Большинство металлов и их сплавов при высоких температурах склонны вступать в реакцию с парообразной или газовой средой, что становится причиной газовой коррозии. Сущность и интенсивность этих процессов очень разнообразны и зависят от целого ряда факторов: температуры их протекания, химического состава металла и газовой среды. В большинстве случаев металл или его сплав вступает в реакцию с кислородом. Нержавеющая сталь жаростойкая является материалом, способным сопротивляться окислению при высоких температурах. Жаропрочная нержавеющая сталь дополнительно обладает способностью сопротивляться пластическим деформациям и разрушению в области высоких температур.
Химический состав и марки жаростойких сталей
Жаростойкие стали способны противостоять химическому разрушению поверхности при температурах, превышающих 5500С. Жаростойкая нержавейка применяется для работы в условиях отсутствия нагрузок или в малонагруженном состоянии
Для придания жаростойкости стали легируют хромом, алюминием, кремнием:
- стали, легированные кремнием и хромом, называются сильхромами;
- хромом и алюминием – хромалями;
- всеми тремя элементами – сильхромалями.
Кремний повышает жаростойкость сталей, работающих в окислительной атмосфере. Если газы при высоких температурах содержат значительное количество водяных паров, то в таких условиях более устойчивыми являются хромистые и хромоникелевые стали.
Жаропрочные стали – разновидности и области применения
Жаропрочная нержавейка является широко востребованным материалом. Многие детали современных механизмов испытывают высокие напряжения и нагреваются в процессе работы до высоких температур.
Основные области применения жаропрочных сталей – производство элементов двигателей внутреннего сгорания и реактивных двигателей, паровых котлов и турбин, газовых турбин, металлургических печей.
Маркировка жаропрочной стали соответствует ГОСТ 5632-72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные».
Требования, которые предъявляются к различным деталям, зависят от времени работы при высоких температурах и термических режимов.
Марки жаропрочных сталей, работающие в различных эксплуатационных условиях:
- Клапанные стали предназначены для изготовления клапанного узла – ответственного механизма, часто определяющего безремонтный срок службы мотора. Отдельные элементы клапана работают при различных нагрузках, поэтому для их изготовления применяют несколько сталей с различными характеристиками и различные виды термической обработки. В моторах с небольшой мощностью применяются сильхромы, имеющие достаточную жаростойкость в среде выхлопных газов при температурах 800-9000С. Для клапанов моторов значительной мощности используется высоколегированная сталь аустенитного класса – 45Х14Н14В2С3. Заменителями этого материала могут служить марки жаропрочной нержавейки с более низким содержанием никеля и повышенным количеством хрома и кремния.
- К котлотурбинным сталям относятся котельные и крепёжные сплавы.
- К котельной относится сталь жаропрочная низколегированная (добавки – Mo, Ni, V) с малым содержанием углерода. Её основной характеристикой является длительная прочность.
- К группе крепёжных относятся низколегированные (Mo, Ni, V) среднеуглеродистые стали. Их основное качество – предел текучести.
- Важнейшими деталями современных реактивных двигателей являются лопатки газовой турбины, турбинные диски, камеры сгорания. Аустенитные стали, используемые для изготовления такой продукции, делят на две группы.
- К первой группе относятся сплавы с содержанием хрома до 25%, их применяют в производстве камер сгорания, форсажных камер, жаровых труб.
- Стали второй группы содержат хром – не более15%, но дополнительно в их состав в повышенном количестве входят вольфрам, титан, молибден, ниобий.
Особенности сварки жаропрочных сталей
Сварка жаропрочной стали, благодаря современным сварочным материалам и технологиям, позволяет получать качественный шов, стойкий к появлению горячих трещин.
Сварные швы жаропрочных сталей склонны к образованию холодных трещин и появлению разупрочнения в зоне термического влияния.
Для борьбы с этими негативными явлениями перед сваркой используют местный или общий подогрев соединяемых элементов. Этот позволяет снизить разницу температур между зоной сварки и периферийных участков, уменьшив, тем самым, напряжения в металле.
При предварительном подогреве следует учитывать, что нельзя слишком повышать температуру изделия, поскольку это может стать причиной образования грубой ферритно-перлитной структуры. Такая микроструктура стали не способна обеспечить достаточную длительную прочность и требуемую ударную вязкость сварного соединения.
Для уменьшения опасности возникновения холодных трещин после сварки проводят отпуск изделий при температурах 150-2000С в течение нескольких часов. При отпуске завершается преобразование остаточного аустенита в мартенсит и удаляется большая часть растворённого в стали водорода.
Современные жаропрочные и жаростойкие стали отличаются высокой технологичностью, хорошей свариваемостью, оптимальным соотношением легирующих элементов.
Развитие энергетики и газотурбинной техники характеризуется непрерывным повышение рабочих температур деталей и изделий. В энергетических и транспортных установках они достигли – до 1100С и выше. Такой подъем рабочей температуры стал возможен благодаря интенсивному развитию нового класса металлических материалов – жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов. Эти материалы способны длительное время работать при высоких температурах в сложнонапряженном состоянии при одновременном воздействии агрессивной внешней среды и сохранять свои физико-механические свойства.
Сложность современных технологических решений обуславливает необходимость применения материалов с высокими технологическими свойствами.
Например, при изготовлении лопаток газотурбинных двигателей применяют такие операции как ковка или точная штамповка, механическая обработка прутков и готовых изделий, шлифовка, полировка, прецизионное литье. При изготовлении камер сгорания из листовых жаропрочных материалов широко применяют холодную штамповку, прессовку, гибку, точечную сварку, клепку. Весь этот спектр технологических свойств должен быть присущим используемому металлу.
В соответствии с классификацией материалов по назначению жаростойкими (окалиностойкими) называют стали и сплавы, которые обладают стойкостью против газовой коррозии при температурах выше 550С и работают в слабонагруженном состоянии.
Рассмотрим одну из самых распространенных и используемых сталей – 20Х23Н18. Она относиться к жаростойким сталям. Изготовляется согласно ГОСТу 5632-72. Зарубежным аналогом является сталь AISI 310S.
Жаропрочная сталь 20Х23Н18 – соновная сталь этого класса применяемая в отечественном машиностроении. Основой этой стали, как и всех жаростойких материалов используемых в высокотемпературных установках до 1350С, является железо и никель. Высокое сопротивление окислению стали связано в первую очередь с большим количеством хрома, также входящего в состав стали. Вообще, испытания жаростойких сталей показали, что содержание менее 14% Сr не оказывает существенного влияния на повышение жаростойкости. Критическая граница нижнего предела находиться где-то около 14%; выше этого хром существенно повышает жаростойкость. Особенно резко его влияние проявляется в интервале 15-23%. Однако повысить температурный предел работы никелевых и железных сплавов путем дальнейшего увеличение содержания хрома не удается. Дело в том, что с увеличением содержания хрома свыше 30% заметно снижается температура плавления железных и никелевых сплавов, но главное – сплавы становятся нетехнологичными в металлургическом производстве. Вообще вся теория легирования никелевых жаростойких сталей построена на изучении влияния других легирующих элементов на основу Cr-Ni.
Присутствие в стали 20Х23Н18 углерода ограниченно 0,2% (по массе). Увеличение содержания углерода приводит к тому, что жаростойкость сплава Cr-Ni снижается, вследствие связывания хрома в карбиды и обеднения твердого раствора хромом.
Рассмотрим основные эксплуатационно-технологические свойства стали 20Х23Н18:
- Сталь выплавляется в открытых дуговых печах.
- Температура деформации – начало 1180, конец выше 900С, охлаждение после деформации на воздухе.
- Рекомендуемые режимы термической обработки:
а) нагрев 1100 – 1150С, охлаждение на воздухе, в масле или воде;
б) нагрев до 1160 – 1180С, охлаждение в воде, старение при 800С, выдержка 4-5 ч. - Сталь сваривается электродами ЦТ-19.
Поскольку жаростойкие сплавы на основе железа и никеля не претерпевают фазовых превращений, термическая обработка для них состоит в высокотемпературном нагреве для выращивания зерна определенного размера либо с целью снятия внутренних напряжений.
Одним из важных значений в развитии жаростойких сталей имеют вопросы экономики. Экономичность стали определяется тремя главными показателями: экономным легированием, технологичностью при переделе металла и выходом годной продукции, уровнем эксплуатационных характеристик. Жаропрочная сталь 20Х23Н18 (AISI 310S) отличается высокой технологичностью, имеет повышенную жаропрочность и пластичность, хорошо сваривается. В этой стали воплощены наиболее оптимальные соотношения легирующих элементов.
Ввиду высоких технологических и экономических показателей данной стали она получила самое широкое применение в промышленности, поскольку может работать в условиях сложнонапряженного состояния, характеризующегося постоянным изменением величины и знака нагрузок, имеет высокое сопротивление усталости и коррозии при высоких температурах.
Вот краткое описание области применения жаропрочной стали : рабочие и направляющие лопатки, поковки и бандажи, работающие при температурах 650-700С, детали камер сгорания и другое печное оборудование, работающее при температурах 1000-1150С и т.д.
Плоский и сортовой прокат из стали 20Х23Н18 – основная складская позиция компании “АВЕРС-Спецсталь” отгружается моментально со склада в москве или с незначительной заделжкой, вызванной транспортировкой товара с региональных складов.
Жаропрочностьюназывается способность материала длительно сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах.
При длительном нагружении при высоких температурах поведение материала определяется диффузионными процессами. Для этих условий характерны процессы ползучести и релаксации напряжений.
Ползучесть представляет собой медленное нарастание пластической деформации под действием напряжений, меньших предела текучести. Ползучесть приводит к релаксации (постепенному уменьшению) напряжений в предварительно нагруженных деталях.
Критериями жаропрочности являются предел ползучести и предел длительной прочности.
Пределом ползучести называется напряжение, под действием которого материал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре. В обозначении предела ползучести указывают температуру, величину деформации и время, за которое она возникает. Например, МПа означает, что под действием напряжения 100 МПа за 100 000 ч при температуре 550 °С в материале появится пластическая деформация 1 %.
Пределом длительной прочности называют напряжение, которое вызывает разрушение материала при заданной температуре за определенное время. В обозначении предела длительной прочности указывают температуру и время разрушения. Например, =130 МПа означает, что при температуре 600 °С материал выдержит действие напряжения 130 МПа в течение 10000 часов. Предел длительной прочности всегда меньше предела прочности, определяемого при кратковременных испытаниях при той же температуре.
Основной путь повышения жаропрочности – создание в материалах крупнозернистой структуры с однородным распределением мелких частиц упрочняющих фаз внутри зерен и на их границах. Для получения оптимальной структуры в жаропрочных сталях используют комплексное легирование, и по химическому составу эти материалы сложнее обычных легированных сталей и сплавов.
Упрочняющими фазами в жаропрочных сталях служат карбиды. Эффективность упрочнения определяется свойствами частиц и их распределением. Чем они мельче и чем ближе находятся друг от друга, тем выше жаропрочность.
Для упрочнения границ в жаропрочные стали и сплавы вводят малые добавки (0,1…0,01 %) легирующих элементов, которые концентрируются по границам зерен. Особенно часто в этих целях используют бор, церий и другие редкоземельные металлы.
Дополнительными мерами повышения жаропрочности служат:
1) термомеханическая обработка для получения структуры полигонизации;
2) увеличение прочности межатомных связей в сталях, когда благодаря легированию ОЦК решетка заменяется ГЦК решеткой;
3) создание анизотропной структуры направленной кристаллизацией.
Ниже 450 °С вполне пригодны обычные конструкционные стали и нет необходимости заменять их жаропрочными сталями.
При температурах 450…700 °С используются перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали с жаропрочными свойствами =80…120МПа и =30…90 МПа.
К перлитным жаропрочным сталям относятся такие стали, как 12ХМФ и 25Х2М1Ф с максимальной рабочей температурой 580 °С, легированные карбидообразующими химическими элементами, такими как хром, молибден и ванадий. Эти стали используются главным образом в котлостроении.
Мартенситные стали предназначены для изделий, работающих при температурах до 600 °С, и от перлитных сталей отличаются повышенной стойкостью к окислению в атмосфере пара или топочных газов.
К мартенситным жаропрочным сталям относятся такие стали, как 15Х5М, 15Х11МФ, 11Х11Н2В2МФ и 40Х10С2М (сильхром), с повышенным содержанием хрома. Сильхромы характеризуются повышенной жаростойкостью в среде горячих выхлопных газов и используются для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания.
Аустенитные жаропрочные стали по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали и используются при температурах от 600 до700 °С. Основными легирующими элементами являются хром и никель, для образования карбидов вводят Mo, Nb, Ti, Al, W и др. Примеры аустенитных жаропрочных сталей: 12Х18Н10Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н20Т3Р.
Контрольные вопросы
1. Какие марки жаропрочных сталей Вы знаете?
2. Какие марки жаростойких сталей Вы знаете?
3. Как можно повысить жаропрочность сталей?
4. Какие детали следует изготавливать из жаропрочных сталей?
5. Какие марки жаростойких и жаропрочных сталей относятся к аустенитному классу?
6. Какие марки жаростойких и жаропрочных сталей относятся к мартенситному и мартенситно-ферритному классу?
7. Какие марки жаростойких и жаропрочных сталей обладают интерметаллидным упрочнением?
8. Как расшифровать марку жаростойкого сплава ХН60Ю3?
9. Что означает МПа?
10. Из какого материала изготавливают клапаны двигателей внутреннего сгорания?
11. В каком случае следует заменить конструкционные стали на жаропрочные?
12. В чем заключается критерий жаропрочности?
13. Какие основные легирующие элементы повышают жаропрочность в жаропрочных сталях?
14. Какие марки сталей применяются для работы при температурах 550…800 °С?
15. Из какой стали изготавливают нагревательные котлы?
16. Как расшифровывается марка стали 45Х14Н14В2М?
Коррозия электрохимическая и химическая.
Классификация коррозионно-стойких сталей и сплавов
Хромистые стали.
Жаростойкость, жаростойкие стали и сплавы.
Жаропрочность, жаропрочные стали и сплавы
Классификация жаропрочных сталей и сплавов
Коррозия электрохимическая и химическая.
Разрушение металла под воздействием окружающей среды называют коррозией .
Коррозия помимо уничтожения металла отрицательно влияет на эксплуатационные характеристики деталей, содействуя всем видам разрушения.
Коррозия в зависимости от характера окружающей среды может быть химической и электрохимической.
Электрохимическая коррозия имеет место в водных растворах, а так же в обыкновенной атмосфере, где имеется влага.
Сущность этой коррозии в том, что ионы металла на поверхности детали, имея малую связь с глубинными ионами, легко отрываются от металла молекулами воды.
Металл, потеряв часть положительно заряженных частиц, ионов, заряжается отрицательно за счет избыточного количества оставшихся электронов. Одновременно слой воды, прилегающий к металлу, за счет ионов металла приобретает положительный заряд. Разность зарядов на границе металл – вода обуславливает скачок потенциала, который в процессе коррозии изменяется, увеличиваясь от растворения металла, и уменьшаясь от осаждения ионов из раствора на металле.
Если количество ионов переходящих в раствор и осаждающихся на металле одинаково, то скорости растворения и осаждения металла равны и процесс коррозии (разрушения металла) не происходит. Этому соответствует равновесный потенциал .
За нулевой потенциал принимают равновесный потенциал водородного иона в водном растворе при концентрации положительных ионов водорода, равной 1 моль ионов + на 1 литр.
Стандартные потенциалы других элементов измерены по отношению к водородному потенциалу.
Металлы, стандартный потенциал которых отрицательный – корродируют в воде, в которой растворен кислород тем активнее, чем отрицательней значение электрохимического потенциала.
Уходящие ионы металла, взаимодействуя с ионами , образуют гидроксиды, нерастворимые в воде, которые называютржавчиной, а процесс их образования –ржавлением.
Схема ржавления железа:
;
Гидроксид железа в присутствии кислорода, растворенного в воде, превращается в. Так как это нерастворимое соединение, то равновесный потенциал не может быть достигнут и коррозия будет продолжаться до полного разрушения.
В зависимости от структуры коррозия имеет разное проявление: при однородном металле – коррозия происходит равномерно по всей поверхности. При неоднородном металле – коррозия избирательная и называется точечной. Это явление наиболее опасно, так как приводит к быстрой порче всего изделия. Избирательная коррозия создает очаги концентрации напряжений, что содействует разрушению.
Химическая коррозия может происходить за счет взаимодействия металла с газовой средой при отсутствии влаги. Продуктом коррозии являются оксиды металла. Образуется пленка на поверхности металла толщиной в 1…2 периода кристаллической решетки. Этот слой изолирует металл от кислорода и препятствует дальнейшему окислению, защищает от электрохимической коррозии в воде. При создании коррозионно-стойких сплавов – сплав должен иметь повышенное значение электрохимического потенциала и быть по возможности однофазным.
Классификация коррозионно-стойких сталей и сплавов
Коррозионная стойкость может быть повышена, если содержание углерода свести до минимума, если ввести легирующий элемент, образующий с железом твердые растворы в таком количестве, при котором скачкообразно повысится электродный потенциал сплава.
Важнейшими коррозионно-стойкими техническими сплавами являются нержавеющие стали с повышенным содержанием хрома: хромистые и хромоникелевые. На рис. 20.1 показано влияние количества хрома в железохромистых сплавах на электрохимический потенциал сплава.
Рис 20.1. Влияние хрома на потенциал сплавов
Хромистые стали.
Коррозионная стойкость объясняется образованием на поверхности защитной пленки оксида .
Углерод в нержавеющих сталях является нежелательным, так как он обедняет раствор хромом, связывая его в карбиды, и способствует получению двухфазного состояния. Чем ниже содержание углерода, тем выше коррозионная стойкость нержавеющих сталей.
Различают стали ферритного класса 08Х13, 12Х17, 08Х25Т, 15Х28. Стали с повышенным содержанием хрома не имеют фазовых превращений в твердом состоянии и поэтому не могут быть подвергнуты закалке. Значительным недостатком ферритных хромистых сталей является повышенная хрупкость из-за крупнокристаллической структуры. Эти стали склонны к межкристаллитной коррозии (по границам зерен) из-за обеднения хромом границ зерен. Для избежания этого вводят небольшое количество титана. Межкристаллитная коррозия обусловлена тем, что часть хрома около границ зерна взаимодействует с углеродом и образует карбиды. Концентрация хрома в твердом растворе у границ становится меньше 13% и сталь приобретает отрицательный потенциал.
Из-за склонности к росту зерна ферритные стали требуют строгих режимов сварки и интенсивного охлаждения зоны сварного шва. Недостатком является и склонность к охрупчиванию при нагреве в интервале температур 450…500 o С
Из ферритных сталей изготавливают оборудование азотно-кислотных заводов (емкости, трубы).
Для повышения механических свойств ферритных хромистых сталей в них добавляют 2…3 % никеля. Стали 10Х13Н3, 12Х17Н2 используются для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих в агрессивных средах.
После закалки от температуры 1000 o C и отпуска при 700…750 o С предел текучести сталей составляет 1000 МПа.
Термическую обработку для ферритных сталей проводят для получения структуры более однородного твердого раствора, что увеличивает коррозионную стойкость.
Стали мартенситного класса 20Х13, 30Х13, 40Х13. После закалки и отпуска при 180…250 o С стали 30Х13, 40Х13 имеют твердость 50…60 HRC и используются для изготовления режущего инструмента (хирургического), пружин для работы при температуре 400…450 o , предметов домашнего обихода.
Стали аустенитного класса – высоколегированные хромоникелевые стали.
Никель – аустенитообразующий элемент, сильно понижающий критические точки превращения. После охлаждения на воздухе до комнатной температуры имеет структуру аустенита.
Нержавеющие стали аустенитного класса 04Х18Н10, 12Х18Н9Т имеют более высокую коррозионную стойкость, лучшие технологические свойства по сравнению с хромистыми нержавеющими сталями, лучше свариваются. Они сохраняют прочность до более высоких температур, менее склонны к росту зерна при нагреве и не теряют пластичности при низких температурах.
Хромоникелевые стали коррозионностойки в окислительных средах. Основным элементом является хром, никель только повышает коррозионную стойкость.
Для большей гомогенности хромоникелевые стали подвергают закалке с температуры 1050…1100 o C в воде. При нагреве происходит растворение карбидов хрома в аустените. Выделение их из аустенита при закалке исключено, так как скорость охлаждения велика. Получают предел прочности= 500…600 МПа, и высокие характеристики пластичности, относительное удлинение= 35…45%.
Упрочняют аустенитные стали холодной пластической деформацией, что вызывает эффект наклепа. Предел текучести при этом может достигнуть значений 1000…1200 МПа, а предел прочности – 1200…1400 МПа.
Для уменьшения дефицитного никеля часть его заменяют марганцем (сталь 40Х14Г14Н3Т) или азотом (сталь 10Х20Н4АГ11).
Аустенитно-ферритные стали 12Х21Н5Т, 08Х22Н6Т являются заменителями хромоникелевых сталей с целью экономии никеля.
Свойства сталей зависят от соотношения ферритной и аустенитной фаз (оптимальные свойства получают при соотношении – Ф:А=1:1). Термическая обработка сталей включает закалку от температуры 1100…1150 o C и отпуск-старение при температуре 500…750 o C.
Аустенитно-ферритные стали не подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением: трещины могут возникать только на аустенитных участках, но ферритные участки задерживают их развитие. При комнатных температурах аустенитно-ферритные стали имеют твердость и прочность выше, а пластичность и ударную вязкость ниже, чем стали аустенитного класса.
Кроме нержавеющих сталей в промышленности применяют коррозионно-стойкие сплавы – это сплавы на никелевой основе. Сплавы типахастеллой содержат до 80 % никеля, другим элементом является молибден в количестве до 15…30 %. Сплавы являются коррозионно-стойкими в особо агрессивных средах (кипящая фосфорная или соляная кислота), обладают высокими механическими свойствами. После термической обработки – закалки и старения при температуре 800 o С – сплавы имеют предел прочностиМПа, и твердость. Недостатком является склонность к межкристаллической коррозии, поэтому содержание углерода в этих сплавах должно быть минимальным.
Жаростойкость, жаростойкие стали и сплавы.
Жаростойкость (окалиностойкость) – это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени.
Если изделие работает в окислительной газовой среде при температуре 500..550 o C без больших нагрузок, то достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей).
Сплавы на основе железа при температурах выше 570 o C интенсивно окисляются, так как образующаяся в этих условиях на поверхности металла оксид железа(вюстит) с простой решеткой, имеющей дефицит атомов кислорода (твердый раствор вычитания), не препятствует диффузии кислорода и металла. Происходит интенсивное образование хрупкой окалины.
Рис. 20.2. Влияние хрома на жаростойкость хромистой стали
Для повышения жаростойкости в состав стали вводят элементы, которые образуют с кислородом оксиды с плотным строением кристаллической решетки (хром, кремний, алюминий).
Степень легированости стали, для предотвращения окисления, зависит от температуры. Влияние хрома на жаростойкость хромистой стали показано на рис.20.2.
Высокой жаростойкостью обладают сильхромы, сплавы на основе никеля – нихромы, стали 08Х17Т, 36Х18Н25С2, 15Х6СЮ.
Жаропрочность, жаропрочные стали и сплавы
Жаропрочность – это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах.
Жаропрочные материалы используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах, когда имеет место явление ползучести.
Критериями оценки жаропрочности являются кратковременная и длительная прочности, ползучесть.
Кратковременная прочность определяется с помощью испытаний на растяжение разрывных образцов. Образцы помещают в печь и испытывают при заданной температуре. Обозначают кратковременную прочность=, например300oС = 300МПа.
Прочность зависит от продолжительности испытаний.
Пределом длительной прочности называется максимальное напряжение, которое вызывает разрушение образца при заданной температуре за определенное время.
Например = 200 МПа, верхний индекс означает температуру испытаний, а нижний – заданную продолжительность испытания в часах. Для котельных установок требуется невысокое значение прочности, но в течение нескольких лет.
Ползучесть – свойство металла медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре.
При испытаниях образцы помещают в печь с заданной температурой и прикладывают постоянную нагрузку. Измеряют деформацию индикаторами.
При обычной температуре и напряжениях выше предела упругости ползучесть не наблюдается, а при температуре выше 0,6Т пл, когда протекают процессы разупрочнения, и при напряжениях выше предела упругостинаблюдается ползучесть.
В зависимости от температуры скорость деформации при постоянной нагрузке выражается кривой состоящей из трех участков (рис. 20.3):
Рис. 20.3. Кривая ползучести
ОА – упругая деформация образца в момент приложения нагрузки;
АВ – участок, соответствующий начальной скорости ползучести;
ВС – участок установившейся скорости ползучести, когда удлинение имеет постоянную скорость.
Если напряжения достаточно велики, то протекает третья стадия (участок СД), связанная с началом разрушения образца (образование шейки).
Для углеродистых сталей ползучесть наблюдается при нагреве выше 400 o С.
Предел ползучести – напряжение, которое за определенное время при заданной температуре вызывает заданное суммарное удлинение или заданную скорость деформации.
НапримерМПа, где верхний индекс – температура испытания в o С, первый нижний индекс – заданное суммарное удлинение в процентах, второй – заданная продолжительность испытания в часах.
Классификация жаропрочных сталей и сплавов
В качестве современных жаропрочных материалов можно отметить перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, никелевые и кобальтоавые жаропрочные сплавы, тугоплавкие металлы.
При температурах до 300 o C обычные конструкционные стали имеют высокую прочность, нет необходимости использовать высоколегированные стали.
Для работы в интервале температур 350…500 o C применяют легированные стали перлитного, ферритного и мартенситного классов.
Перлитные жаропрочные стали . К этой группе относятся котельные стали и сильхромы. Эти стали применяются для изготовления деталей котельных агрегатов, паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания. Стали содержат относительно мало углерода. Легирование сталей хромом, молибденом и ванадием производится для повышения температуры рекристаллизации (марки 12Х1МФ, 20Х3МФ). Используются в закаленном и высокоотпущенном состоянии. Иногда закалку заменяют нормализацией. В результате этого образуются пластинчатые продукты превращения аустенита, которые обеспечивают более высокую жаропрочность. Предел ползучести этих сталей должен обеспечить остаточную деформацию в пределах 1 % за время 10000…100000 ч работы.
Перлитные стали обладают удовлетворительной свариваемостью, поэтому используются для сварных конструкций (например, трубы пароперегревателей).
Для деталей газовых турбин применяют сложнолегированные стали мартенситного класса 12Х2МФСР, 12Х2МФБ, 15Х12ВНМФ. Увеличение содержания хрома повышает жаростойкость сталей. Хром, вольфрам, молибден и ванадий повышают температуру рекристаллизации, образуются карбиды, повышающие прочность после термической обработки. Термическая обработка состоит из закалки от температур выше 1000 o С в масле или на воздухе и высокого отпуска при температурах выше температуры эксплуатации.
Для изготовления жаропрочных деталей, не требующих сварки (клапаны двигателей внутреннего сгорания), применяются хромокремнистые стали – сильхромы: 40Х10С2М, 40Х9С2, Х6С.
Жаропрочные свойства растут с увеличением степени легированности. Сильхромы подвергаются закалке от температуры около 1000 o С и отпуску при температуре 720…780 o С.
При рабочих температурах 500…700 o C применяются сталиаустенитного класса. Из этих сталей изготавливают клапаны двигателей, лопатки газовых турбин,сопловые аппараты реактивных двигателей и т.д.
Основными жаропрочными аустенитными сталями являются хромоникелевые стали, дополнительно легированные вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Стали содержат 15…20 % хрома и 10…20 % никеля. Обладают жаропрочностью и жаростойкостью, пластичны, хорошо свариваются, но затруднена обработка резанием и давлением, охрупчиваются в интервале температур около 600 o С, из-за выделения по границам различных фаз.
По структуре стали подразделяются на две группы:
1. Аустенитные стали с гомогенной структурой 17Х18Н9, 09Х14Н19В2БР1,12Х18Н12Т. Содержание углерода в этих сталях минимальное. Для создания большей однородности аустенита стали подвергаются закалке с 1050…1100 o С в воде, затем для стабилизации структуры – отпуску при 750 o С.
2. Аустенитные стали с гетерогенной структурой 37Х12Н8Г8МФБ, 10Х11Н20Т3Р.
Термическая обработка сталей включает закалку с 1050…1100 o С. После закалки старение при температуре выше эксплуатационной (600…750 o С). В процессе выдержки при этих температурах в дисперсном виде выделяются карбиды, карбонитриды, вследствие чего прочность стали повышается.
Детали, работающие при температурах 700…900 o C, изготавливают из сплавов на основе никеля и кобальта (например, турбины реактивных двигателей).
Никелевые сплавы преимущественно применяют в деформированном виде. Они содержат более 55 % никеля и минимальное количество углерода (0,06…0,12 %). По жаропрочным свойствам превосходят лучшие жаропрочные стали.
По структуре никелевые сплавы разделяют на гомогенные (нихромы) и гетерогенные (нимоники).
Нихромы. Основой этих сплавов является никель, а основным легирующим элементом – хром (ХН60Ю, ХН78Т).
Нихромы не обладают высокой жаропрочностью, но они очень жаростойки. Их применяют для малонагруженных деталей, работающих в окислительных средах, в том числе и для нагревательных элементов.
Нимоники являются четвертными сплавами никель – хром (около 20 %) – титан (около 2%) – алюминий (около 1 %) (ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТФКЮ). Используются только в термически обработанном состоянии. Термическая обработка состоит из закалки с 1050…1150 o С на воздухе и отпуска – старения при 600…800 o С.
Увеличение жаропрочности сложнолегированных никелевых сплавов достигается упрочнением твердого раствора введением кобальта, молибдена, вольфрама.
Основными материалами, которые могут работать при температурах выше 900 o C (до 2500 o С), являютсясплавы на основе тугоплавких металлов – вольфрама, молибдена, ниобия и других.
Температуры плавления основных тугоплавких металлов: вольфрам – 3400 o С, тантал – 3000 o С, молибден – 2640 o С, ниобий – 2415 o С, хром – 1900 o С.
Высокая жаропрочность таких металлов обусловлена большими силами межатомных связей в кристаллической решетке и высокими температурами рекристаллизации.
Наиболее часто применяют сплавы на основе молибдена. В качестве легирующих добавок в сплавы вводят титан, цирконий, ниобий. С целью защиты от окисления проводят силицирование, на поверхности сплавов образуется слой MoSi 2 толщиной 0,03…0,04 мм. При температуре 1700 o С силицированные детали могут работать 30 часов.
Вольфрам – наиболее тугоплавкий металл. Его используют в качестве легирующего элемента в сталях и сплавах различного назначения, в электротехнике и электронике (нити накала, нагреватели в вакуумных приборах).
В качестве легирующих элементов к вольфраму добавляют молибден, рений, тантал. Сплавы вольфрама с рением сохраняют пластичность до –196 o С и имеют предел прочности 150 МПа при температуре 1800 o С.
Для сплавов на основе вольфрама характерна низкая жаростойкость, пленки образующихся оксидов превышают объем металла более, чем в три раза, поэтому они растрескиваются и отслаиваются Изготавливают изделия, работающие в вакууме).
На нашем складе в Москве представлен широкий ассортимент продукции из жаропрочной стали различных марок. Высокое качество реализуемых изделий подтверждено сертификатами производителей и соответствует требованиям международных стандартов. К отечественным маркам жаропрочной нержавейки в нашем каталоге относятся: 08Х13, 08Х17, 08Х18Т1, 10Х23Н18, 12Х13, 12Х17, 14Х17Н2, 20Х23Н18, 20Х13, 30Х13 и 40Х13. Из зарубежных аналогов следует отметить стали AISI 310, AISI 310S и AISI 321.
Типоразмеры и стоимость товара постоянно обновляются, поэтому обращайтесь к нашим менеджерам, чтобы быстро и правильно оформить свой заказ.
Определение и типы жаропрочки
Жаропрочная нержавеющая сталь – это сплав, который благодаря своим физико-химическим свойствам устойчив к действию агрессивных химических веществ и механическому износу при температурах свыше 500 °С. Такие высокие эксплуатационные свойства достигаются благодаря включению в состав материала большого количества легирующих элементов. Хром, никель, титан способствуют упрочнению кристаллической решетки металла и препятствуют активному распространению процессов окисления. Жаропрочка не подвергается пластической деформации при высоких температурах, не образует ржавчину и окалину.
Разделение жаропрочной нержавейки на типы обусловлено различным содержанием легирующих элементов, отличием в способах легирования, конечным назначением стали. Выделяют 4 группы нержавеющих жаропрочных сплавов:
- аустенитные с содержанием хрома до 26%, никеля до 25%, молибдена до 6%;
- ферритные, в составе которых присутствуют не более 0,2% углерода и до 27% хрома;
- ферритно-аустенитные (смешанные, или дуплексные) стали с включением 18-28% хрома и до 8% никеля;
- мартенситные содержат хрома 10-13% и углерода не более 1%.
Марки жаропрочной нержавейки
К основным маркам жаропрочных нержавеющих сталей, выпускаемых отечественной и зарубежной металлургической промышленностью, относятся:
- 20Х20Н14С2, известная также под наименованием ЭИ211 (импортный аналог AISI 309) – вид высоколегированного хромоникелевого сплава, содержащего хром и никель до 22% и 15% соответственно;
- 20Х23Н18 либо ЭИ417 (аналог западноевропейских и американских производителей AISI 310) – аустенитная тугоплавкая сталь, изделия из которой находят применение в восстанавливающей среде с температурой до 1000 °С и окисляющих условиях эксплуатации до 1100 °С;
- 10Х23Н18 или ЭИ417 (AISI 310S) – низкоуглеродистая модификация сплава AISI 310, необходимость использования которой обусловлено наличием коррозийной среды из-за влияния конденсатов и высокотемпературных газов;
- 20Х25Н20С2 либо ЭИ283 (аналог зарубежной стали под маркой AISI 314) – немагнитный, незакаливаемый, аустенитный сплав, устойчивый к сверхвысоким температурам.
Применение жаропрочных нержавеющих сталей
Использование жаропрочных сплавов той или иной марки обусловлено особенностями среды эксплуатации, нагрузками:
- 20Х20Н14С2 (AISI 309) – из стали этой марки производят детали и узлы термических печей, конвейеров, ящиков для цементации;
- 20Х23Н18 (AISI 310) используется для изготовления деталей конвейерных лент транспортеров печей, установок термической обработки, камер сжигания топлива (включая двигатели внутреннего сгорания), моторов, газовых турбин, дверей;
- 10Х23Н18 (AISI 310S) применяют в основном в механизмах, установках и агрегатах для транспортировки горячих газов – турбины, аппараты для конверсии метана, выхлопные системы, газопроводы высокого давления, нагревательные элементы;
- 20Х25Н20С2 (AISI 314) находит применение в области строительства печей – металлопродукция из нержавеющей жаропрочной стали этой марки используется для изготовления печных экранов, роликов, котельных подвесок.
Особенности сваривания
Современные методы сварки позволяют получать прочные сварные швы, устойчивые к образованию горячих трещин на деталях из жаропрочных нержавеющих сталей. Однако сплавы этого типа склонны к разупрочнению и разрушению холодного шва. Для устранения недостатка производится общий или локальный нагрев материала с целью минимизации разницы температур на периферии и в точках сварки для снижения напряжения. После сварки осуществляется отпуск готовых изделий на протяжении нескольких часов при температуре до 2000 °С. В результате отпуска удаляется основная часть растворенного в структуре водорода, а остаточный аустенит преобразуется в мартенсит.
