы. В основном, сплавы на железо-никелевой основе применяют для изготовления деталей паровых и газовых турбин.

Сплавы на никелевой основе

Сплавы на никелевой основе подразделяют на две группы (см. ГОСТ 5632-72): 1) сплавы, применяемые преимущественно как жаропрочные, и 2) жаростойкие сплавы, обладающие необходимым минимумом жаропрочности (табл. 7).

Пределы длительной прочности и ползучести сплавов на железо-никелевой основе *1

Предел длительной прочности, МПа за время ,ч

Предел ползучести *3 , , МПа

210 (1/10 4 );14 (1/10 5 )

170 (1/10 4 );130(1/10 5 )

110 (1/10 4 );80 (1/10 5 )

180 (1/10 4 );130 (1/10 5 )

120 (1/10 4 );90 (1/10 5 )

80 (1/10 4 );60 (1/10 5 )

*1 После оптимальной термической обработки.

*2 Экстраполированные значения.

*3 В скобках в числителе - деформация в %, в знаменателе - время в ч.

*4 Определено на конических образцах.

Пределы длительной прочности и ползучести сплавов на никелевой основе* 1

Предел длительной прочности, , МПа за время, ч

Пределы ползучести *3 , , МПа

270
(не менее 50 ч);
250
(не менее 65 ч)

*1 После оптимальной термической обработки.

*2 Экстраполированные значения.

*3 В скобках в числителе - деформация в %, в знаменателе - время в ч.

*4 Определено на конических образцах.

Наиболее часто применяемые сплавы первой группы относятся к системе Ni-Cr-Ti-Al. Присутствие в этих сплавах Ti и Аl в количествах, превышающих их предельную растворимость в твердом растворе при температурах 650-950 °С, позволяет достигнуть после закалки и отпуска существенного эффекта дисперсионного твердения, благодаря выделению дисперсных частиц интерметаллической фазы типа Ni₃(Тi, NiAl). Такая микроструктура делает сплав устойчивым против температурного воздействия при 700-800 °С и выше.

Введение в дисперсионно-твердеющие сплавы этой группы W и Мо (в сумме до  10 %), а также Nb дополнительно упрочняет твердый раствор, замедляет развитие диффузионных процессов и увеличивает количество дисперсной упрочняющей фазы. Количество дисперсной фазы увеличивают также путем увеличения суммарного содержания Ti и Al. Все это приводит к существенному возрастанию жаропрочности сплавов, что делает возможным их применение при температурах до 800-850 °С и высоких напряжениях.

К особенностям состава никелевых жаропрочных сплавов относится присутствие в них небольших добавок поверхностно-активных элементов (В, Се, иногда Ва и Мg), способствующих рафинированию металла и упрочнению границ зерен, а также небольшое содержание в них примесей (S, P, Pb, др.).

Термическая обработка этих сплавов заключается в одинарном или двойном нагреве до высоких температур (1080-1200 °С) с охлаждением чаще всего на воздухе и последующем отпуске при температурах 700-850 °С. Для наибольшей стабилизации исходной структуры применительно к деталям с длительным сроком службы рекомендуется проводить многоступенчатый отпуск при постепенно понижающейся температуре.

Жаропрочные никелевые сплавы изготовляют в виде сортового проката (прутки круглого сечения) и частично в виде поковок различной конфигурации.

Основное назначение этой группы высоколегированных сплавов - изготовление рабочих лопаток и дисков газовых турбин. Диски работают при более высоких напряжениях, чем лопатки (но при несколько пониженной температуре), поэтому материал диска должен иметь высокое сопротивление ползучести (особенно на ободе) и повышенную прочность (в ступичной части).

Прочность сплавов на никелевой основе сохраняется высокой вплоть до температур 800-900 °С. Так, при 800 °С временное сопротивление σ_в наиболее легированных сплавов составляет 700-800 МПа, 100-часовая длительная прочность - 250-300 МПа. В то же время характеристики пластичности δ и ψ удовлетворительны при всех температурах испытания и несколько снижаются в температурном интервале дисперсионного твердения (700-800 °С). Остаточная деформация этих сплавов при испытаниях на длительную прочность при 700-800 °С порядка 3-10 %.

В табл. 7 приведены характеристики жаропрочности никелевых сплавов.

Для длительных сроков службы наилучшее сочетание длительной прочности и пластичности у сплава ХН65ВМТЮ(ЭИ893), получившего широкое применение как материал для лопаточного аппарата стационарных газовых турбин ГТ-6, ГТН-9, ГТК-10, ГТК-16, ГТТ-12, ГТА-18, ГТУ-25, ГТУ-100. Этот сплав - основной лопаточный материал в стационарном газотурбостроении. Кроме того, благодаря исключительно высокой релаксационной стойкости этот сплав применяют для изготовления крепежных деталей турбин.

Из жаропрочных никелевых сплавов можно получать детали методом отливки (например, точным литьем по выплавляемым моделям).

Ко второй группе относятся сплавы марок ХН67МВТЮ(ЭП202), ХН60Ю(ЭИ559А), ХН70Ю(ЭИ652), ХН78Т(ЭИ435), ХН60ВТ(ЭИ868), ХН75МБТЮ(ЭИ602), применяемые преимущественно как жаростойкие. Эти сплавы, за исключением двух последних, отличаются высоким содержанием Cr (20-30 %) и практически гомогенной структурой твердого раствора после принятых режимов термической обработки (нагрев до 1000-1200 °С с охлаждением в воде или на воздухе). Эти сплавы выпускают в виде холоднокатаного или горячекатаного листа преимущественно для деталей газопроводных систем, работающих при умеренных напряжениях в условиях весьма высоких температур (до 1100-1200 °С). У этих деталей кроме достаточной технологичности (прокатываемость, штампуемость, свариваемость) и высокого сопротивления газовой коррозии (окалиностойкость) должно быть хорошее сопротивление термической усталости (термостойкость). Всем этим требованиям отвечают сплавы на никелевой основе.

У жаростойких листовых никелевых сплавов повышена пластичность в холодном и горячем состоянии, но жаропрочность ниже, чем у сплавов первой группы. Так, длительная прочность за 1000 ч составляет 40-60 МПа при 800 °С и 20-25 МПа при 900 °С (табл. 7).

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 º C . При температуре свыше +550 º C 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.

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.

Эксплуатируются при температурах 850–950 º C , применяются при изготовлении клапанов автодвигателей

Х5М, 1Х12H2ВМФ, 1Х8ВФ, Х6СМ, Х5ВФ

Эксплуатируются при температурах от 500 до 600 º C , применяются при изготовлении узлов и разнообразных деталей, работающих в течение 1000–10000 часов

Эксплуатируются при температурах не более 650 º C , применяются при изготовлении труб.

Эксплуатируются при температурах при температуре до 500 º C , применяются при изготовлении компонентов паровых турбин, функционируют без потери свойств в течение 10000 часов и более

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

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:

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 º C . 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 º C 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 º C . 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 º C , применяют тугоплавкие металлы и их сплавы (см. Таблицу 2).

Развитие новых промышленных технологий, ракетной техники, сложного турбинного оборудования в середине пятидесятых годов прошлого века, повлекло за собой модернизацию металлургической отрасли в целом. В отдельное направление выделились работы по созданию жаропрочных сплавов. С течением времени они нашли применение в атомном машиностроении, энергетике, химической промышленности и заняли место в цепочке высокотехнологических производств.

Жаропрочные и жаростойкие материалы

Жаропрочные и жаростойкие сплавы — это большая группа легированных материалов с присадками молибдена, титана, хрома и ряда других элементов. Все эти сплавы изготавливаются на железной, никелевой и кобальтовой основах. Их главной особенностью является сохранение повышенной прочности при высоких температурах.

Основные типы

Наиболее распространены сплавы на основе железа. Это хромистые, хромоникелевые, а также хромомарганцевые стали с молибденовыми, титановыми и вольфрамовыми присадками. Также производят сплавы с такими легирующими элементами, как алюминий, ниобий, ванадий, бор, но в меньших количествах.

В большинстве случаев процент добавления присадок в сталь достигает от 15 до 50%

Вторая, весьма востребованная группа — сплавы на никелевой основе. В качестве присадки используется хром. Жаропрочность также повышают добавки титана, церия, кальция, бора и сходных по составу элементов. В отдельных технологических комплексах востребованы сплавы на основе никеля с молибденом.

К третьей группе относятся термостойкие сплавы на кобальтовой основе. Легирующими элементами для них служат углерод, вольфрам, ниобий, молибден.

В металлургии существует целый ряд материалов, который используется при легировании сталей:

хром,
никель,
молибден,
ванадий,
ниобий,
титан,
марганец,
Вольфрам.
кремний,
тантал,
алюминий,
медь,
бор,
кобальт,
цирконий.

Широко используются редкоземельные элементы.

Химический состав

Определение химического состава жаростойких материалов — сложный процесс. Необходимо учитывать не только основные легирующие элементы, но и то, что попадает в продукцию как примеси или остаётся в результате химических реакций, протекающих во время плавки.

Специально добавленные легирующие элементы вводятся для получения необходимых технологических, физических и механических свойств. А примеси и образовавшиеся при плавке химические элементы могут ухудшать свойства высоколегированного металла.

Для хромоникелевых сплавов и огнеупорных материалов на основе кобальта опасно присутствие серы более 0,005%, следов олова, свинца, сурьмы и других легкоплавких металлов.

Структура и свойства

Жаропрочность определяется не только химическим составом металлов, но и формой, в которой примеси находятся в сплаве. Например, сера в виде сульфидов никеля снижает температуру плавления. А та же сера, соединённая с цирконием, церием, магнием образует тугоплавкие структуры. Большое влияние на жаропрочность оказывает чистота никеля или хрома. Однако следует учитывать, что свойства сплавов варьируются в зависимости от применяемой технологии.

Главное свойство, по которому определяют жаростойкость материала — ползучесть. Это явление постоянной деформации под непрерывным напряжением. Сопротивляемость материала разрушению под действием температуры

Классификация сплавов

Первый параметр классификации сплавов — это жаропрочность, то есть способность материала выдерживать механические деформации при высоких температурах, без деформации.

Одной из основных характеристик является предел ползучести. Это напряжение, при котором деформация материала за определённый период достигает заданной величины. Время деформации является сроком службы детали или конструкции.

Для каждого материала установлена максимальная величина пластической деформации. К примеру, у лопаток паровых турбин эти деформации должны быть не больше 1% за 10 лет. Лопатки газовых турбин — не больше 1−2% за 500 часов. Трубы паровых котлов, работающих под давлением не должны деформироваться больше чем на 1% за 100 000 часов работы.

По способу получения материала жаропрочные марки классифицируют следующим образом.

Хромистые стали мартенситного класса: Х5, Х5М, Х5ВФ, 1Х8ВФ, 4Х8С2,1Х12Н2ВМФ.
Хромистые стали мартенситно-ферритного класса: Х6СЮ, 1Х11МФ, 1Х12ВНМФ, 15Х12ВМФ, 18Х11МФБ, 1Х12В2МФ.
Хромистые стали ферритного класса:1х12СЮ, 0Х13, Х14, Х17, Х18СЮ, Х25Е, Х28.
Стали аустенито-мартенситного и аустенито-ферритного класса: 2Х13Н4Г9, Х15Н9Ю, Х17Н7Ю, 2Х17Н2, 0Х20Н14С2, Х20Н14С2.
Стали аустенитного класса: 0Х18Н10, 0Х18Н11, 1Х18Н9, 0Х18Н12Т, 1Х18Н12Т.

Маркировка сталей разнится по ГОСТам и техническим условиям. В вышеприведённом списке применяется классификация ГОСТ 5632–61 , в которой легко проследить наличие легирующего элемента по буквам. Х — хром, В — ванадий, М — молибден. Например, шифр 09Г2С означает, что в сплаве присутствует 0,09% углерода, 2% марганца и кремний, которого меньше 1%. Цифра впереди показывает содержание углерода (без цифры — до одного процента). Цифра после буквы показывает содержание определённого легирующего элемента в процентах. При содержании какого-либо элемента менее одного процента цифры не ставятся.

Ещё одним нормативным документом служит ГОСТ 5632–61 , с применением специальных обозначений. Для того чтобы быстро соотносить разные ГОСТы и Технические Условия можно воспользоваться соответствующим справочником или сортаментом отдельных выпусков.

По ГОСТ 5632–61 сплавы классифицируются следющим образом:

Стали с карбидным уплотнением: ЭИ69, ЭИ481, ЭИ590, ЭИ388, ЭИ572.
Стали сложнолегированные повышенной жаропрочности аустенитного класса: ЭИ694Р, ЭИ695, ЭП17, ЭИ726, ЭИ680, ЭП184.
Стали с интерметаллидным упрочнением аустенитного класса: ЭИ696, ЭП33, ЭИ786, ЭИ 612, ЭИ787, ЭП192, ЭП105, ЭП284.

За рубежом применяется своя классификация материалов. Например, AISI 309, AISI 310S.

Технология и применение

По структуре и способу получения специальные стали подразделяются на следующие: аустенитные, мартенситные, перлитные, мартенсито-ферритные. Мартенситные и аустенитные стали применяются, если температура достигает 450−700 о С и по объёму плавки занимают первое место.

С повышением температуры до 700−1000 о С используются никелевые сплавы, при ещё более высоких температурах необходимо включать в технологический процесс кобальтовые сплавы, графит, тугоплавкие металлы и термическую керамику.

Аустенитные — самые жаропрочные стали, которые используются, если температура среды достигает 600 о С. Основа легирования — хром и никель. Присадки Ti, Nb, Cr, Mo, W, Al.

Стали мартенситного класса предназначены для производства изделий, работающих при температуре в диапазоне 450−600 о С. Повышенная жаропрочность у мартенситных сталей достигается уменьшением (до 0.10−0.15%) содержания углерода и легированием хромом 10−12%, молибденом, ниобием, вольфрамом, либо средним (0,4%) содержанием углерода и легированием кремнием (до 2−3%) и хромом (в пределах 5−10%).

Применение специальных сталей и сплавов узконаправленное и наиболее эффективно в сложных областях производства. К примеру, жаропрочные стали марки 30Х12Н7С2 и 30Х13Н7С2С нашли широкое применение в современном двигателестроении. Марки 15ХМ и 12Х12ВНМФ — в производстве котлов и сосудов под давлением. Марка стали ХН70ВМТЮ идёт на производство лопаток газовых турбин, а 08Х17Т используется при изготовлении топочных элементов печей. К жаропрочным также относится нержавеющая сталь.

Марки нержавеющей стали

Прежде всего это ЭИ417 или 20Х23Н18 по ГОСТ 5632–61 . Аналог западноевропейских и американских производителей — известная AISI 310. Аустенитная сталь, изделия из которой востребованы для работы в среде с температурой, достигающей 1000 °C.

20Х25Н20С2, она же ЭИ283 — аустенитный сплав, устойчивый к температурам в 1200 о С и выше.

Низкоуглеродистые сплавы с содержанием хрома от 4 до 20% используется для производства листовой нержавеющей стали. Жаропрочная нержавейка по сортаменту выпускается холоднокатаной и горячекатаной, толстолистовой и тонколистовой.

Достоинства и недостатки

Свойства жаропрочных сталей делают незаменимым этот материал в таких сферах, как ракетостроение и космическая отрасль, сложное двигателестроение, авиапромышленность, производство ключевых элементов газовых турбин и многих других. Их доля в прокате высокотехнологичной стали достигает 50%. Некоторые сплавы способны работать при температуре свыше 7000° С.

Этот сложный в производстве материал, изготовление которого невозможно без специального оборудования и квалифицированного персонала, имеет высокую себестоимость. Использование подобных сталей не может быть универсальным, поэтому для его эффективного применения необходимо наличие развитой научно-технической базы.

Жаростойкость и жаропрочность являются очень важными характеристиками. Некоторые изделия машиностроения работают в очень сложных условиях при повышенных температурах. Обычные конструкционные стали при нагреве скачкообразно меняют свои механические и физические свойства, начинают активно окисляться и образовывать окалину, что совершенно неприемлемо и создает угрозу выхода из строя всего узла, а возможно, и серьезной аварии. Для работы при повышенных температурах инженеры-материаловеды при помощи металлургов создали ряд специальных сталей и сплавов. В данной статье дается их краткая характеристика.

Жаропрочные стали

Многие люди отождествляют понятие жаростойкости с таким понятием, как жаропрочность. Этого делать ни в коем случае нельзя. Жаропрочность еще называют красноломкостью. И под этим понятием подразумевают способность металла (либо сплава) сохранять высокие механические свойства при работе в условиях повышенных температур. То есть такой металл, даже будучи нагретым до красного свечения (оно характерно для температур выше 550 °С), не поползет и сохранит достаточную жесткость.

Говоря простым языком, жаропрочность – это способность материала сохранять работоспособность при нагреве до высоких температур. Обычные конструкционные стали даже при незначительном нагреве становятся пластичными, что исключает возможность их применения для изготовления изделий, работающих при высоких температурах.

Разные марки металлов и сплавов обладают различной жаропрочностью. Этот показатель зависит от химического состава материала. Испытания на жаропрочность могут проводиться на протяжении длительного времени. Но чаще всего образцы, нагретые в печи до определенной температуры, испытывают на растяжение в течение короткого отрезка времени.

Жаростойкие стали

Жаростойкость, в отличие от жаропрочности, – это способность материалов противостоять развитию коррозионных процессов при работе в условиях высоких температур. Обычные стали, если их подвергнуть нагреву (за исключением термической обработки в защитной атмосфере или в вакууме), начинают окисляться. Кроме того, при длительном нагреве углерод на поверхности изделия начинает выгорать. В результате поверхность обедняется углеродом, что приводит к резкому изменению механических свойств (прежде всего, твердости) на поверхности. Износостойкость падает. Получает развитие такое негативное явление, как задиры. Данная группа сталей может работать при температурах около 550 °С.

С целью увеличить жаростойкость стали, ее расплав легируют кремнием, алюминием и хромом. Иногда достаточно повысить жаростойкость поверхности детали. В таком случае прибегают к силицированию или алитированию (насыщению поверхностного слоя соответственно атомами кремния или алюминия) в порошковой среде.

Материалы с высокой температурой плавления

При эксплуатации в условиях особенно высоких температур рассмотренные материалы не могут использоваться, так как при температуре в районе 2000 °С начинает протекать оплавление (выделяется жидкая фаза). Для этих целей используют тугоплавкие металлы: вольфрам, ниобий, ванадий, цирконий и так далее. Эти материалы довольно дорогие, но инженеры еще не нашли для них достойной альтернативы.

Характеристика сплавов на основе хрома и никеля

Сплавы, обладающие большой жаропрочностью, очень востребованы в энергетическом машиностроении (лопатки паровых турбин, части двигателей летательных аппаратов и так далее). Причем потребность в подобных материалах постоянно растет. Более того, производство требует от ученых получения все более и более совершенных материалов, способных сохранять свою работоспособность при очень высоких температурах. Поэтому постоянно ведутся работы по увеличению показателей жаропрочности. Никель, точнее легирование этим элементом стали, способствует этому.

Все жаростойкие стали легируются никелем (не менее 65 %). В обязательном порядке имеется и хром. Содержание этого элемента не должно быть менее 14 %. В противном случае поверхность металла будет интенсивно окисляться.

Стали, дополнительно легируются алюминием, ванадием и другими тугоплавкими элементами. Алюминий, например, даже при комнатной температуре покрывается тонкой окисной пленкой, которая препятствует проникновению коррозии вглубь металла. То есть не образуется окалина.

Читайте также: