жаропрочные стали что это

Характеристики жаростойкой стали и жаропрочного металла

Окалино- или жаростойкость – это способность металлов или сплавов длительное время противостоять газовой коррозии в условиях повышенных температур. Жаропрочность же представляет собой способность металлов не разрушаться и не поддаваться пластической деформации при высокотемпературном режиме работы. Сталь жаропрочная представлена на рынке большим разнообразием марок, равно как и жаропрочные сплавы. Большинство специалистов признают ее лучшим материалом для изготовления деталей конструкций и оборудования, эксплуатируемых в агрессивных средах и в иных сложных условиях.

Жаропрочный металл и жаростойкость

Ненагруженные конструкции, эксплуатируемые при температуре порядка 550°С в окислительной газовой атмосфере, изготавливаются обычно из жаростойкой стали. К данным изделиям часто относятся детали нагревательных печей. Сплавы на базе железа при температуре больше 550°С склонны активно окисляться, из-за чего на их поверхности образуется оксид железа. Соединение с элементарной кристаллической решеткой и нехватка атомов кислорода приводит к появлению окалины хрупкого типа.

Для улучшения жаростойкости стали в химический состав вводятся:

Данные элементы, соединяясь с кислородом, способствуют формированию в металле надежных, плотных кристаллических структур, благодаря чему и улучшается способность металла спокойно переносить повышенную температуру.

Тип и количество легирующих элементов, вводимых в состав сплава на базе железа, зависит от температуры, в которой эксплуатируется изделие из него. Лучшая жаростойкость у сталей, легирование которых выполнялось на основе хрома. Наиболее известные марки этих сильхромов:

С повышением количества хрома в составе жаростойкость увеличивается. С хромом могут создаваться марки металлов, изделия из которых не утратят первоначальных характеристик и при долгом воздействии температуры больше 1000°С.

Особенности жаропрочных материалов

Жаропрочные сплав и стали успешно эксплуатируются при постоянном воздействии больших температур, причем склонность к ползучести не проявляется. Суть данного процесса, которому подвержены стали обыкновенных марок и прочие металлы, в том, что материал, испытывающий воздействие постоянной температуры и нагрузку, медленно деформируется, или ползет.

Ползучесть, которой стараются избежать при создании жаропрочных сталей и металлов другого типа, бывает:

Для определения параметров кратковременной ползучести материалы подвергаются испытаниям: помещаются в печь, нагретую до нужной температуры, а к ним на определенное время прикладывается растягивающая нагрузка. За короткое время проверить материал на склонность к длительной ползучести и выяснить, каков ее предел, не удастся. С этой целью испытуемое изделие в печи подвергается длительной нагрузке.

Важность предела ползучести в том, что он характеризует наибольшее напряжение, ведущее к разрушению разогретого образца после воздействия определенное время.

Марки жаростойких и жаропрочных сталей

По внутренней структуре категории следующие:

Жаростойкие стали могут представлять еще два типа:

Среди сталей с мартенситной структурой наиболее известны:

Основа мартенситной структуры – это перлит, меняющий состояние, если в составе материала увеличивается содержание хрома. Перлитные марки жаростойких и жаропрочных сталей, которые относятся к хромокремнистым и хромомолибденовым:

Для получения из этих сталей материала со структурой сорбита, отличающегося высокой твердостью (не меньше 25 по HRC), сначала их закаливают при 950-1100°C, а потом подвергают отпуску.

Стальные сплавы с ферритной структурой, из категории жаростойких, содержат 25-33% хрома, определяющего их характеристики. Для придания этим сталям мелкозернистой структуры изделия из них отжигают. В данную категорию сталей входят:

При нагревании их до 850°C и больше зерно внутренней структуры укрупняется, из-за чего повышается хрупкость.

Из жаропрочной нержавейки изготавливаются:

Самые распространенные марки данных жаропрочных сталей:

Хрома в химическом составе этих сплавов – 10-14%. Легирующие добавки, улучшающие состав, здесь – ванадий, вольфрам и молибден.

Аустенитно-ферритные и аустенитные стальные сплавы

Самые значимые особенности аустенитных сталей в том, что внутренняя их структура формируется благодаря никелю в их составе, а жаростойкость связана с хромом.

В сплавах данной категории, отличающихся малым содержанием углерода, иногда присутствуют легирующие элементы титан и ниобий. Стали, основу внутренней структуры которых составляет аустенит, входят в категорию нержавеющих и при длительном воздействии больших температур (до 1000°C) хорошо противостоят формированию окалины.

Наиболее распространенные сегодня стали с аустенитной структурой – это дисперсионно-твердеющие сплавы. С целью улучшения качественных характеристик добавляются карбидные или интерметаллические упрочнители.

Наиболее популярные марки, основа внутренней структуры которых – аустенит:

Стальные сплавы на основе смеси аустенита и феррита отличает очень высокая жаропрочность, которая по показателям превышает аналогичный параметр даже у высокохромистых материалов. Характеристики жаропрочности достигаются и за счет высокой стабильности внутренней структуры сталей этой категории. Изделия из них успешно эксплуатируются даже при температурах до 1150°С.

Жаропрочные стали с аустенитно-мартенситной структурой характеризуются повышенной хрупкостью, поэтому не могут использоваться в производстве изделий, которые эксплуатируются под высокой нагрузкой.

Из жаропрочных сталей этой категории делаются изделия такого назначения:

Тугоплавкие материалы

Тугоплавкие металлы, которые входят в химический состав таких сталей, характеризуются температурами плавления:

Благодаря тому, что тугоплавкие стали этой категории имеют высокую температуру перехода в хрупкое состояние, при серьезном нагреве происходит их деформация. Для повышения жаропрочности таких сталей в их состав вводят специальные добавки, а для повышения жаростойкости легируют титаном, молибденом, танталом и др.

Самые распространенные соотношения химических элементов в тугоплавких сплавах:

Сплавы на основе никеля и никель с железом

Высокая стойкость и прочность сохраняется при повышенных температурах. Этими качествами обладают стальные сплавы на основе никеля.

Наиболее популярные:

Некоторые марки – это жаропрочные стаи, остальные – жаростойкие. При нагревании на поверхности изделий из данных сплавов появляется оксидная пленка на базе алюминия и хрома. В твердых растворах структуры этих металлов формируются соединения никеля и алюминия или никеля и титана, что обеспечивает устойчивость материалов к высоким температурам. Более подробные характеристики приводятся в специальных справочниках.

Из сталей никелевой группы изготавливают:

Итак, жаропрочные марки способны долгое время функционировать в условиях высоких температур без деформаций и противостоят газовой коррозии. Посредством сплавов разных элементов добиваются оптимальных свойств материалов в зависимости от условий эксплуатации.

Источник

7 основных классов жаропрочной стали

Жаропрочная сталь используется в режиме повышенных температур в течение долгого времени в сложно напряженном состоянии. Необходимо проводить различение между жаропрочными и жаростойкими сталями. Последние выделяются большой антикоррозионностью при температурных условиях, превышающих 550 гр. Цельсия в среде, содержащей агрессивные газы. Иными словами, жаростойкость – это качество, которое связано с устойчивостью к окислению. Жаропрочность – качество, которое позволяет выдерживать деформационные воздействия, когда материалы находятся в условиях повышенной температуры и нагрузок напряжения.

Характеристики жаропрочных материалов

Главный параметр жаропрочных металлов – возможность противостоять механическим напряжениям и нагружению при нагревании до высоких значений, не разрушаясь и не деформируясь.

Жаростойкие металлические материалы отличаются еще и повышенной антикоррозионностью и стойкостью к факторам окисления в условиях повышенных термических воздействий.

Технологический параметр ползучести

Наиболее значимая характеристика в технологических процедурах, где присутствуют жаропрочные стали, — это ползучесть. Эта характеристика свойственна любым твердым телам: кристаллическим и аморфным.
Для металлических материалов она выражается в медленных и постепенных пластических деформационных процессах, происходящих под влиянием неизменяемой нагрузки. Чем меньше скорость деформирования и ниже скорость ползучести, тем более высоко можно оценить жаропрочность металла, если напряжение и температурный режим остаются постоянными и заданными.

Характеристики ползучести могут различаться по критерию временной длительности.
Соответственно этому ползучесть бывает

Ползучесть описывается определенным графиком кривой, на котором прослеживаются различные стадии. Высокое сопротивление ползучести — один из факторов жаропрочности.
Предел ползучести – это уровень напряжения, при котором за время, специально заданное, достигается определенная деформация.
Эти расчеты принимаются во внимание в различных видах машиностроения: в авиационном моторостроении за такое время принимается величина 100-200 часов.
Жаропрочностью отличаются сплавы, содержащие Cr и Ni (хромоникелевые), а также содержащие Cr, Ni, Mn (хромоникелевомарганцевые). Эта характеристика проявляется следующим образом: при нагревании они не демонстрируют качество ползучести.

Варианты производства жаропрочных материалов

Изготавливается жаропрочная сталь, проходя предварительную термическую обработку. Применяются процедуры легирования такими элементами, как Cr, добавления Mo, Ni, Ti и иных легирующих компонентов.

Никель – Ni – повышает свариваемость.

Молибден – Mo – увеличивает термические показатели рекристаллизации.

Титан – Ti – повышает прочность, она удерживается в течение большого временного периода, и эластичность.

Классификация материалов жаропрочных и жаростойких

Среди всех железосодержащих материалов, ориентированных в эксплуатации на повышенный температурный режим, выделяются 3 основных класса:

Разновидности жаропрочных и жаростойких материалов по структурным критериям

Состояние внутренней структуры металлов определяет тип сталей и сплавов.

Выделяется ряд категорий жаропрочных стальных материалов, исходя из состояний внутренней структуры.

Аустенитный класс

Аустенитный класс формирует внутреннюю структуру благодаря большому процентному содержанию хрома и никеля. Получение стабильного аустенита, гранецентрированной кристаллической решетки железа, предполагает легирование стали никелем. Жаростойкость определяется хромовыми добавками.

Аустенитные сплавы — высоколегированные. Для целей легирования используются Nb (ниобий) и (Ti) титан для увеличения устойчивости к коррозии. Эта характеристика позволяет отнести их к группе стабилизированных.
Коррозионностойкие жаропрочные стали с относятся к труднообрабатываемым металлам.

Когда температуры повышаются до значений, близких к 1000 градусам С. и длительно поддерживаются, аустенитная нержавеющая сталь сохраняет стойкость к образованию слоя окалины, сохраняя качество жаростойких материалов.

Часто встречаются на производстве сплавы аустенитного типа, принадлежащие к дисперсионно–твердеющему подклассу. Качественные характеристики могут улучшаться путем добавления различных элементов: карбидных, интерметаллических упрочнителей.
Эти элементы обеспечивают деформационно-термическое упрочнение благодаря усилению аустенитной матрицы с помощью дисперсионного твердения.

Карбидообразующие элементы: ванадий-V, ниобий-Nb, вольфрам-W, молибден-Mo.

Интерметаллиды получаются благодаря дополнительным добавкам хрома–Cr, никеля-Ni, и титана–Ti.

Структура аустенитов

Материалы с никелевыми и кобальтовыми присадками подвергаются эксплуатационным воздействиям при терморежиме до 900 градусов. Сохраняют стабильность структуры долгое время.

Нихромы, в которых никеля больше 55%, отличаются и жаропрочностью, и качествами жаростойкости.

Тугоплавкие металлы: вольфрам, ниобий, ванадий обеспечивают устойчивость металлов, когда термический режим приближается к 1500 гр. С.

Молибденовые сплавы с дополнительной защитой долгое время сохраняют рабочие свойства в терморежиме 1700 гр.

Аустенитно-ферритный класс

Материалы, содержащие смесь аустенитных и ферритных фаз, характеризуются особой жаропрочностью. По своим параметрам они превосходят даже высокохромистые железосодержащие материалы. Объяснение этого явления кроется в особо стабильной матричной структуре. Это предполагает возможность применения при терморежиме 1150 градусов.

Перлитный класс

Перлитные жаропрочные стальные материалы относятся к категории низколегированных. Стали содержащие в виде присадок хром и молибден ориентированы на работу при температуре 450-550 гр. С., содержащие, помимо Cr и Mo еще и ванадий, нацелены на рабочий режим при температуре 550-600 гр. С.

Легирование хромом влияет на жаростойкость материалов в сторону повышения этой характеристики, также усиливается сопротивляемость окислительным процессам. Добавки молибдена увеличивают прочностные характеристики при большом нагреве материалов.

Ванадий, объединяясь с углеродом, создает повышение прочностных характеристик стальных материалов карбидами с высокодисперсными качествами.

Технология нормализации металлов улучшает и оптимизирует механические свойства сплавов. Технология закаливания и следующего за ней температурного отпуска выполняет ту же функцию. Получается структурная матрица, в которой присутствует дисперсная феррито карбидная фактура.

Мартенситный класс

Методом, который превращает один вид стального материала в другой, является закаливание, за которым следует отпуск. Итог процесса – перестроение кристаллической решетки и повышение твердости. Однако возрастает хрупкость.

40Х10С2М идет на изготовление клапанов авиадвигателей, двигателей для дизельного автотранспорта, крепежа при температурах до 500 градусов.

3Х13Н7С2 и 4Х9С2 могут подвергаться нагреву порядка 900 гр. С.
Это обуславливает их пригодность для производства двигательных клапанов.

1Х8ВФ рассчитана на температурный режим ниже 500 гр. С., но на длительную эксплуатацию под нагрузками. Эта марка подтвердила свою эффективность в изготовлении паровых турбин.

Ферритный класс

Материалы с ферритной структурой имеют в своем составе от 25 до 33 % хрома. Получаются с помощью методов отжига и термообработки, из-за этого в них возникает мелкозернистая структура. Когда происходит повышение температурных показателей до 850 градусов, увеличивается хрупкость.

Мартенситно-ферритный класс

Этот тип стали имеет в своем составе 10-14% хрома, легируется V, Mo, W.

Сплавы, имеющие никелевую основу, и железо никелевые

Материалы, у которых в составе 55% никеля, легируются Cr.
Присадки хрома добавляют до 25 %. Особенность таких материалов — появление в условиях повышения температуры оксидной пленки из Cr, а в материалах с добавками алюминия – пленки их этого металла. Легированные титаном сплавы приобретают свойство оставаться прочными и устойчивыми, когда температуры поднимаются до очень больших значений.

Тугоплавкие металлы

Это металлы, отличающиеся экстремально высокими температурными показателями плавления. Их характеризует также повышенная износостойкость. Использование их для легирования сталей и сплавов, увеличивает те же показатели материалов, к которым их добавляют.

Температуры плавления следующие:

Применение

Стальные материалы жаропрочного класса широко применимы в различных областях экономики.

Это сферы энергетики, нефтехимии, химическом производстве, авиастроении и автомобилестроении, других направлениях машиностроительной отрасли.

Для технических целей все материалы делят на несколько видов:

Источник

Жаропрочные стали

Жаропрочные стали сегодня встречаются крайне часто, так как могут использоваться в условиях контакта с агрессивными средами. Типичные изделия, которые изготавливаются из жаропрочных современных сталей: камины и печи, а также котлы и дымоходы. Рассмотрим особенности подобного металла подробнее.

Основные характеристики

Жаропрочные стали и сплавы могут использоваться для изготовления изделий, которые могут эксплуатироваться при воздействии высоких температур. Обычные стали при воздействии агрессивной среды могут медленно деформироваться, так как воздействие повышенной температуры становится причиной повышения пластичности.

Для того чтобы определить характеристики жаропрочной стали проводятся специальные испытания, особенностями которых можно назвать нижеприведенные моменты:

Среди других особенностей отметим следующие моменты:

По тому, сколько жаропрочная сталь может выдерживать воздействие рабочей среды выделяют две категории:

Жаростойкая сталь не подвержены деформации и разрушению по причине необычного химического состава. Именно поэтому основная классификация проводится по концентрации определенных легированных элементов.

Виды жаропрочных сталей

Жаропрочная нержавеющая сталь классифицируется по состоянию внутренней структуры:

Кроме этого все жаропрочные стали марки разделяются на следующие категории:

Рассматривая мартенситные жаропрочные стали можно выделить следующе сплавы:

Очень часто в состав добавляется хром, за счет чего получается мартенситный сплав. Наиболее распространенными вариантами подобных металлов можно назвать Х6С и Х9С2, Х7СМ и Х10С2М. Среди особенностей их производства можно отметить нижеприведенные моменты:

Для получения подобных составов требуется специальное оборудование, при помощи которого и проводится отпуск при сильном нагреве структуры.

Особенностями ферритных сплавов можно назвать нижеприведенные моменты:

Примерами ферритных сплавов можно назвать марки Х28 и Х17, Х18СЮ и другие. Нагрев проводится до температуры 180 градусов Цельсия, при более высоких показателях поверхность станет более хрупкой по причине мелкозернистой структуры.

Мартенситно-ферритный состав применяется при производстве машиностроительных деталей. Особенности структуры позволяют проводить ее нагрев до температуры 600 градусов Цельсия без изменения основных эксплуатационных качеств.

Наибольшей востребованностью пользуются жаростойкие сплавы двух основных групп:

Есть жаропрочные стали, которые могут выдерживать воздействие огромных температур. Примером назовем следующие сплавы:

Столь высокая жаропрочность достигается путем добавления различных легирующих элементов. Окисление легирующих элементов приводит к защите структуры от воздействия окружающей среды.

Жаропрочные сплавы также классифицируются следующим образом:

Вышеприведенная информация определяет то, что высоко жаропрочная сталь может классифицироваться по следующим показателям:

Сегодня из жаропрочной нержавеющей стали изготавливаются самые различные детали, которые могут эксплуатироваться в опасной среде. Подобная жаропрочная сталь может выдерживать не только длительный нагрев, но и не реагирует на воздействие окружающей среды.

Применение жаропрочных сталей

Область применения рассматриваемого типа сплавов весьма большая. Жаропрочные стали и сплавы предназначены для применения при условии воздействия высокой температуры или агрессивной окружающей среды. Жаропрочные стали применяют для изготовления:

Изготовление деталей работающих при температурах более 400 градусов Цельсия не должно проводится с использованием обычного металла, так как из-за нагрева они потеряют свою прочность и жесткость.

Нагрев становится причиной изменения кристаллической решетки, за счет чего из состав выделяется углерод. Обезуглероживание становится причиной потери прочности и твердости поверхности. При изготовлении деталей паровых двигателей или современных двигателей внутреннего сгорания применение обычной стали приведет к ее расширению, за счет чего линейные размеры изменяться. Критическое изменение линейных размеров становится причиной, по которой конструкция перестает правильно работать.

Усложнение процесса производства рассматриваемого сплава становится причиной существенного повышения его стоимости. Однако в большинстве случаев снизить стоимость конструкций нельзя по причине того, что обычные стали будут быстро изнашиваться.

Деталь из жаропрочной стали

Примером применения жаропрочных сталей можно назвать нижеприведенную информацию:

Важной особенностью рассматриваемых сплавов можно назвать сложность проведения сварочных работ. Жаропрочным сталям характерен процесс разрушения холодного шва. Для решения подобной проблемы применяется современная технология сваривания, которая имеет следующие особенности:

За счет отпуска проводится удаление основной части растворенного в структуре водорода, а остаточный аустенит преобразуется в мартенсит.

Сегодня насчитывается несколько десятков разновидностей жаропрочных сталей, все они обладают своими определенными особенностями. Кроме этого отметим, что довольно часто они обладают также коррозионной стойкостью, так как в состав добавляется большое количество хрома. Коррозионная стойкость ко всему прочему существенно повышает срок эксплуатации изделия. Однако сложности, возникающие при легировании и последующем термической обработке существенно повышают стоимость изделий. Кроме этого, жаропрочные сплавы могут иметь самое различное количество легирующих элементов, которые могут придавать материалу и другие особые эксплуатационные качества, к примеру, повышение электропроводности.

Источник