Что понимают под жаростойкостью металла
Марки жаропрочных сталей и вся информация о них
Различные марки жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов признаются лучшим материалом для изготовления конструкций, функционирующих в особо сложных и агрессивных средах.
1 Жаростойкие сплавы и стали – что это?
Окалиностойкость, иначе называемая жаростойкостью, представляет собой способность тех или иных сплавов либо металлов противостоять на протяжении длительного времени при повышенных температурах газовой коррозии. А под жаропрочностью понимают способность металлических материалов не поддаваться разрушению и пластической деформации при высоких температурных режимах работы.
Ненагруженные конструкции, которые применяются при температурах в районе +550 °С в газовой окислительной атмосфере, обычно изготавливаются из жаростойких металлов. К указанным изделиям часто относят элементы нагревательных печей. Сплавы на базе железа при температурах выше указанных 550 градусов склонны к активному окислению, в результате коего на их поверхности формируется оксид феррума. Это соединение характеризуется элементарной кристаллической решеткой с недостатком атомов кислорода, что приводит к появлению окалины хрупкого типа.
Увеличить жаростойкость стали удается тогда, когда в нее вводят такие элементы, как кремний, хром, алюминий.
Они способны создавать с кислородом совершенно другие решетки – с очень плотным и надежным строением. Уровень легированности композиции (количество требуемых добавок) подбирают с учетом температуры, при которой планируется применять изделие, изготовленные из него.
Максимальная жаростойкость присуща материалам на базе никеля (сильхромам). К таковым, в частности, относят следующие марки стали:
Вообще, жаростойкость сталей будет тем выше, чем больше в них имеется хрома. Некоторые марки стальных композиций способны без ухудшения своих начальных свойств работать даже при температурах в районе 1150 °С.
2 Жаропрочные сплавы и стали – что они собой представляют?
Марки таких сталей идеальны для производства изделий, функционирующих в условиях, когда присутствует явление ползучести и, естественно, повышенные температуры. Ползучестью называют склонность металла к медленной деформации (пластической) при неизменной температуре под влиянием постоянной нагрузки.
Жаропрочность сплавов зависит от вида имеющейся ползучести, которая может быть:
Последняя устанавливается в ходе специально проводимых анализов на растяжение изделий. Обследования осуществляются в течение непродолжительного времени при заранее заданной температуре в нагревательной печи.
А длительная ползучесть определяется, как вы сами понимаете, на протяжении большего времени воздействия на сталь. И в данном случае главное значение имеет величина предела ползучести – наибольшее напряжение, вызывающее разрушение испытуемого изделия при конкретном времени воздействия и температуре.
3 Марки жаростойких и жаропрочных сталей – классификация и описание
По состоянию своей структуры такие сплавы бывают:
А жаростойкие сплавы дополнительно подразделяются еще на:
Известны следующие марки мартенситных сталей:
Мартенситные сплавы получаются из перлитных при повышении в последних количества хрома. Непосредственно к перлитным относят следующие жаростойкие и жаропрочные стали: Х13Н7С2, Х7СМ, Х9С2, Х10С2М, Х6СМ, Х6С (то есть все виды хромомолибденовых и хромокремнистых составов). Их закаливают при температурах 950–1100 градусов, а затем (при 8100 градусах) выполняют отпуск стали, что позволяет получить твердые материалы (по шкале HRC – не менее 25 единиц) со структурой сорбита.
Жаростойкие ферритные стали имеют мелкозернистую структуру после их отжига и термообработки. В таких композициях присутствует от 25 до 33 процентов хрома. Используются они для пиролизного оборудования и теплообменников. К ферритным сталям относят далее указанные марки: Х28, Х18СЮ, Х17, Х25Т, 0Х17Т, 1Х12СЮ. Отметим, что их нельзя нагревать более 850 градусов, так как в этом случае изделия станут хрупкими за счет своей крупнозернистой структуры.
Мартенситно-ферритные сплавы хорошо зарекомендовали себя при производстве машиностроительных деталей, которые планируется использовать при 600° на протяжении существенного времени. Такие жаропрочные стали (1Х13, 1Х12В2МФ, 1Х12ВНМФ, Х6СЮ, 2Х12ВМБФР, 1Х11МФ) легируются молибденом, вольфрамом, ванадием, а хрома в них, как правило, содержится от 10 до 14 процентов.
4 Аустенитно-ферритные и аустенитные жаростойкие сплавы
Наибольшей востребованностью пользуются аустенитные стали, структура коих обеспечивается наличием никеля, а жаростойкость – наличием хрома. В подобных композициях иногда встречаются незначительные включения ниобия и титана, углерода в них очень мало. Аустенитные марки при температурах до 1000° успешно противостоят процессу появления окалины и при этом относятся к группе антикоррозионных сталей.
Сейчас чаще всего предприятия используют описываемые материалы, относимые к дисперсионно-твердеющей категории. Их делят на два вида в зависимости от варианта применяемого упрочнителя – интерметаллического либо карбидного. Именно процедура упрочнения придает аустенитным сталям особые свойства, так востребованные промышленностью. Известные сплавы данной группы:
Аустенитно-ферритные сплавы имеют очень высокую жаропрочность, которая намного больше обычных высокохромистых материалов. Достигается это за счет уникальной стабильности их строения. Такие марки стали нельзя применять для производства нагруженных компонентов из-за их повышенной хрупкости. Зато они прекрасно подходят для изготовления изделий, функционирующих при температурах близких к 1150 °С:
5 Тугоплавкие сплавы и металлы
В тех случаях, когда требуется изготовить детали, которые смогут применяться при температурах от 1000 до 2000 градусов, используются стали на основе тугоплавким металлов. К ним относят элементы, характеризуемые следующими температурами плавления (в градусах):
Данные металлы деформируются (пластически) при нагреве, что обусловлено высокой температурой их изменения в хрупкое состояние. При нагреве до величин рекристаллизации формируется волокнистая структура тугоплавких металлов и наклеп. Показатель жаропрочности таких материалов обычно увеличивают привнесением специальных добавок. А их защита при температурах более 1000 градусов от окисления обычно выполняется легированием с использованием молибдена, тантала, титана и других элементов.
Часто используются тугоплавкие сплавы с такими составами:
6 Особенности сталей на основе никеля и системы железо-никель
Указанные сплавы, жаростойкость и жаропрочность которых очень высока, имеют в своем составе свыше 55 % никеля и более 65 % комплекса никель + железо. Базовым элементом в обоих видах композиций при этом является хром (его содержится от 14 до 23 %).
Более высокие показатели стойкости и прочности при повышенных температурах демонстрируют стали на основе никеля: ХН60В, ХН75МБТЮ, ХН60Ю, ХН78Т (жаропрочные) и ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН70ВМЮ, ХН70, ХН67ВМТЮ (жаростойкие). Обусловлен сей факт процессом формирования на их поверхности при высоких температурах оксидной алюминиевой и хромовой пленки, а также (в твердых растворах) – соединений алюминия и никеля, титана и никеля.
В никелевых сплавах из-за несущественного содержания в них углерода никогда не появляются карбиды. А их упрочнение – это последствие твердения, характеризуемого дисперсной природой, после выполнения термообработки. Под такой обработкой понимают:
В процессе распада твердого пересыщенного состава формируются металлические упрочняющие компоненты, которые существенно увеличивают показатель жаропрочности стали и ее сопротивляемость деформациям.
Назначение и марки сталей с никелем, с никелем и железом:
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
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
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:
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:
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:
При этом стали, относящиеся к категории жаростойких, могут быть представлены еще двумя типами:
Основные свойства некоторых жароупорных сталей (нажмите для увеличения)
Если рассматривать стали с мартенситной внутренней структурой, то их наиболее известными марками являются:
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
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
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:
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:
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
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:
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
Стали никелевой группы используют для изготовления:
В заключение познавательное видео о тонкостях производства и обработки стали в домашних условиях.
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.