Жаропрочная сталь
Жаропрочность и жаростойкость материалов
Жаропрочная сталь используется при изготовлении разных деталей, которые контактируют с агрессивными средами, при этом подвергаются значительным нагрузкам, вибрациям и высокому термическому воздействию. К примеру, сюда относятся следующие изделия: турбины, печи, котлы, компрессоры и т.п. Далее представлены характеристики термостойких, жаропрочных сплавов, классификация, марки, особенности их применения.
| Жаропрочные стали и сплавы | Жаростойкие стали (их также называют окалиностойкими) |
| это материалы, устойчивые к высоким температурам, которые составляют треть от температуры плавления данного сплава | это материалы, которые работают при температурах выше 550 °C в газовой среде, их поверхность при этом не разрушается под действием коррозии |
| Главная характеристика материалов | |
| жаропрочность – способность работать при высокой температуре под напряжением и при этом сохранять свою целостность и практически не деформироваться. | жаростойкость – устойчивость к окислению во время эксплуатации при высокой температуре |
| Марки стали | |
| 08Х17Т, 1Х13Ю4, 20Х13, 15Х12ВН14Ф, 05Х27Ю5, 30Х13, др. | 08Х17Т, 15Х28, 15Х25Т, 15Х6СЮ, 40Х10С2М, 36Х18Н25С2, 20Х23Н13, 10Х23Н18, др. |
Жаростойкая сталь (или окалиностойкая) – металлический сплав, используемый в ненагруженном или слабонагруженном состоянии и способный на протяжении длительного времени в условиях высоких температур (более 550 ºС) сопротивляться газовой коррозии. Жаропрочные металлы – изделия, которые под высоким термическим воздействием сохраняют свою структуру, не разрушаются, не поддаются пластической деформации. Важная характеристика таких металлов – условный предел ползучести и длительной прочности.
Для повышения жаростойкости материала используются легирующие добавки, которые также улучшают прочность металлов и некоторые другие его свойства. Благодаря легированию на поверхности сплавов образуется защитная пленка, снижающая скорость окисления изделий. Основные легирующие элементы в химическом составе материалов: никель, хром, кремний.
Жаропрочные марки металлов – сплавы на основе железа, никеля, титана, кобальта, упрочненные выделениями избыточных фаз (карбидов, карбонитридов и др.). Жаропрочностью обладают хромоникелевые и хромоникелевомарганцевые сплавы. Под воздействием высоких температур они не склонны к ползучести (медленная деформация при наличии постоянных нагрузок). Температура плавления жаропрочной стали составляет 1400-1500 °С.
Для повышения жаропрочности в производстве сплавов используют специальный тугоплавкий металл (это может быть вольфрам, железо, ванадий, тантал), который может увеличить температуру эксплуатации до 2000°. Чтобы снизить склонность металла к деформациям в качестве легирующих компонентов добавляют такие вещества, как рений, ниобий, цирконий, молибден.
Сферы применения жаропрочных и жаростойких материалов
|
Жаропрочные стали в промышленности |
||
|
Машино- и автомобилестроение |
Строительство |
Энергетика |
|
детали корпусов, элементы двигателей внутреннего сгорания, болты и гайки, высоконагруженные элементы, элементы выхлопных систем |
фланцы, поковки, штуцера, прутки, шпильки, крепежи, теплообменные конструкции, арматурные элементы |
валы, роторные конструкции, трубы, компоненты дисков компрессоров, дефлекторы, корпусы камер сгорания |
Конструкции, которые производят из жаростойких сплавов могут использоваться там, где на них будет постоянно воздействовать газовая среда с окислительными свойствами и высокие температуры. Но не выше 550°, т. к. тогда на поверхности материала образуется оксидная пленка, т. е. окалина. Избежать этого можно, если добавить в химический состав более высокое содержание хрома (Cr), а также такие элементы как кремний (Si) и алюминий (Al). Они укрепляют кристаллическую решетку металла и улучшают свойство “окалиностойкость”.
Жаропрочные сплавы могут долго выдерживать высокие температуры и при этом не демонстрировать признаков ползучести. Предел ползучести материала – это важный параметр жаропрочных сплавов и является показателем максимального напряжения, которое разрушает разогретый материал.
Применяют такие материалы для изготовления различных элементов паровых турбин, нагревательных печей, выхлопных систем, в производстве клапанов двигателя автомобиля, печного оборудования, бесшовных труб, жаропрочных труб, тонколистового металлопроката и др. Везде, где требуются жаропрочные и жаростойкие свойства, как для промышленного производства, так и бытового использования в сложных условиях.
Классификация жаропрочных и жаростойких сталей
Различают следующие виды:
|
Аустенитные стали |
сплавы с большим количеством никеля в своем составе, такие сплавы очень пластичные и прочные, хорошо поддаются обработке и сварке, применяются в машиностроении |
|
Мартенситные стали |
стали и сплавы, в химический состав которых входит повышенное содержание углерода, прочные и твердые, из такой жаропрочной стали изготавливают лезвия ножей, бритв, лопасти паровых турбин, различные детали |
|
Перлитные стали |
сплавы с низким и средним содержанием легированных компонентов, удобны в плане обработки, устойчивы к коррозии, применяются для изготовления деталей трубопроводов, коллекторов, парогенераторов |
|
Ферритные стали |
менее пластичные, чем аустенитные, но очень прочные, обладают устойчивостью к агрессивным средам, а также магнитными свойствами, не поддаются термической обработке, находят применение в автомобилестроении, производстве бытовой техники |
|
Мартенситно-ферритные стали |
состоят из мартенсита с не менее 10% феррита |
|
Аустенитно-ферритные (дуплексные) стали |
сплавы феррита и аустенита с высокой прочностью, ударной вязкостью и устойчивостью к коррозии, применяются в промышленности |
Аустенитные стали и сплавы характеризуются наличием никеля, что отличает их от остальных видов стали, а вот содержание углерода в них незначительное. Содержание хрома в химическом составе придает такой стали жаростойкость. Это жаропрочные нержавеющие сплавы, на поверхности которых во время длительной эксплуатации при высоких температурах до 1000° не образуется окалина.