Жаропрочная сталь: марки и состав жаростойких сталей и сплавов

Жаростойкие стали: состав и марки жаропрочных сплавов

Жаропрочная сталь, представленная на современном рынке большим разнообразием марок, как и сплавы жаростойкой категории, признается большинством специалистов лучшим материалом для изготовления элементов конструкций и оборудования, которые эксплуатируются в постоянном контакте с агрессивными средами и в других сложных условиях.

Типичные изделия из жаропрочной стали – печи, камины, котлы и металлические дымоходы

Типичные изделия из жаропрочной стали – печи, камины, котлы и металлические дымоходы

Жаропрочность и жаростойкость металла

Жаростойкость, которой обладают стали и другие металлические сплавы отдельной категории, имеет еще одно название – «окалиностойкость». Это свойство, которым отдельные металлы наделяют в процессе производства, заключается в их способности длительное время в условиях повышенных температур активно противостоять такому негативному явлению, как газовая коррозия. В отличие от жаростойких, жаропрочные стали и металлы другого типа обладают способностью не разрушаться и не деформироваться под длительным воздействием высоких температур.

Короткий экскурс в формате видео об особенностях жаропрочных сталей и их отличиях от других сплавов.

Металлы, которые отличаются жаростойкостью, применяют преимущественно для изготовления ненагруженных конструкций, эксплуатируемых в условиях постоянного воздействия на них газовой окислительной среды и температуры, не превышающей 550°. К таким конструкциям, в частности, относятся элементы нагревательных печей.

Сплавы, выполненные на основе железа, даже если их отличает жаростойкость, при таких условиях эксплуатации и при воздействии температуры, превышающей 550°, начинают активно окисляться, что приводит к появлению на их поверхности пленки, состоящей из оксида железа. Формирующееся на поверхности такого металла химическое соединение железа и кислорода – это, по сути, окалина хрупкого типа. Ее характеризует элементарная кристаллическая решетка, содержащая недостаточное количество атомов второго вещества.

Свойства оксидов элементов, увеличивающих жаростойкость железа

Свойства оксидов элементов, увеличивающих жаростойкость железа

Чтобы улучшить такое свойство стали, как жаростойкость, в ее химический состав вводят хром, алюминий и кремний. Соединяясь с кислородом, эти элементы способствуют формированию в структуре металла плотных и надежных кристаллических структур, что и улучшает его способность безболезненно переносить воздействие повышенных температур.

Количество и тип легирующих добавок, вводимых в химический состав сплава, выполненного на основе железа, зависит от температурных условий эксплуатации изделий, которые будут из него изготовлены.

Лучшую жаростойкость демонстрируют стали, легирование которых выполнено на основе такого металла, как хром. К наиболее известным маркам таких сталей, которые называют сильхромами, относятся:

  • 08Х17Т;
  • 15Х25Т;
  • 15Х6СЮ;
  • 36Х18Н25С2.
Химический состав жаропрочных сталей марок 13Х11Н2В2МФ, 15Х11МФ, 20Х13, 20Х12ВНМФ

Химический состав жаропрочных сталей марок 13Х11Н2В2МФ, 15Х11МФ, 20Х13, 20Х12ВНМФ

Что характерно, жаростойкость стали повышается с увеличением в ее химическом составе количества хрома. Используя данный металл в качестве легирующего элемента, можно создавать марки сталей, изделия из которых не будут утрачивать своих первоначальных характеристик даже при длительном воздействии на них температуры, превышающей 1000 градусов.

Особенности материалов с жаропрочными свойствами

Жаропрочные стали и сплавы, как уже говорилось выше, способны успешно эксплуатироваться в условиях постоянного воздействия высоких температур, при этом не проявляя склонности к ползучести. Суть этого негативного процесса, которому подвержены стали обычных марок и другие металлы, заключается в том, что материал, на который воздействуют неизменная температура и постоянная нагрузка, начинает медленно деформироваться, или ползти.

Ползучесть, которой и стараются избежать, создавая жаропрочные стали и металлы другого типа, бывает двух видов:

  • длительная;
  • кратковременная.
Для определения ползучести сплавов в иследовательских центрах используют комплекс испытательных машин

Для определения ползучести сплавов в иследовательских центрах используют комплекс испытательных машин

Чтобы определить параметры кратковременной ползучести, материалы подвергают специальным испытаниям, для чего их помещают в печь, нагретую до определенной температуры, и прикладывают к ним растягивающую нагрузку. Такое испытание проводится в течение ограниченного промежутка времени.

Проверить материал на его склонность к длительной ползучести и определить такой важный параметр, как предел ползучести, за короткий промежуток времени не получится. Для этого испытуемое изделие, помещенное в печь, необходимо подвергать длительной нагрузке. Важность такого показателя, как предел ползучести материала, заключается в том, что он характеризует наибольшее напряжение, которое приводит к разрушению разогретого изделия после воздействия в течение определенного промежутка времени.

Марки жаропрочных и жаростойких сталей

Стали, отличающиеся жаропрочностью и жаростойкостью, по состоянию внутренней структуры подразделяются на несколько категорий:

  • аустенитные;
  • мартенситные;
  • перлитные;
  • мартенситно-ферритные.

При этом стали, относящиеся к категории жаростойких, могут быть представлены еще двумя типами:

  • ферритные;
  • аустенитно-ферритные или мартенситные.
Основные свойства некоторых жароупорных сталей

Основные свойства некоторых жароупорных сталей (нажмите для увеличения)

Если рассматривать стали с мартенситной внутренней структурой, то их наиболее известными марками являются:

  • Х5 (из такой жаропрочной стали производят трубы, которые предполагается эксплуатировать при температурах, не превышающих 650°);
  • Х5М, Х5ВФ, Х6СМ, 1Х8ВФ, 1Х12Н2ВМФ (используются для производства изделий, эксплуатируемых при 500–600° на протяжении определенного периода времени (1000–10000 часов));
  • 3Х13Н7С2 и 4Х9С2 (изделия из данных марок могут успешно эксплуатироваться при 850–950°, поэтому из таких сталей производят клапаны двигателей транспортных средств);
  • 1Х8ВФ (изделия из жаропрочной стали этой марки могут успешно эксплуатироваться при температурах, не превышающих 500°, на протяжении 10000 часов и даже дольше; из данного материала, в частности, производят конструктивные элементы паровых турбин).
Листовая жаропрочная сталь используется там, где требуется хорошая стойкость к высокой температуре и к агрессивной среде

Листовая жаропрочная сталь используется там, где требуется хорошая стойкость к высокой температуре и к агрессивной среде

Основой мартенситной структуры стали является перлит, который меняет свое состояние в том случае, если в составе материала увеличить количественное содержание хрома. Перлитными являются следующие марки жаропрочных и жаростойких сталей, относящихся к хромомолибденовым и хромокремнистым: Х6С, Х6СМ, Х7СМ, Х9С2, Х10С2М и Х13Н7С2. Чтобы получить из этих сталей материал с внутренней структурой сорбита, который отличается высокой твердостью (не менее 25 единиц по шкале HRC), их сначала закаливают при 950–1100°, а затем подвергают отпуску.

Стальные сплавы с ферритной внутренней структурой, относящиеся к категории жаростойких материалов, содержат в своем химическом составе от 25 до 33% хрома, который и определяет их характеристики. Чтобы придать таким сталям мелкозернистую структуру, изделия из них подвергают отжигу. К сталям данной категории относят марки 1Х12СЮ, Х17, 0Х17Т, Х18СЮ, Х25Т и Х28. Следует иметь в виду, что при нагревании этих сталей до 850° и выше, зерно в их внутренней структуре начинает укрупняться, что приводит к увеличению их хрупкости.

Жаропрочная нержавеющая сталь применяется при производстве тонколистового проката, бесшовных труб и различных агрегатов пищевой и химической промышленности

Жаропрочная нержавеющая сталь применяется при производстве тонколистового проката, бесшовных труб и различных агрегатов пищевой и химической промышленности

Стали, основу структуры которых составляют мартенсит и феррит, активно применяются для производства изделий различного назначения, используемых в машиностроительной отрасли. Изделия, для изготовления которых применяют такие жаропрочные сплавы, даже на протяжении достаточно длительного времени могут успешно эксплуатироваться при температуре, находящейся в пределах 600°. Наиболее распространенными марками данных жаропрочных сталей являются Х6СЮ, 1Х13, 1Х11МФ, 1Х12В2МФ, 1Х12ВНМФ, 2Х12ВМБФР. Такие жаропрочные сплавы отличаются тем, что хром в их химическом составе содержится в пределах 10–14%, а легирующими добавками, при помощи которых улучшают их химический состав, являются вольфрам, молибден и ванадий.

Аустенитные и аустенитно-ферритные стальные сплавы

Наиболее значимые особенности аустенитных сталей заключаются в том, что их внутренняя структура формируется за счет наличия в их составе никеля, а такое свойство, как жаростойкость, связано с присутствием хрома. В сплавах подобной категории, отличающихся незначительным содержанием углерода в своем химическом составе, в некоторых случаях могут присутствовать такие легирующие элементы, как ниобий и титан. Стали, основу внутренней структуры которых составляет аустенит, относятся к категории нержавеющих, а при длительном воздействии высоких температур (до 1000 градусов) успешно противостоят формированию слоя окалины.

Аустенитные сплавы марок Х17Н13М2 и Х17Н13М3 оптимально подходят для конструкций, работающих под воздействием кислот

Аустенитные сплавы марок Х17Н13М2 и Х17Н13М3 оптимально подходят для конструкций, работающих под воздействием кислот

К наиболее распространенным на сегодняшний день сталям с аустенитной внутренней структурой относятся сплавы дисперсионно-твердеющей категории. Для улучшения качественных характеристик в их состав добавляют интерметаллические или карбидные упрочнители, в зависимости от чего такие материалы и относят к определенной категории.

Наиболее популярными марками жаропрочных сталей, основу внутренней структуры которых составляет аустенит, являются:

  • дисперсионно-твердеющие Х12Н20Т3Р, 4Х12Н8Г8МФБ, 0Х14Н28В3Т3ЮР, 4Х14Н14В2М (из этих жаропрочных сталей, относящихся к категории нержавеющих, изготавливают конструктивные элементы турбин и клапаны двигателей транспортных средств);
  • гомогенные 1Х14Н16Б, 1Х14Н18В2Б, Х18Н12Т, Х18Н10Т, Х23Н18, Х25Н20С2, Х25Н16Г7АР (из материалов данных марок преимущественно производят арматуру и трубы, эксплуатируемые под воздействием значительных нагрузок, агрегаты сверхвысокого давления, элементы выхлопных систем).
Труба жаропрочная из стали марки 20Х23Н18 (она же Х23Н18 или ЭИ417) используется для изготовления печного оборудования, поковок и бандажей

Труба жаропрочная из стали марки 20Х23Н18 (она же Х23Н18 или ЭИ417) используется для изготовления печного оборудования, поковок и бандажей

Стальные сплавы, основу внутренней структуры которых составляет смесь аустенита и феррита, отличает исключительная жаропрочность, превышающая по своим показателям аналогичный параметр даже высокохромистых материалов. Такие характеристики жаропрочности достигаются за счет высочайшей стабильности внутренней структуры сталей данной категории. Изделия из них могут успешно эксплуатироваться даже при температурах, доходящих до 1150°.

Между тем для жаропрочных сталей с аустенитно-мартенситной внутренней структурой характерна повышенная хрупкость, поэтому их нельзя использовать для производства изделий, эксплуатируемых под высокой нагрузкой.

Из жаропрочных сталей данной категории производят изделия следующего назначения:

  • пирометрические трубки (Х23Н13);
  • конвейеры для печей, жаропрочные трубы, емкости для осуществления процедуры цементации (Х20Н14С2 и 0Х20Н14С2).

Стали и металлы, отличающиеся тугоплавкостью

Стальные сплавы, основу которых составляют тугоплавкие металлы, используют для производства изделий, эксплуатируемых при 1000–2000°.

Тугоплавкие металлы, входящие в химический состав таких сталей, характеризуются следующими температурами плавления (см. таблицу).

Температура плавления тугоплавких металлов

Температура плавления тугоплавких металлов

За счет того, что тугоплавкие стали данной категории характеризуются высокой температурой перехода в хрупкое состояние, при значительном нагреве они деформируются. Чтобы повысить жаропрочность таких сталей, в их химический состав водятся специальные добавки, а для увеличения жаростойкости их легируют такими элементами, как титан, молибден, тантал и др.

Наиболее распространенными соотношениями химических элементов в составе тугоплавких сплавов являются:

  • основа – вольфрам и 30% рения;
  • 60% ванадия и 40% ниобия;
  • основа – 48% железа, 15% ниобия, 5% молибдена и 1% циркония;
  • 10% вольфрама и тантал.

Сплавы на основе никеля и смеси никеля с железом

Сплавы на никелевой основе (55% никеля) или выполненные на базе смеси никеля с железом (65%) являются жаропрочными и обладают достойными жаростойкими качествами. Базовым легирующим элементом для любых сталей данной категории является хром, которого в них может содержаться от 14 до 23%.

Если говорить о стойкости и прочности, высокие показатели которых сохраняются при повышенных температурах, то такими качествами обладают стальные сплавы, выполненные на основе никеля. К наиболее популярным из них относятся ХН60В, ХН67ВМТЮ, ХН70, ХН70МВТЮБ, ХН77ТЮ, ХН78Т, ХН78Т, ХН78МТЮ. Часть сталей данных марок являются жаропрочными, а остальные – жаростойкими. При нагреве на поверхности изделий из сплавов данных марок появляется оксидная пленка на основе хрома и алюминия, а в твердых растворах структуры таких металлов формируются соединения алюминия с никелем или титана с никелем, что и обеспечивает устойчивость таких материалов к воздействию высоких температур. Более подробно с характеристиками жаропрочных сплавов никелевой группы можно познакомиться, изучив специальные справочники.

Роторные валы из никелевого жаропрочного сплава

Роторные валы из никелевого жаропрочного сплава

Стали никелевой группы используют для изготовления:

  • элементов газовых конструкций и коммуникаций (ХН35ВМТЮ; примером изделий подобного назначения является труба жаропрочная);
  • конструктивных элементов турбинных устройств (ХН35ВТР);
  • конструктивных элементов компрессоров – лопаток и дисков (ХН35ВТЮ);
  • роторов, которыми оснащают турбины (ХН35ВТ и ХН35ВМТ).
В заключение познавательное видео о тонкостях производства и обработки стали в домашних условиях.

Добавить комментарий