Жаростойкие и жаропрочные сплавы и стали: марки, виды и состав жаростойких сталей и сплавов

alexxlab | 27.01.2019 | 0 | Разное

Жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы

Жаропрочностью называется сопротивление металла ползучести и разрушению при высоких температурах.

Жаростойкость (окалиностойкость ) — сопротивление металла окислению в газовой среде при высоких температурах (выше 550 ° С). — лист жаропрочный

Жаропрочные стали и сплавы

Влияние состава и структуры сплавов на жаропрочность. Жаропрочность характеризует сопротивление металла ползучести. Напомним (см. 2.4.1), что сопротивление ползучести оценивают пределом ползучести (напряжение, вызывающее заданную величину деформации при данной температуре) и долговременную прочность (напряжение, вызывающее разрушение при определенной температуре за определенное время). При высоких температурах межатомные связи ослабевают, поэтому металлы при этих температурах разрушаются при напряжении, значительно более низких, чем необходимо для разрушения металла при 20 ° С. Разрушение происходит в результате ползучести. Ползучесть — это деформация материала во времени под действием постоянного напряжения. Она развивается при высоких температурах (выше температуры рекристаллизации) и напряженных, превышающих предел текучести, путем чередующихся актов клеветы вследствие пластической деформации и рекристаллизации, устраняет укрепление, вызванное клеветой (см. 2.4.1 и рис. 2.15). Таким образом, одним из основных факторов, определяющих жаропрочность, является температура рекристаллизации: чем она выше, тем большей жаропрочностью обладает металл (сплав).

Напомним, что температура рекристаллизации зависит от температуры плавления сплава, что определяется его химическим составом и типом сплава: Т = а • Т пл ( T Рекре, T пл — температуры рекристаллизации и плавления, К; а — коэффициент, зависящий от типа сплава, см. 3.5.3). Высокие значения коэффициента a (0,6 … 0,8) характерны для твердых растворов, поэтому в качестве жаропрочных материалов используют сплавы типа «твердый раствор». Если основа жаропрочного сплава имеет несколько полиморфных модификаций, то повышение жаропрочности достигается использованием сплавов на основе той модификации, у которой выше температура рекристаллизации. Так, сплавы с ГЦК решеткой (аустенитные) обладают более высокой температурой рекристаллизации и, следовательно, большей жаропрочных, чем сплавы с ОЦК решеткой (ферритные).

Кроме температуры рекристаллизации жаропрочность зависит от химического состава сплава (тугоплавкие материалы имеют более высокую жаропрочных), структуры — она должна быть стабильной при определенных условиях эксплуатации. При этом для разных условий, а именно при кратковременной или длительной эксплуатации, оптимальными будут неодинаковые структуры.

Для сплавов, предназначенных для краткосрочной эксплуатации при высоких температурах, необходимо обеспечить высокий предел ползучести. Оптимальной для этих условий есть структура, которая обеспечивает наибольшую прочность, — это структура твердого раствора и дисперсных частиц второй фазы (карбидов, интерметаллидов), что оказываются барьером перемещению дислокаций и поэтому затрудняют пластическую деформацию сплава (см. 3.5.2). При малом времени эксплуатации коагуляция дисперсной фазы не успеет произойти и металл сохранит высокую прочность, т. е. предел ползучести. Чем выше температура коагуляции дисперсных частиц, тем большей жаропрочностью будет обладать сплав.

Другие требования предъявляются к структуре сплавов, предназначенных для длительной эксплуатации при высокой температуре: это длительная прочность. Она достигается, если сплав сохраняет свою структуру при высоких температурах в течение длительного времени. Более высокая стабильность сплава отмечается при однофазной структуре, что не испытывает фазовых или структурных превращений, приводящих к снижению жаропрочности. Поэтому наличие второй фазы по меньшей мере бесполезно, потому что при длительной эксплуатации будет происходить коагуляция частиц этой фазы.

Более высокое жаропрочных обладают крупнозернистые структуры с меньшей протяженностью границ зерен. Границы зерен, содержащих большое количество дефектов, является наиболее ослабленными участками в металле. Поэтому именно по границам зерен в процессе ползучести происходит проскальзывание — перемещение одного зерна относительно другого. Таким образом, чем больше величина зерна, то есть чем меньше протяженность границ, тем медленнее развивается процесс ползучести.

Сплавы, предназначенные для длительной эксплуатации при высоких температурах, подвергают стабілізуючому отпуска при температуре выше эксплуатационной.

Для разных температур эксплуатации в качестве жаропрочных материалов используют:

• — Стали — для работы до 850 ° С;
• — Сплавы па основе никеля и кобальта — для работы до 950 … 1000 ° С;
• — Сплавы на основе тугоплавких металлов (молибдена и др.) — Для работы при более высоких температурах — до 1300 … 2000 ° С и выше.

Жаропрочные стали. Применяют стали перлітного, мартенситного и аустенитного класса.

Перлитные стали — это низкоуглеродистых стали, легированные в небольших количествах (до 1%) хромом, молибденом и ванадием (табл. 10.1). Стали подвергают нормализации и дальнейшего стабілізуючому отпуска при температуре 600 … 750 ° С, получая структуру пластинчатого сорбита, что обеспечивает высокую длительную прочность. Стали применяют для деталей, работающих длительное время (10 000 … 100 000 ч) при температурах не выше 500 … 580 ° С. Основное назначение — детали котельного оборудования: паропроводы, крепления и т.п.

Мартенситные стали являются сложнолегованая. В их состав входят сильные карбидообразующие компоненты (Cr, W, V, Мо и др.) (См. Табл. 10.1). Эти элементы повышают температуру рекристаллизации, а также образуют сложные карбиды, что обеспечивает повышение жаропрочности. Упрочняющая обработка этих сталей заключается в закалке от высоких температур (с целью растворения карбидов в аустените) и последующем отпуске (при температуре выше, чем температура эксплуатации) на сорбит или троостит.

К мартенситним сталей относятся хромокремністие — сільхроми. Их отличительной особенностью является высокое сопротивление окислению, что обеспечивается высоким содержанием хрома и кремния.

Мартенситные жаропрочные стали применяются для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок, рабочая температура которых не превышает 600 ° С.

Сільхроми используют для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания.

Аустенитные стали (см. Табл. 10.1) применяют для деталей, работающих при температурах до 850 ° С. Стали на основе α-железа (перлитные, мартенситные) для работы при таких температурах пригодны, поскольку температура рекристаллизации Feα ниже, чем Feγ.

Аустенитная структура сталей достигается легированием никелем и марганцем — компонентами, которые расширяют область существования аустенита и понижают температуру Мн к негативной. Кроме того, такие стали содержат в большом количестве хром для обеспечения высокой окалиностойкости — сопротивление металла окислению при высоких температурах. Дополнительное легирование молибденом, а также бором и редкоземельными элементами позволяет повысить жаропрочность и технологические свойства.

Таблица 10.1

Химический состав жаропрочных сталей

Марка стали	Содержание компонентов,% масс.
	C	Cr	Ni	Mo	V	Другие
Стали перлітного класса
12ХМ	0,09 … 0,15	0,4 … 0,6	—	0,4 … 0,6	—	—
15ХМ	0.11 … 0,18	0,8 … 1,1		0,4 … 0,6
12Х1МФ	0,08 … 0,15	0,9 … 1,2	—	0.25 … 0,35	0,15 … 0,30	—
Стали мартенситного класса
12ХМБФ	0,08 … 0,12	2,1 … 2,6	—	0,5 … 0,7	0,20 … 0,35	0,2 N1)
Сільхроми
40Х9С2	0,35 … 0,45	8 … 10	—	—	—	2 … 3 Si
40Х10С2М	0,35 … 0,45	9 … 10,5	—	0,7 … 0,9	—	1,9 … 2,6 Si
Стали аустенитного класса
Не укрепляет термической обработкой
12Х18Н9Т	<0,12	17 … 19	8 … 9,5	—	—	0,8 Ti, <2,0 Μη
08Х18Н10Т	<0,12	17 … 19	9 … 11			0,5 … 0,7 Ti
Укрепляет термической обработкой (дисперсионное твердение)
40Х14Н14В2М	0,40 … 0,50	11 … 13	13 … 15	0,2 … 0,4		2,0 … 2,8 W

Аустенитные стали подразделяются па укрепляется и укрепляет термической обработкой.

Термическая обработка незміцнюючих сталей включает закалку от высоких температур (1050 … 1200 ° С) и старения (700 … 750 ° С). Цель обработки — не повышение прочности, а получение стабильной однородной структуры — однородного γ-твердого раствора с определенной величиной зерна. Такая термическая обработка также снимает напряжение, которые возникают в процессе изготовления деталей. Стали предназначены для длительной эксплуатации.

Повышение прочности сталей упрочняющими достигается за счет твердения (термическая обработка — закалка и последующее старение). Их преимущество в сравнении с незміцнюючих сталями проявляется при кратковременных сроках эксплуатации. При длительных сроках службы упрочняющая фаза коагулирует, жаропрочностью при этом снижается.

Жаропрочные стали мартенситного и аустенитного классов одновременно являются устойчивыми против коррозии.

Аустенитные стали пластичны, хорошо свариваются, но плохо обрабатываются резанием.

Жаропрочные сплавы — сплавы на основе никеля и тугоплавких металлов — ниобия, молибдена, вольфрама.

Никелевые сплавы. Суммарное содержание никеля и хрома в сплавах превышает 50%. Температура рекристаллизации сплавов и поэтому допустимая температура эксплуатации выше, чем у сталей. Наибольшее распространение получили сплавы на залізонікелевій и никелевой основе. В состав жаропрочных сплавов входят также титан и алюминий (табл. 10.2 и 10.3).

Жаропрочные сплавы используют для изготовления лопаток газовых турбин, крепежных деталей и дисков турбин, а также авиационных двигателей.

Сплавы на основе тугоплавких металлов. Сплавы на основе ниобия ВН2А (4% Мо, 0,7% Zr, ≤ 0,8% С), ВН4 (9,5% Мо, 1,5% Zr, 0,3% С) можно эксплуатировать до 1300 ° С , сплавы на основе молибдена (ВМ1 — 0,4% Ti, ≤ 0,01% С) — до 1300 … 1400 ° С, на основе вольфрама (W — 27Re) — до 2000 … 2200 ° С.

Жаростойкие стали и сплавы

При нагревании в коррозионно-активных средах — в большинстве случаев это кислород газы — металлы

Таблица 10.2

Химический состав жаропрочных сплавов на основе никеля

Марка сплава	Содержание компонентов,% масс.
	Cr	Ti	Al	Mo	W, Nb	Fe	Mn	Другие
ХН77ТЮР	19 … 22	2.5 … 2,9	0,6 … 1,0	—	—	≤ 1,0	≤0,4	—
ХН73МБТЮ	13 … 16	2,4 … 2,8	1,3 … 1,7	2,8 … 3,2	1,8 … 2,2 Nb	≤2,0	≤0,4	—
ХН70ВМЮ	9 … 11	—	4,5 … 5,5	5 … 6,5	4,5 … 5,5 W	≤5,0	≤0,4	До 0,7 V
ХН55ВМТКЮ	9 … 12	1,4 … 2,0	3,6 … 4,5	4 … 6	4,5 … 6,5 W	≤5,0	≤0,5	10 … 16 С

Таблица 10.3

Химический состав жаропрочных сплавов на основе железа и никеля

Марка сплава	Содержание компонентов,% масс.
	Cr	Ni	Al	W	Ti	Fe
ХН35ВТ	14 … 16	34 … 38	—	2,8 … 3,5	1,1 … 1,5	Ост.
ХН35ВТЮ	14 … 16	33 … 37	0,7 … 1,4	2,8 … 3,5	2,4 … 3,2	Ост.

подвергаются химической коррозии, окисления. Чем выше температура, тем быстрее развивается коррозия (рис. 10.7).

Процесс коррозии может быть замедлен, если на поверхности металла образуется плотная пленка окислов, препятствующая проникновению кислорода внутрь металла. Защитная пленка должна быть сплошной, пластической, прочно связанной с основным металлом. Образование такой пленки связано с наличием в составе сплава соответствующих легирующих компонентов, поэтому жаростойкость определяется только химическим составом сплава и не зависит от его структуры.

Железо образует с кислородом оксиды FeO, Fe3O4, Fc2O3. Окисленный слой, в котором преобладает FeO, является рыхлой, легко пропускает кислород и не имеет защитные свойства. Пленки на основе соединений Ре3О4 и Fe2O3 более плотные, но и они не защищают от окисления.

Для повышения жаростойкости в сталь вводят легирующие компоненты, которые имеют большее сродство к кислороду, чем железо, и образуют плотные оксидные пленки. К таким элементам относятся хром, кремний и алюминий.

Наиболее сильное влияние хрома на жаростойкость проявляется при его концентрации в сплаве 15 … 20%. Для работы при температурах до 800 ° С применяют ферритные и мартенситные хромистые стали, при более высоких температурах — аустенитные сплавы системы Fe — Ni — Cr» (табл. 10.4).

Содержание кремния и алюминия в сталях не превышает 4% за хрупкости сплавов с более высоким содержанием кремния и алюминия.

Рис. 10.7. Влияние температуры на скорость окисления железа

Таблица 10.4

Химический состав жаростойких сталей и сплавов

Марка стали (сплава)	Содержание компонентов,% масс.
	C	Fe	Ni	Cr	Al	Другие
стали
20Х23Н18	к	основа	17 …	22 …		Si ≤ 1%;
	0,12		… 20	… 25		Mn ≤ 2%
12Х25Н16ГАР	к	основа	15 …	23 …		7% Mn;
	0,2		… 18	… 26		0,3 … 5% N;
						0,01% В
сплавы
Xh5510	к	Ост.	44 …	15 …	2,9 …	—
	0,10		… 46	… 17	… 3,9
ХН78Т	к	6	основа	19 …	0,15 …	—
	0,12			… 22	… 0,35
Х116010	к	20	основа	15 …	2,6 …	—
	0,10			… 18	… 3,5

Жаростойкие стали и сплавы применяют для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, печного оборудования (ролики рольгангов, подовые плиты), сопловых аппаратов и жаровых труб в газотурбинных установках.

Характеристика жаропрочного металла; что собой представляет жаростойкая сталь

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:

• хром;
• кремний;
• алюминий.

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:

• 15Х25Т;
• 08Х17Т;
• 36Х18Н25С2;
• Х15Х6СЮ.

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:

• длительной;
• кратковременной.

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:

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

Жаростойкие стали могут представлять еще два типа:

• ферритные;
• мартенситные, или аустенитно-ферритные.

Среди сталей с мартенситной структурой наиболее известны:

• Х5 (из нее делают трубы, которые будут эксплуатироваться при температуре не больше 650°С).
• Х5М, Х5ВФ, 1 Х8ВФ, Х6СМ, 1 Х12Н2ВМФ (служат для изготовления изделий, которые эксплуатируются при 500-600°С определенное время (1000-10000 ч.).
• 3Х13Н7С2 и 4Х9С2 (изделия из них успешно эксплуатируются при 850-950°С, поэтому из них делают клапаны моторов транспортных средств).
• 1Х8ВФ (изделия из этой стали успешно эксплуатируются при температурах не больше 500°С 10000 ч. и дольше; в частности, из материала делают конструктивные элементы паровых турбин).

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:

• Х6С;
• Х7СМ;
• Х6СМ;
• Х9С2;
• Х10С2М;
• Х 13Н7С2.

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:

• 1 Х12СЮ;
• Х17;
• Х18СЮ;
• 0Х17Т;
• Х25Т;
• Х 28.

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

Из жаропрочной нержавейки изготавливаются:

• тонколистовой прокат;
• бесшовные трубы;
• агрегаты химической и пищевой промышленности.

Стали, в основе которых феррит и мартенсит, активно используются в производстве изделий различного назначения в машиностроении. Изделия из таких жаропрочных сплавов даже довольно длительное время успешно эксплуатируются при температуре до 600°C .

Самые распространенные марки данных жаропрочных сталей:

• Х6СЮ;
• 1Х13;
• 1 Х11МФ;
• 1Х12ВНМФ;
• 1 Х12В2МФ;
• 2 Х12ВМБФР.

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:

• Дисперсионно-твердеющие Х12Н20Т3Р, 4Х12Н8Г8МФБ, 4Х14Н14В2М, 0Х14Н28В3Т3ЮР.
• Гомогенные 1Х14Н16Б, 1Х14Н18В2Б, Х18Н12Т, Х18Н10Т, Х23Н18, Х25Н16Г7АР, Х25Н20С2.

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:

• Жаропрочные трубы, конвейеры для печей, емкости для цементации (Х20Н14С2 и 0Х20Н14С2).
• Пирометрические трубки (Х23Н13).

Тугоплавкие материалы

Стальные сплавы на базе тугоплавких металлов используются для производства изделий, которые эксплуатируются при 1000–2000°C .

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:

• основа – вольфрам и 30% рений;
• 60% ванадий и 40% ниобий;
• основа – 48% железо, 15% ниобий, 5% молибден, 1% цирконий;
• 10% вольфрама и тантала.

Сплавы на основе никеля и никель с железом

Сплавы на базе никеля (55% Ni) или выполненные на основе смеси его с железом (65%) – жаропрочные с высокими качествами жаростойкости. Базовый легирующий элемент для любых сталей этой категории – хром, которого содержится 14-23%.

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

Наиболее популярные:

• ХН60В;
• ХН67ВМТЮ;
• ХН70МВТЮБ;
• ХН70;
• ХН77ТЮ;
• ХН78Т;
• ХН78МТЮ;
• ХН78Т.

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:

• Элементы газовых конструкций и коммуникаций (ХН5ВМТЮ).
• Конструктивные элементы турбинных устройств (ХН5ВТР).
• Конструктивные элементы компрессоров – лопатки, диски (ХН35ВТЮ).
• Роторы для оснащения турбин (ХН35ВТ и ХН35ВМТ).

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.

Жаростойкие сплавы. Специальные стали и сплавы. Производство и использование жаростойких сплавов

Современную промышленность невозможно представить без такого материала, как сталь. С ней мы сталкиваемся практически на каждом шагу. С помощью введения в ее состав различных химических элементов можно значительно улучшить механические и эксплуатационные свойства.

Что такое сталь

Сталью называется сплав, который имеет в своем составе углерод и железо. Также такой сплав (фото расположено ниже) может иметь примеси других химических элементов.

Выделяют несколько структурных состояний. Если содержание углерода находится в пределах 0,025-0,8%, то данные стали называются доэвтектоидными и имеют в своей структуре перлит и феррит. Если сталь заэвтектоидная, то можно наблюдать перлитную и цементитную фазы. Особенностью ферритной структуры является большая пластичность. Цементит же обладает немалой твердостью. Перлит образуют обе предыдущие фазы. Он может иметь зернистую форму (по зернах феррита располагаются включения цементита, которые имеют круглую форму) и пластинчатую (обе фазы имеют вид пластин). Если сталь нагревается выше той температуры, при которой происходят полиморфные модификации, то структура изменяется на аустенитную. Данная фаза имеет повышенную пластичность. Если содержание углерода превышает 2,14%, то такие материалы и сплавы называют чугунами.

Виды стали

В зависимости от состава сталь может быть углеродной и легированной. Содержание углерода меньше 0,25% характеризует низкоуглеродистую сталь. Если его количество достигает 0,55%, то можно говорить о среднеуглеродистом сплаве. Сталь, которая в своем составе имеет больше 0,6% углерода, называется высокоуглеродистой. Если при том, как изготовляется сплав, технология подразумевает введение специфических химических элементов, то данная сталь называется легированной. Введение различных компонентов значительно меняет ее свойства. Если их количество не превышает 4%, то сплав низколегированный. Среднелегированная и высоколегированная сталь имеет соответственно до 11% и больше 12% включений. В зависимости от того, в какой сфере применяются стальные сплавы, выделяют такие их виды: инструментальные, конструкционные и специальные стали и сплавы.

Технология изготовления

Процесс выплавки стали довольно трудоемкий. Он включает в себя несколько этапов. Прежде всего, необходимо сырье – железная руда. Первый этап включает нагрев до определенной температуры. При этом происходят окислительные процессы. На втором этапе температура становится значительно выше. Процессы окисления углерода проходят более интенсивно. Возможно дополнительное обогащение сплава кислородом. Ненужные примеси удаляются в шлак. Следующий шаг направлен на удаление кислорода из стали, так как он существенно снижает механические свойства. Это может проводится диффузионным или осаждающим способом. Если процесс раскисления не происходит, то получаемая сталь называется кипящей. Спокойный сплав газы не выделяет, кислород удаляется полностью. Промежуточное положение занимают полуспокойные стали. Производство сплавов железа происходи в мартеновских, индукционных печах, кислородных конвертерах.

Легирование стали

Для того чтобы получить те или иные свойства стали, в ее состав вводят специальные легирующие вещества. Основными преимуществами такого сплава являются повышенная стойкость к различным деформациям, надежность деталей и прочих конструкционных элементов значительно возрастает. При закалке снижается процент трещин и других дефектов. Нередко такой метод насыщения разными элементами используется для придания стойкости к химической коррозии. Но имеется и ряд недостатков. Они требуют дополнительной обработки, высока вероятность появления флокенов. К тому же возрастает и стоимость материала. Наиболее распространенные легирующие элементы – хром, никель, вольфрам, молибден, кобальт. Область их применения довольно велика. Это и машиностроение, и изготовление деталей трубопроводов, электростанций, авиация и многое другое.

Понятие жаропрочности и жароустойчивости

Под понятием жаропрочности подразумевается способность металла или сплава сохранять все свои характеристики при работе в высоких температурах. В такой среде часто наблюдается газовая коррозия. Поэтому материал должен обладать и стойкостью к ее действию, то есть быть жаростойким. Таким образом, характеристика сплавов, которые используются при значительной температуре, должна включать оба этих понятия. Только тогда такие стали обеспечат необходимый ресурс работы для деталей, инструментов и других конструкционных элементов.

Особенности жаропрочной стали

В случаях, когда температура достигает больших значений, требуется применение сплавов, которые не будут разрушаться и поддаваться деформации. В этом случае используют жаростойкие сплавы. Рабочая температура для таких материалов – выше 500ºС. Немаловажными моментами, характеризующими подобные стали, являются высокий предел выносливости, пластичность, которая сохраняется долгое время, а также релаксационная устойчивость. Существует ряд элементов, способных значительно повысить стойкость к высоким температурам: кобальт, вольфрам, молибден. Обязательным компонентом является и хром. Он не столько влияет на прочность, как повышает окалиностойкость. Также хром препятствует коррозийным процессам. Еще одна важная характеристика сплавов подобного типа – медленная ползучесть.

Классификация жаропрочных сталей за структурой

Жаропрочные и жаростойкие сплавы бывают ферритного класса, мартенситного, аустенитного и с феритно-мартенситной структурой. Первые имеют в своем составе около 30% хрома. После специальной обработки структура становится мелкозернистой. Если температура нагрева превышает 850ºС, то зерна увеличиваются, и такие жаростойкие материалы приобретают хрупкость. Мартенситный класс характеризуется таким содержанием хрома: от 4% до 12%. Также в незначительных количествах может присутствовать никель, вольфрам и другие элементы. Из них изготовляют детали турбин, клапанов в автомобилях. Стали, которые имеют в своей структуре мартенсит и феррит, подходят для работы при постоянных высоких температурах и длительной эксплуатации. Содержание хрома достигает 14%. Аустенит получается при введении в жаропрочные сплавы никеля. Стали с подобной структурой имеют множество марок.

Сплавы на основе никеля

Никель обладает целым рядом полезных свойств. Он положительно влияет на обрабатываемость стали (как в горячем, так и в холодном состоянии). Если деталь или инструмент предназначены для работы в агрессивной среде, то легирование данным элементом существенно повышает стойкость против коррозии. Жаростойкие материалы на основе никеля разделяют на такие группы: жаропрочные и собственно жаростойкие. Последние должны иметь также минимальные жаропрочные характеристики. Рабочие температуры достигают 1200ºС. Дополнительно вводят хром или титан. Характерно, что стали, легированные никелем, имеют небольшое количество таких примесей, как барий, магний, бор, поэтому границы зерен более упрочнены. Жаропрочные сплавы такого типа выпускаются в виде поковок, проката. Также возможен отлив деталей. Основная область их применения – изготовление элементов газовых турбин. Жаростойкие сплавы на основе никеля имеют в составе и до 30% хрома. Они достаточно хорошо поддаются штамповке, свариванию. К тому же, окалиностойкость находится на высоком уровне. Это дает возможность использовать их в газопроводных системах.

Жаропрочная сталь, легированная титаном

Титан вводится в небольшом количестве (до 0,3%). В таком случае он повышает прочность сплава. Если его содержание значительно выше, то некоторые механические свойства ухудшаются (твердость, прочность). А вот пластичность при этом возрастает. Это облегчает обработку стали. При введении титана вместе с другими компонентами можно существенно повысить жаропрочные характеристики. Если есть необходимость работы в агрессивной среде (особенно в том случае, когда конструкция подразумевает сваривание), то легирование данным химическим элементом является оправданным.

Кобальтовые сплавы

Большое количество кобальта (до 80%) идет на производство таких материалов, как жаропрочные и жаростойкие сплавы, так как в чистом виде он редко применяется. Его введение повышает пластичность, а также стойкость при работе с высокими температурами. И чем она выше, тем выше количество кобальта, введенного в сплав. В некоторых марках его содержание достигает 30%. Еще одна характерная черта подобных сталей – улучшение магнитные свойства. Однако в связи с большой стоимостью кобальта, его применение довольно ограничено.

Влияние молибдена на жаропрочные сплавы

Данный химический элемент существенно влияет на прочность материала при высоких температурах.

Особенно эффективно его применение вместе с другими элементами. Он значительно повышает твердость стали (уже при содержании 0,3%). Предел прочности также возрастает. Еще одна положительная черта, которую имеют жаропрочные сплавы, легированные молибденом – большая степень сопротивления окислительным процессам. Молибден способствует измельчению зерна. Недостатком является затруднение проведения сварки.

Другие специальные стали и сплавы

Для выполнения тех или иных заданий требуются материалы, которые обладают определенными свойствами. Таким образом, можно говорить об использовании специальных сплавов, которые могут быть как легированными, так и углеродными. В последней набор требуемых характеристик достигается за счет того, что изготовление сплавов и их обработка происходит за специальной технологией. Еще специальные сплавы и стали разделяют на конструкционные и инструментальные. Среди основных задач для подобного типа материалов можно выделить следующие: стойкость к процессам коррозии и износу, возможность работы в агрессивной среде, повышенные механические характеристики. В эту категорию относятся и жаростойкие стали и сплавы с высокой рабочей температурой, и криогенные стали, которые способны выдерживать до -296ºС.

Инструментальная сталь

Для изготовления инструментов в производстве используется специальная инструментальная сталь. Ввиду того, что условия работы их разные, материалы также подбираются индивидуально. Так как требования к инструментам достаточно высоки, то и характеристика сплавов для их производства соответственная: они должны быть без сторонних примесей, включений, процесс раскисления хорошо проведен, а структура однородная. Для измерительных приборов очень важно иметь стабильные параметры и противодействовать изнашиванию. Если говорить о режущих инструментах, то они работают в условиях повышенных температур (имеет место нагревание кромки), постоянного трения и деформации. Поэтому для них очень важно сохранять первичную твердость при нагревании. Еще один вид инструментальной стали – быстрорежущая. В основном, она легируется вольфрамом. Твердость сохраняется до температуры около 600ºС. Существуют также и штамповые стали. Они предназначены как для горячего, так и для холодного деформирования.

Область применения сплавов специального назначения

Отраслей, в которых применяются сплавы с особенными характеристиками, множество. Ввиду своих улучшенных качеств, они являются незаменимыми в машиностроении, строительстве, нефтяной промышленности. Жаропрочные и жаростойкие сплавы применяются при изготовлении деталей турбин, запчастей для автомобилей. Стали, которые обладают высокими антикоррозийными характеристиками, незаменимы для производства труб, игл карбюраторов, дисков, всевозможных элементов химической промышленности. Рельсы для железной дороги, ковши, гусеницы для транспорта – основой для всего этого являются износостойкие стали. В массовом производстве болтов, гаек и других подобных деталей используются сплавы автоматные. Рессоры должны быть достаточно упругими и износостойкими. Поэтому материалом для них является пружинная сталь. Для улучшения данного качества они дополнительно легируются хромом, молибденом. Все специальные сплавы и стали с набором определенных характеристик позволяют снизить стоимость деталей там, где раньше применялись цветные металлы.

Жаростойкость и жаропрочность – это важные характеристики сталей

Жаростойкость и жаропрочность являются очень важными характеристиками. Некоторые изделия машиностроения работают в очень сложных условиях при повышенных температурах. Обычные конструкционные стали при нагреве скачкообразно меняют свои механические и физические свойства, начинают активно окисляться и образовывать окалину, что совершенно неприемлемо и создает угрозу выхода из строя всего узла, а возможно, и серьезной аварии. Для работы при повышенных температурах инженеры-материаловеды при помощи металлургов создали ряд специальных сталей и сплавов. В данной статье дается их краткая характеристика.

Жаропрочные стали

Многие люди отождествляют понятие жаростойкости с таким понятием, как жаропрочность. Этого делать ни в коем случае нельзя. Жаропрочность еще называют красноломкостью. И под этим понятием подразумевают способность металла (либо сплава) сохранять высокие механические свойства при работе в условиях повышенных температур. То есть такой металл, даже будучи нагретым до красного свечения (оно характерно для температур выше 550 °С), не поползет и сохранит достаточную жесткость.

Говоря простым языком, жаропрочность – это способность материала сохранять работоспособность при нагреве до высоких температур. Обычные конструкционные стали даже при незначительном нагреве становятся пластичными, что исключает возможность их применения для изготовления изделий, работающих при высоких температурах.

Разные марки металлов и сплавов обладают различной жаропрочностью. Этот показатель зависит от химического состава материала. Испытания на жаропрочность могут проводиться на протяжении длительного времени. Но чаще всего образцы, нагретые в печи до определенной температуры, испытывают на растяжение в течение короткого отрезка времени.

Жаростойкие стали

Жаростойкость, в отличие от жаропрочности, – это способность материалов противостоять развитию коррозионных процессов при работе в условиях высоких температур. Обычные стали, если их подвергнуть нагреву (за исключением термической обработки в защитной атмосфере или в вакууме), начинают окисляться. Кроме того, при длительном нагреве углерод на поверхности изделия начинает выгорать. В результате поверхность обедняется углеродом, что приводит к резкому изменению механических свойств (прежде всего, твердости) на поверхности. Износостойкость падает. Получает развитие такое негативное явление, как задиры. Данная группа сталей может работать при температурах около 550 °С.

С целью увеличить жаростойкость стали, ее расплав легируют кремнием, алюминием и хромом. Иногда достаточно повысить жаростойкость поверхности детали. В таком случае прибегают к силицированию или алитированию (насыщению поверхностного слоя соответственно атомами кремния или алюминия) в порошковой среде.

Материалы с высокой температурой плавления

При эксплуатации в условиях особенно высоких температур рассмотренные материалы не могут использоваться, так как при температуре в районе 2000 °С начинает протекать оплавление (выделяется жидкая фаза). Для этих целей используют тугоплавкие металлы: вольфрам, ниобий, ванадий, цирконий и так далее. Эти материалы довольно дорогие, но инженеры еще не нашли для них достойной альтернативы.

Характеристика сплавов на основе хрома и никеля

Сплавы, обладающие большой жаропрочностью, очень востребованы в энергетическом машиностроении (лопатки паровых турбин, части двигателей летательных аппаратов и так далее). Причем потребность в подобных материалах постоянно растет. Более того, производство требует от ученых получения все более и более совершенных материалов, способных сохранять свою работоспособность при очень высоких температурах. Поэтому постоянно ведутся работы по увеличению показателей жаропрочности. Никель, точнее легирование этим элементом стали, способствует этому.

Все жаростойкие стали легируются никелем (не менее 65 %). В обязательном порядке имеется и хром. Содержание этого элемента не должно быть менее 14 %. В противном случае поверхность металла будет интенсивно окисляться.

Стали, дополнительно легируются алюминием, ванадием и другими тугоплавкими элементами. Алюминий, например, даже при комнатной температуре покрывается тонкой окисной пленкой, которая препятствует проникновению коррозии вглубь металла. То есть не образуется окалина.

12. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИ КОМНАТНЫХ И ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 

Жаропрочными называют стали и сплавы, сохраняющие при повышенных температурах в течение определенного времени высокую механическую прочность и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Жаростойкими (окалиностойкими) называют стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550 ° С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

Жаропрочность характеризуется, в основном, пределами ползучести и длительной прочности. Ориентировочно о жаропрочности судят также по механическим свойствам, определяемым кратковременным испытанием на растяжение при рабочей температуре.

Дополнительные характеристики жаропрочности: длительная пластичность, релаксационная стойкость, предел выносливости, термостойкость и др.

Жаропрочность стали (сплава) определяется химическим составом и структурой; к числу элементов, повышающим жаропрочность, относятся молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан, кобальт, алюминий и отчасти хром и никель. Последний, наряду с марганцем, имеет значение, главным образом, как аустенитообразующий элемент (поскольку аустенитная структура создает наибольшую жаропрочность стали). На жаропрочные свойства хром влияет меньше, чем многие другие элементы. Однако его присутствие в стали или сплаве наряду с алюминием и кремнием повышает их жаростойкость (окалиностойкость). Поэтому хром — обязательный компонент жаропрочных сталей и сплавов.

Классификация

К жаропрочным сталям относят сплавы на основе железа, если содержание последнего превышает 50 %.

В зависимости от суммарного содержания легирующих элементов жаропрочные стали могут быть низко-, средне- и высоколегированными.

В низколегированной стали суммарное содержание легирующих элементов не превышает 4–5 %. Среднелегированной называется сталь с суммарным содержанием легирующих элементов от 5 до 9 %, причем содержание каждого из них не должно превышать 5 %. Высоколегированной называют сталь, в которой содержание любого легирующего элемента превосходит 5 %, либо суммарное содержание всех легирующих элементов — более 10 %.

По микроструктуре (получаемой после охлаждения на воздухе с высокой температуры) жаропрочные стали подразделяют на семь классов: перлитный, мартенситный, мартенситно-ферритный, ферритный, аустенитно-мартенситный, аустенитно-ферритный, аустенитный.

Низколегированные стали относятся к перлитному классу, среднелегированные — к перлитному, мартенситному или мартенситно-ферритному, высоколегированные — к любому из перечисленных классов, кроме перлитного.

К сплавам на железоникелевой основе относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе. Суммарное содержание железа и никеля не менее 65 %.

К сплавам на никелевой основе относятся сплавы, содержащие не менее 50 % Ni, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в никеле (содержание железа не более 6–8 %).

Стали перлитного класса

Среди низколегированных сталей высокой жаропрочностью отличаются молибденосодержащие стали, например, хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые, хромомолибденовольфрамованадиевые, имеющие достаточно высокие сопротивление ползучести и длительную прочность при температурах до 565–580 °С. Такие стали условно называют теплоустойчивыми.

Химический состав теплоустойчивых сталей перлитного класса приведен в ГОСТ 20072–74, ГОСТ 4543–71, ТУ 14-1-1391–75. Они содержат 0,5–3,3 % Cr; 0,25–1,2 % Мо; 0,15–0,8 % V. Некоторые марки содержат 0,3–0,8 % W либо Nb.

Эти стали применяют для изготовления различных деталей в котлостроении, работающих длительное время (10 000–100 000 ч) при температурах 500–580 °С, в частности, для паропроводных и пароперегревательных труб, а также для проката и поковок, используемых в турбинах и паровых котлах высокого давления. Механические свойства при повышенных температурах, определяемые кратковременным испытанием на растяжение, как правило, не регламентируются. Решающее значение имеют нормы длительной прочности и ползучести при рабочих температурах в зависимости от длительности службы за время 10 000–100 000 ч Стали мартенситного класса

Стали мартенситного класса содержат 4,5–12 % Cr, а также в значительно меньшем количестве Ni, W, Mo, V.

Стали марок 15Х5, 15Х5М, 15Х5ВФ и 15Х8ВФ широко применяют для изготовления элементов аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов – деталей насосов, задвижек, крепежных деталей, крекинговых труб, работающих при температурах 550–600 °С. Стали этой же группы с более высоким содержанием Cr (6–10 %) и с повышенным содержанием Si (2–3 %), в основном, применяют для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания.

Сталь 11Х11Н2ВМФ применяют для дисков компрессоров и для других деталей, работающих при температурах до 600 °С с ограниченным сроком службы.

Стали мартенситно-ферритного класса

Стали мартенситно-ферритного класса содержат в структуре кроме мартенсита 10–25 % феррита. Основная легирующая добавка и в этих сталях — Cr (11–13 %), наряду с которым присутствуют менее значительные присадки Ni, W, Mo, Nb, V (модифицированные хромистые стали). Их термическая обработка заключается либо в закалке с отпуском, либо в нормализации с отпуском. Механические свойства при надлежащей температуре отпуска практически равноценны. Уровень жаропрочных свойств после оптимальной термической обработки для большинства сталей мартенситно-ферритного класса также примерно одинаков. Однако наиболее высокие (при обработке на одинаковую твердость) характеристики жаропрочности при 500–600 °С у стали 18Х12ВМБФР.

Эти стали изготовляют в виде сортового проката и применяют в турбостроении для лопаток и дисков турбин, а также для крепежных деталей. Ориентировочная рабочая температура для стали 15Х12ВНМФ — 550–580 °С и 570–600 °С — для стали 18Х12ВМБФР.

Стали аустенитного класса

Стали аустенитногокласса – в основном хромоникелевые стали с содержанием Cr и Ni в пределах от 7 до 25 % каждого, наряду с которыми присутствуют W, Mo, Ti, Nb и др.

Это самая многочисленная группа жаропрочных (и жаростойких) сталей (см. ГОСТ 5632–72).

В марках этих сталей приняты следующие обозначения для легирующих элементов: А — N, Б — Nb, В — W, Г — Mn, К — Co, М — Mo, Н — Ni, P — B, C — Si, T — Ti, Ф — V, X — Cr, Ю — Al. Цифра после буквы указывает на округленное (среднемарочное) содержание этого элемента в процентах (при содержании менее 1 % цифру не пишут). Исключение — углерод, содержание которого первые две цифры марки выражают в десятых процента. Например, марка 45Х14Н14В2М следующего состава: 0,45 % С, 14 % Cr, 14 % Ni, 2 % W, и ≤ 1 % Мо. Характеристики механических свойств сортового проката из жаропрочных аустенитных сталей, а также оптимальные режимы термической обработки приведены в табл. 12.4.

В соответствии с особенностями легированного аустенита характеристики жаропрочных свойств аустенитных сталей более высоки), чем у жаропрочных сталей перлитного или мартенситного классов.

Сталь 08Х18Н10Т применяют как жаропрочную и жаростойкую. При температуре до 600 °С у стали стабильные механические свойства, она устойчива против межкристаллитной коррозии и хорошо сваривается. Сталь этой марки изготовляют в виде сортового проката, поковок, листа, труб для энергетического и химического оборудования. Аналогичные свойства у стали 12Х18Н12Т, которую применяют в тех же областях техники.

У хромоникельвольфрамовых аустенитных сталей (45Х14Н14В2М) повышенные жаропрочность и сопротивление усталости при высоких температурах. Сталь 45Х14Н14В2М находит применение для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания. Для длительных сроков службы при температурах 600–650 °С рекомендуется сталь того же типа с пониженным содержанием С (до 0,15 %).

Аустенитные стали применяют, как правило, для изготовления деталей, работающих при температурах 650–700 °С весьма длительное время. Механические свойства этих сталей при температуре 20 °С похожи, но пределы длительной прочности и ползучести отличаются весьма существенно (табл. 12.4, 12.5). Наиболее жаропрочные из них стали 09Х14Н19В2БР1 и 09Х14Н19В2БР, которые применяют для изготовления пароперегревательных и паропроводных труб установок сверхвысокого давления.

Хромомарганцевые стали марок 30Х13Г18Ф и 37Х12Н8Г8МФБ — заменители жаропрочных сталей с более высоким содержанием никеля. Эти стали имееют достаточно высокую длительную прочность при температурах 500–650 °С.

Классификация алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы, наряду с сохранением достоинств алюминия, обладают значительно более высокой прочностью и требуемыми эксплуатационно-технологическими характеристиками.

Основными легирующими элементами в алюминиевых сплавах являются Cu, Zn, Mg, Mn, Zr. В условиях равновесия алюминиевые сплавы представляют собой равновесный твердый раствор с выделениями интерметаллидных фаз типа CuAl₂  (q -фаза), Al₂CuMg (S-фаза), Al₆CuMg₄ (Т-фаза) и др. Помимо основных элементов в сплавы вводят малые добавки Cr, Zr, Ti, Sc, V, Be и некоторые редкоземельные элементы, которые существенно влияют на кинетику распада пересыщенного твердого раствора, на процесс рекристаллизации и размер зерна, на коррозионные и технологические свойства.

Большое влияние на технологические, особенно литейные свойства, в частности на пластичность и склонность к кристаллизационным трещинам, оказывают уровень и соотношение постоянно присутствующих примесей железа и кремния. При уменьшении содержания этих примесей и, соответственно, количества грубых первичных интерметаллидов в сплавах существенно повышаются характеристики пластичности и вязкости разрушения. Поэтому для техники ответственного назначения, в том числе для авиакосмической, разработаны сплавы с жестким ограничением по примесям, которые в марке имеют обозначение «ч» — чистые; «пч» — повышенной чистоты; «оч» — особой чистоты.

Состав промышленных алюминиевых сплавов (ГОСТ 4784–97, ГОСТ 1583–93 и др.), структура и свойства изделий из них в значительной степени определяются способом производства. По способу производства алюминиевые сплавы делятся на две основные группы: деформируемые и литейные.

По способности к упрочнению термической обработкой алюминиевые сплавы подразделяются на неупрочняемые термообработкой и упрочняемые термообработкой (см рис 16.1).

Рис. 16.1 Типовая диаграмма состояния сплавов Al—легирующий элемент (схема): Д — деформируемые сплавы; Л — литейные сплавы; I — сплавы, не упрочняемые термической обработкой; II — сплавы, упрочняемые термической обработкой

В зависимости от уровня прочности, технологических свойств и назначения алюминиевые сплавы разделяют на сплавы высокой, средней и пониженной прочности; ковочные, заклепочные, свариваемые; коррозионностойкие, жаропрочные, криогенные, со специальными физическими свойствами (например, пониженной плотности) и др.

ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Общие сведения

Из деформируемых сплавов методом полунепрерывного литья получают круглые и плоские слитки, которые подвергают горячей и холодной обработке давлением (прессованию, прокатке, ковке, штамповке и др.). Главной структурной составляющей деформируемых сплавов является твердый раствор на основе алюминия, а объемная доля хрупких интерметаллидов сравнительно невелика (не более 10 %), что обеспечивает деформируемость этих сплавов.

Упрочнение деформируемых алюминиевых сплавов, а также изменение физических, технологических, коррозионных свойств достигается с помощью различных методов: нагартовки, термической обработки (закалка + старение), термомеханической обработки (сочетание термической обработки и пластической деформации), закалки из жидкого состояния и упрочнения нерастворимыми частицами оксида алюминия, интерметаллидов и др. (порошковые материалы).

Упрочнение нагартовкой, повышающее прочностные свойства, применяется особенно широко для термически неупрочняемых сплавов и при термомеханической обработке — для термоупрочняемых сплавов. Сильная нагартовка используется для изделий простой формы (листы, плиты, иногда поковки).

Значительная часть алюминиевых деформируемых сплавов упрочняются термической обработкой: закалкой и естественным (искусственным) старением. Содержание основных легирующих элементов в таких сплавах как правило не превышает их растворимости в алюминии при высокой температуре. После закалки структура сплавов представляет собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии. Такая структура, в отличие от закаленных сталей, обладает невысокой прочностью и повышенной пластичностью. При последующем старении происходит закономерное изменение структуры и свойств сплавов в результате распада пересыщенного раствора с образованием интерметаллидов.

Для всех алюминиевых сплавов этот процесс имеет общие закономерности. На первой стадии старения возникают зоны Гинье—Престона (ГП), в которых в результате повышенной концентрации легирующего элемента наблюдается сильное искажение кристаллической решетки, приводящее к увеличению прочности и твердости. Эта стадия называется стадией зонного старения. При повышении температуры старения (или увеличении его продолжительности при достаточно высокой температуре) возникают частицы метастабильных фаз, когерентно связанных с матрицей твердого раствора, —стадия фазового старения. Затем появляются более крупные частицы метастабильных фаз — стадия коагуляции. В дальнейшем частицы метастабильных фаз обособляются и укрупняются — стадия отжига. При этом искаженность решетки снижается и, следовательно, снижаются прочность и твердость.

Для каждой стадии старения независимо от систем алюминиевых сплавов характерен определенный комплекс свойств. Зонному старению свойственны относительно низкий предел текучести (s _0,2/s _в = 0,6–0,7), высокое относительное удлинение (d  >  10–15%), высокая коррозионная стойкость, в том числе и стойкость против коррозии под напряжением, высокая вязкость разрушения, низкая чувствительность к трещине.

Для фазового старения характерны высокий предел текучести (s _0,2/s _в = 0,9–0,95), низкая пластичность, пониженные вязкость разрушения, сопротивление коррозии под напряжением и расслаивающей коррозии.

На стадии коагуляции прочностные свойства, достигнув максимума, снижаются, при этом значительно улучшается сопротивление коррозии под напряжением и замедленному разрушению.

Для каждого стареющего алюминиевого сплава имеются свои температурно-временные области зонного и фазового старения. Для сплавов систем Al—Cu—Mg, Al—Mg—Si, Al—Cu—Mg—Si и Al— Zn—Mg—Cu зонное старение протекает при 20 ° С. Для сплавов системы Al—Zn—Mg при 20 ° С наблюдается фазовое старение. Сплавы систем Al—Cu—Li, Al—Mg—Li при 20 ° С практически не старятся; для осуществления зонного старения их необходимо подогревать. Поэтому термины «естественное старение» и «искусственное старение» следует употреблять только для указания условий старения — без подогрева или с подогревом. Для характеристики структурного состояния и соответствующего ему комплекса свойств надо использовать термины «зонное старение», «фазовое старение» и «коагуляция при старении».

 

Термически неупрочняемые коррозионностойкие и свариваемые сплавы

Сплавы системы Al—Mn

Сплавы алюминия с марганцем, а в ряде случаев с добавкой магния (табл. 16.6), отличаются невысокой прочностью и высокой пластичностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

Эффект твердорастворного упрочнения в этих сплавах невелик, и для дополнительного упрочнения используют холодную деформацию. Из этих сплавов производят различный полуфабрикат: листы, трубы, плиты, проволоку и др. Технологические свойства. Сплавы Al—Mn не упрочняются термической обработкой. Для полного разупрочнения нагартованного материала проводится отжиг при температуре 300–500 ° С с охлаждением на воздухе. Для частичного разупрочнения и повышения пластичности проводится низкотемпературный отжиг при 200–290 ° С.

При производстве полуфабрикатов эти сплавы деформируются в горячем (при 320–470 ° С) и холодном состоянии. Температура ковки и штамповки 420–470 ° С, охлаждение на воздухе.

Параметры штампуемости листов из сплава АМц в отожженном состоянии при операциях формообразования деталей следующие: при вытяжке К_выт = 1,8–1,9; при отбортовке К_отб = 1,4–1,5; при выдавливании К_выд = 18–22 %; минимальный радиус гиба R_min = (0,8–0,555) × s (s — толщина листа).

Сплавы Al—Mn хорошо свариваются аргонодуговой, газовой и контактной сваркой. Обрабатываемость резанием неудовлетворительная, особенно в отожженном состоянии.

Применение. Эти сплавы используются в различных отраслях промышленности: для малонагруженных деталей (сварные баки, бензо- и маслопроводы и др.), изготовляемых глубокой вытяжкой; для радиаторов тракторов и автомобилей, в строительстве, для упаковочных материалов, заклепок и т. д.

Сплавы системы Al—Mg (магналии)

Алюминиевые деформируемые сплавы на основе системы Al—Mg являются термически неупрочняемыми. Они имеют невысокие прочностные характеристики — временное сопротивление и, в особенности, предел текучести, но отличаются высокой пластичностью, хорошей коррозионной стойкостью в различных средах и хорошо свариваются аргонодуговой сваркой.

Применение. Полуфабрикаты из сплавов АМг1, АМг0,5 используются в изделиях, где требуется повышенная декоративность и высокая отражательная способность.

Сплавы АМг2, АМг3 применяются в слабонагруженных сварных конструкциях, способных работать длительное время в достаточно агрессивной коррозионной атмосфере. Эти сплавы наиболее широко используются и главным образом в виде листов.

Сплавы АМг5, АМг6 применяются в сварных конструкциях для изготовления емкостей, используемых в том числе и при криогенных температурах.

Полуфабрикаты из сплава АМг61 нашли применение в судостроении. Сплав 01570 является сравнительно новым, и полуфабрикаты из этого сплава (наряду со сплавами АМг5, АМг6) применяются в ракетно-космической технике, а также опробуются для других целей.

Сплавы повышенной пластичности и ковочные

Коррозионностойкие сплавы повышенной пластичности системы Al—Mg—Si

Сплавы системы Al—Mg—Si относятся к термически упрочняемым сплавам. Они обладают хорошей коррозионной стойкостью, технологичностью в металлургическом и машиностроительном производстве, способностью подвергаться цветному анодированию, эмалированию (покрытие пленкой из эмалевого лака или смолы) и электрохимическому оксидированию для получения непрозрачной эмалевидной пленки молочного цвета с окрашиванием в любой цвет.

Высокая пластичность в горячем состоянии позволяет изготовлять из них сложные по конфигурации тонкостенные полые полуфабрикаты. Высокую пластичность сплавы имеют в отожженном, свежезакаленном и естественно состаренном состоянии, что позволяет подвергать их штамповке, вытяжке и другим операциям со значительными степенями деформации. При этом материал сравнительно мало упрочняется и допускает значительно большие вытяжки, чем сплавы АМг5 и АМг6 системы Al—Mg, которые быстро наклепываются при холодной пластической деформации.

Марки и химический состав сплавов этой системы приведены в табл. 16.14 (эти сплавы называют авиалями).

Сплав АД31 характеризуется минимальной прочностью, не содержит элементов антирекристаллизаторов (Mn, Cr), что повышает однородность и устойчивость твердого раствора и улучшает декоративный вид полуфабрикатов.

Термическая обработка. Сплавы упрочняются термической обработкой по следующим режимам:

• закалка (нагрев до 510–535 ° С и последующее охлаждение в холодной воде) + естественное старение в течение 10–15 сут.;

• закалка + искусственное старение при 160–170 ° С в течение 10–12 ч.

Процесс естественного старения сплавов системы Al—Mg—Si замедленный по сравнению со сплавами типа дуралюмина. Эффект естественного старения достаточно высок и составляет 30–40 % от s _в и около 50 % от s _0,2 в свежезакаленном состоянии. Максимальные прочностные свойства при удовлетворительной пластичности обеспечиваются искусственным старением.

Технологические свойства. Сплавы АД31, АД33, АД35 и АВ хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. Пластичность сплавов при температуре обработки давлением 450–500 ° С высокая. Допустимая степень деформации за один прогрев 85 %.

Для обеспечения высокой пластичности при холодной деформации сплавы отжигают. Для снятия технологического наклепа, полученного в результате холодной деформации, рекомендуется проводить отжиг при 350–370° С в течение 0,5–1,5 ч, охлаждение на воздухе.

Применение. Из сплавов АД31, АД33 и АД35 выпускаются преимущественно прессованные полуфабрикаты и штамповки, а из сплава АВ — плиты, листы, прессованные полуфабрикаты и штамповки. Механические характеристики полуфабрикатов сплавов приведены в табл. 16.16.

Сплав АД31 применяется для деталей невысокой прочности (s _в= 200 МПа) с хорошей коррозионной стойкостью и декоративным видом, работающих в интервале температур от –70 до 50 ° С. Сплав применяется с различными цветовыми покрытиями, в том числе для ювелирных изделий «под золото», отделки кабин самолетов и вертолетов. Сплав широко используется в гражданском строительстве для оконных витражей, дверных рам, перегородок, эскалаторов, а также в мебельной, автомобильной, легкой промышленностях. При применении специальной термомеханической обработки сплав АД31Е приобретает высокие электрические свойства при относительно высоких прочностных свойствах.

Сплав АД33 применяется для деталей средней прочности (s _в £ 270 МПа), от которых требуется удовлетворительная коррозионная стойкость во влажной воздушной и морской средах (лопасти вертолетов, барабаны колес гидросамолетов). Сплав АД33 и его сварные конструкции успешно работают при температурах до 200 ° С, а также в криогенной технике (трубопроводы, патрубки), в судостроении и гражданском строительстве.

Сплав АД35 применяется для деталей средней прочности (s _в ³ 300 МПа) в закаленном и искусственно состаренном состояниях или при s _в ³  200 МПа в закаленном и естественно состаренном состояниях, от которых требуется высокая коррозионная стойкость и равномерная структура, практически без крупнокристаллического ободка (см. гл. 3). В судостроении для различных деталей и конструкций используются профили из этого сплава в закаленном и естественно состаренном состояниях.

Сплав АВ (s _в ³ 300 МПа) применяется для деталей самолетов, двигателей, от которых при изготовлении требуется высокая пластичность в холодном и горячем состояниях, лопастей вертолетов, штампованных и кованых деталей сложной формы.

 

Ковочные сплавы системы Al—Cu—Mg—Si

К этой системе принадлежат сплавы АК6 и АК8, которые обладают хорошей пластичностью и стойкостью к образованию трещин при горячей пластической деформации. Их применяют для изготовления штамповок и поковок. Эти сплавы термически упрочняемые.

Дополнительное легирование сплавов медью повышает эффект упрочнения по сравнению с авиалями при некотором снижении относительного удлинения, вязкости разрушения и сопротивления коррозионному растрескиванию.

Небольшие добавки титана (0,10–0,15 %) и хрома (≈ 0,01 %) позволяют устранить столбчатую структуру слитков и повысить пластичность в горячем состоянии. После термообработки сплавы с этими добавками имеют сильно измельченную структуру и повышенные механические свойства.

Термическая обработка. Сплавы АК6 и АК8 применяются в закаленном и, как правило, в искусственно состаренном состоянии. Для получения высоких механических свойств полуфабрикатов и деталей из этих сплавов охлаждение при закалке проводят в воде с температурой не выше 40 ° С. Для снижения закалочных напряжений и коробления при закалке массивных, сложных по конфигурации деталей и полуфабрикатов из сплавов АК6 с толщиной стенки до 30 мм допускается охлаждение в воде, нагретой до 80–90 ° С, а с толщиной до 150 мм — до 70–80 ° С. Закалка в горячей воде вызывает снижение прочностных характеристик на ≈ 5 %, но не ухудшает другие свойства. При этом наблюдается некоторое повышение сопротивления коррозионному растрескиванию.

Технологические свойства. Сплавы АК6 и АК8 имеют высокие технологические свойства при непрерывном литье, горячей обработке давлением (свободной ковке, штамповке, прессовании). Сплавы хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. Температурный интервал горячей деформации составляет 420–470 ° С.

Сплав АК6 может успешно деформироваться и в более высоком температурном интервале. Деформация сплава при 505–525 ° С с непосредственной закалкой в воде и последующее старение (ВТМО) приводят к некоторому повышению прочности и является перспективным технологическим процессом.

Применение. Сплав АК8 вошел в международные стандарты под маркой 2014. Он особенно широко применяется за рубежом, причем не только в виде кованых, но и катаных, и прессованных полуфабрикатов.

Сплав АК6 — высокотехнологичный оригинальный российский ковочный сплав средней прочности с хорошими характеристиками вязкости и пластичности. Из него изготовляют стыкующие детали планера пассажирских самолетов длительного ресурса. Отечественные авиастроители на основании продолжительного опыта отдают предпочтение этому сплаву для применения в сложных штампованных деталях, требующих повышенной выносливости.

Сплавы АК6 и АК8 используются для ответственных силовых деталей авиационной техники, в частности в крыльях пассажирских самолетов.

Сплав АК6 применяют для изготовления сложных штамповок: крыльчаток компрессора, крыльчаток вентилятора для компрессоров реактивных двигателей, корпусных деталей агрегатов.

Кроме того эти сплавы широко используют в строительстве, транспорте, электротехнике и других отраслях промышленности.

 

Лекция 20 Коррозионно-стойкие стали и сплавы. Жаростойкие стали и сплавы. Жаропрочные стали и сплавы

 

 

1. Коррозия электрохимическая и химическая.

2. Классификация коррозионно-стойких сталей и сплавов

3. Хромистые стали.

4. Жаростойкость, жаростойкие стали и сплавы.

5. Жаропрочность, жаропрочные стали и сплавы

6. 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.

Электрохимическаякоррозия 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 коррозияможет 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.

 

Содержание хрома должно быть не менее 13% (13…18%).

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 класса08Х13, 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^oС

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^oC и отпуска при 700…750^oС 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 класса20Х13, 30Х13, 40Х13. После закалки и отпуска при 180…250^oС 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^oC 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 стали12Х21Н5Т, 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^oC и отпуск-старение при температуре 500…750^oC.

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 сплавына никелевой основе.Сплавы типахастеллойсодержат 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^oС – 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^oC без больших нагрузок, то достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей).

Сплавы на основе железа при температурах выше 570^oC 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.

Чем выше содержание хрома, тем более окалиностойки стали (например, сталь 15Х25Т является окалиностойкой до температуры 1100…1150^oC).

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 прочностьопределяется с помощью испытаний на растяжение разрывных образцов. Образцы помещают в печь и испытывают при заданной температуре. Обозначают кратковременную прочность=, например^300oС= 300МПа.

Прочность зависит от продолжительности испытаний.

Пределом длительной прочностиназывается 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

 

1. ОА – упругая деформация образца в момент приложения нагрузки;

2. АВ – участок, соответствующий начальной скорости ползучести;

3. 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^oС.

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^oС, 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 аустенитныежаропрочные стали,никелевые и кобальтоавыежаропрочные сплавы,тугоплавкиеметаллы.

При температурах до 300^oC обычные конструкционные стали имеют высокую прочность, нет необходимости использовать высоколегированные стали.

Для работы в интервале температур 350…500^oC 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 мартенситногокласса12Х2МФСР, 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^oС 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^oС и отпуску при температуре 720…780^oС.

При рабочих температурах 500…700^oC 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^oС, из-за выделения по границам различных фаз.

По структуре стали подразделяются на две группы:

1. Аустенитные стали с гомогенной структурой17Х18Н9, 09Х14Н19В2БР1,12Х18Н12Т. Содержание углерода в этих сталях минимальное. Для создания большей однородности аустенита стали подвергаются закалке с 1050…1100^oС в воде, затем для стабилизации структуры – отпуску при 750^oС.

2. Аустенитные стали с гетерогенной структурой 37Х12Н8Г8МФБ, 10Х11Н20Т3Р.

Термическая обработка сталей включает закалку с 1050…1100^oС. После закалки старение при температуре выше эксплуатационной (600…750^oС). В процессе выдержки при этих температурах в дисперсном виде выделяются карбиды, карбонитриды, вследствие чего прочность стали повышается.

Детали, работающие при температурах 700…900^oC, изготавливают из сплавов на основеникеля 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)игетерогенные(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^oС на воздухе и отпуска – старения при 600…800^oС.

Увеличение жаропрочности сложнолегированных никелевых сплавов достигается упрочнением твердого раствора введением кобальта, молибдена, вольфрама.

Основными материалами, которые могут работать при температурах выше 900^oC (до 2500^oС), являютсясплавы на основе тугоплавких металлов– вольфрама, молибдена, ниобия и других.

Температуры плавления основных тугоплавких металлов: вольфрам – 3400^oС, тантал – 3000^oС, молибден – 2640^oС, ниобий – 2415^oС, хром – 1900^oС.

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 MoSi₂толщиной 0,03…0,04 мм. При температуре 1700^oС 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^oС и имеют предел прочности 150 МПа при температуре 1800^oС.

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).

Сравнение жаростойких и коррозионностойких сталей и сплавов. Статья

ПРОДУКЦИЯ   Внимание! Если Вы обнаружили ошибку на сайте, то выделите ее и нажмите Ctrl+Enter.

8 (800) 200-52-75 (495) 366-00-24 (495) 504-95-54 (495) 642-41-95 (800) 200-52-75 (495) 366-00-24 (495) 504-95-54 e-mail: [email protected] Нихром Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Фехраль Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Нихром в изоляции Продукция Цены Стандарты Статьи Фото Титан Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Вольфрам Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Молибден Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Кобальт Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Термопарная проволока Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Провода термопарные Продукция Цены Стандарты Статьи Фото Никель Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Монель Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Константан Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Мельхиор Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Твердые сплавы Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Порошки металлов Продукция Цены Стандарты Статьи Фото Нержавеющая сталь Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Жаропрочные сплавы Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Ферросплавы Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Олово Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Тантал Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Ниобий Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Ванадий Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Хром Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Рений Продукция Описание Цены Стандарты Статьи Фото Прецизионные сплавы Продукция Описание Магнитомягкие Магнитотвердые С заданным ТКЛР С заданной упругостью С высоким эл. сопротивлением Сверхпроводники Термобиметаллы В статье сравниваются коррозионностойкие (нержавеющие) стали и жаростойкие сплавы. Приведена классификация сталей и сплавов, описаны химический состав, свойства, области применения. Коррозионностойкие и жаростойкие сплавы и стали используются при производстве ответственных деталей машин, аппаратов, приборов и технологического оборудования практически для всех отраслей промышленности. Главное общее свойство, присущее этим материалам – стойкость к разным видам коррозии в агрессивных средах и стабильность параметров при высоких температурах. Различаются они физико-механическими характеристиками, а также химическим составом, точнее, типом и объемом дополнительных химических элементов (легирующих добавок), введенных в базовую основу – железо или никель, которые и придают конечному материалу определенные качества. Классификация Жаростойкие и коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют по ГОСТ 5632-72 исходя из их ключевых физико-механических свойств. Коррозионностойкие стали и сплавы отличаются способностью противостоять коррозионным процессам под воздействием широкого спектра естественных и искусственных коррозионных сред: атмосферной (в атмосфере воздуха, в условиях любого влажного газа), подводной, подземной (почвенной), щелочной, кислотной, солевой, под воздействием блуждающего тока и т.д. Окалиностойкие жаростойкие сплавы обладают долговременной стойкостью к химическому и электрохимическому разрушению (окислению) поверхности в агрессивных газообразных средах при температурах свыше 500-550°С, при работе без высоких нагрузок. Легирование Формирование специальных свойств коррозионно – и жаростойких сплавов и сталей производится способом легирования. Осуществляется легирование путем введения определенного количества хрома (Cr) и/или никеля (Ni) в расплав базового металла. У некоторых типов сталей и сплавов допускается наличие дополнительных легирующих, а также незначительного количества случайно попавших элементов, но никель и хром в их составе всегда имеет наибольшую массовую долю в соотношении к остальным примесям и добавкам. Химический состав коррозионностойких сталей и сплавов Наиболее распространенные коррозионностойкие стали и сплавы делятся на хромистые и хромоникелевые, в которых основным легирующим элементом выступает хром в соотношении не менее 10,5-13% от общей массы сплава, предназначенный для образования на его поверхности защитной оксидной пленки Cr2O3. Для стабилизации аустенитной структуры стали в нее добавляется никель (8-25%), для повышения прочности – углерод (0,1-2%), для увеличения стойкости к перепадам температур – титан (0,6-0,8%). В роли дополнительных легирующих элементов используют молибден, медь, ниобий, кремний, марганец и др. Аустенит – это одна из фаз состояния структуры кристаллической решетки стали и сплавов на основе железа с концентрацией углерода до 2%, обеспечивающая им максимальную стойкость к коррозии при высоких температурах. В большинстве сталей и сплавов кристаллическая решетка приобретает устойчивую (стабильную) аустенитную структуру только при нагреве до 727°С и выше. Формируется аустенитная структура путем введения в сплав определенных легирующих элементов (добавок), которые называют аустенизаторами. К числу аустенизаторов относят никель, кобальт, углерод, азот, медь и пр. Свойства коррозионностойких сталей и сплавов Когда сплав обогащается хромом в объеме свыше 13%, то в сочетании с другими легирующими компонентами получается прочная нержавеющая сталь с повышенными коррозионно – и жаростойкими свойствами, а также с высокой устойчивостью к воздействию кислот и т.п. Например, коррозионностойкая сталь марки 08Х18Н10 может эксплуатироваться в средах средней агрессивности при температурах до 600°С. Жаростойкость сталей марки 36Х18Н25С2 и 15Х6СЮ достигает 800°С, марки 12Х17 – 900°С, а нержавеющая сталь марки 15Х25Т способна сохранять устойчивость к коррозии (окалиностойкость) при температуре в 1100°С (кратковременно). Химический состав жаростойких сплавов В отличие от коррозионностойких сталей, изготавливаемых на основе железа с легированием хромом и никелем, жаростойкие сплавы производятся на основе никеля. Именно большая массовая доля никеля (не менее 55%), температура плавления которого равна 1455°С, обеспечивает сплавам защиту от коррозии и физическую стабильность при работе в различных средах при очень высоких температурах. Чтобы увеличить и без того высокую жаропрочность сплава, никель легируется хромом (15-23%) и в незначительном объеме (1-5%) обогащается тугоплавкими металлами (кремний, молибден, титан, марганец, вольфрам, тантал, ниобий и др.) с температурой плавления выше 1700°С. Для экономии дорогостоящего никеля в состав некоторых марок сплава вводят железо (до 25%). Свойства жаростойких сплавов Одним из наиболее распространенных жаростойких сплавов на основе никеля является нихром, который по своим свойствам превосходит лучшие жаропрочные стали. В данном случае речь идет именно о жаростойкости (жаростойкость характеризует сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах) нихрома, которую не следует путать с жаропрочностью (жаропрочность – способность сталей и сплавов выдерживать механические нагрузки при высоких температурах в течение определенного времени). В отличие от коррозионностойкой нержавеющей стали, нихромы не имеют достаточной механической прочности, чтобы в течение продолжительного времени работать в нагруженном состоянии, из них нельзя штамповать или точить детали, зато они чрезвычайно жаростойки и пластичны, поэтому отлично подходят для производства большого спектра высокоэффективных нагревательных элементов. К примеру, 60-процентная массовая доля никеля в составе нихрома марки ХН60Ю обеспечивает ему возможность длительной работы в агрессивной окислительной среде (в азоте, аммиаке и др.) при рабочей температуре до 1150°С, а температура плавления этого материала составляет 1390°С. В свою очередь рабочая температура нихрома марки Х20Н80 достигает 1250°С. Здесь следует заострить внимание на том, что никелевые жаростойкие сплавы чаще всего производят в виде полуфабрикатов – проволоки и ленты, поэтому рабочая температура детали из нихрома будет зависеть еще и от диаметра проволоки или сечения ленты. Стоимость жаро- и коррозионностойких сталей и сплавов Поскольку коррозионностойкие стали и жаростойкие сплавы в плане их применения имеют мало точек пересечения, т.к. каждый материал обладает своей специфической нишей, сравнивать стоимость материалов было бы не совсем корректно. И, тем не менее, для полноты и объективности данного обзора отметим, что килограмм обыкновенной коррозионностойкой стали аустенитного класса стоит в 20 раз дешевле килограмма жаростойкого сплава. Такое положение дел обусловлено дефицитом и высокой стоимостью никеля. Несмотря на это жаростойкие сплавы пользуются неизменным и стабильным спросом на рынке, оставаясь незаменимыми во многих сферах, тем более, что их ближайшие аналоги, например, кобальтовые сплавы, стоят еще дороже, причем настолько, что их используют только в исключительных случаях. Области применения Количество жаростойких изделий, для производства которых применяется коррозионностойкая нержавеющая сталь сложно перечислить в рамках одной статьи. В их числе элементы аппаратов и сосудов для кислот, щелочей и солевых растворов различной концентрации, арматура, теплообменники и трубы, предназначенные для работы в условиях слабоагрессивных сред, детали и корпуса пищевого и химического оборудования, печей, турбин, двигателей машин, самолетов. Разумеется, нержавеющая сталь незаменима при изготовлении посуды и медицинских биксов (стерилизационных емкостей). Сфера использования сплавов на основе никеля (нихромов) обусловлена не только их уникальной коррозионной и жаростойкостью, устойчивостью к большому спектру химических воздействий (окислению), но и высокой пластичностью. Из нихромовой проволоки изготавливают нагревательные элементы для лабораторных и промышленных печей, реостатов, сушильных аппаратов, электротермического и кухонного оборудования (в том числе бытового), резисторы, нити электронных сигарет и многое другое.

Жаропрочные сплавы. Специальные стали и сплавы. Производство и применение жаропрочных сплавов

Современную промышленность невозможно представить без такого материала, как сталь. С ним мы сталкиваемся практически на каждом шагу. За счет введения в его состав различных химических элементов можно значительно улучшить механические и эксплуатационные свойства.

Что такое сталь?

Сталь – это сплав, в состав которого входят углерод и железо. Также такой сплав (фото находится ниже) может иметь примеси других химических элементов.

Есть несколько структурных состояний. Если содержание углерода находится в пределах 0,025-0,8%, то данные называются доэвтектоидными и имеют в своей структуре перлит и феррит. Если сталь заэвтектоидная, то можно наблюдать фазы перлита и цементита. Особенностью структуры феррита является большая пластичность. Цементит обладает значительной твердостью. Перлит образует обе предыдущие фазы. Он может иметь гранулированную форму (на зернах феррита есть включения цементита, которые имеют круглую форму) и пластинчатую (обе фазы имеют форму пластинок).Если сталь нагревается выше температуры, при которой происходят полиморфные модификации, структура меняется на аустенитную. Эта фаза имеет повышенную пластичность. Если содержание углерода превышает 2,14%, то такие материалы и сплавы называют чугуном.

Виды стали

В зависимости от состава сталь может быть углеродистой и легированной. Для низкоуглеродистой стали характерно содержание углерода менее 0,25%. Если его количество достигает 0,55%, то можно говорить о среднеуглеродистом сплаве.Сталь, в составе которой более 0,6% углерода, называется высокоуглеродистой. Если при изготовлении сплава технология подразумевает введение определенных химических элементов, то эта сталь называется легированной. Введение различных компонентов существенно меняет его свойства. Если их количество не превышает 4%, то сплав низколегированный. Среднелегированная и высоколегированная сталь имеет до 11% и более 12% включений соответственно. В зависимости от сферы применения стальных сплавов различают их виды: инструментальные, конструкционные и специальные стали и сплавы.

Технология производства

Процесс выплавки стали довольно трудоемкий. Он состоит из нескольких этапов. В первую очередь нужно сырье – железная руда. Первый этап предполагает нагрев до определенной температуры. Происходят окислительные процессы. На втором этапе температура становится намного выше. Процессы окисления углерода более интенсивны. Возможно дальнейшее обогащение сплава кислородом. В шлак удаляются ненужные примеси. Следующим шагом будет удаление кислорода из стали, так как он значительно снижает механические свойства.Это можно сделать путем диффузии или осаждения. Если процесс раскисления не происходит, полученная сталь называется кипящей. Спокойный сплав не выделяет газов, кислород полностью удаляется. Промежуточное положение занимают полукварцевые стали. Производство сплавов железа происходит в мартеновских печах, индукционных печах, кислородных конвертерах.

Легирование стали

Для получения тех или иных свойств стали в ее состав вводятся специальные легирующие вещества.Основные достоинства такого сплава – повышенная стойкость к различным деформациям, значительно повышается надежность деталей и других элементов конструкции. При закалке процент трещин и других дефектов уменьшается. Часто такой метод насыщения разными элементами применяется для придания стойкости к химической коррозии. Но есть ряд недостатков. Они требуют дополнительной обработки, высока вероятность появления флокенов. Кроме того, увеличивается и стоимость материала.Наиболее распространенные легирующие элементы – хром, никель, вольфрам, молибден, кобальт. Область их применения довольно большая. Это и машиностроение, и изготовление деталей трубопроводов, силовых установок, авиации и многое другое.

Понятие жаростойкости и жаростойкости

Под понятием жаростойкости подразумевается способность металла или сплава сохранять все свои характеристики при работе при высоких температурах. В такой среде часто наблюдается газовая коррозия.Следовательно, материал должен обладать устойчивостью к его действию, то есть быть термостойким. Таким образом, характеристики сплавов, которые используются при значительных температурах, должны включать обе эти концепции. Только тогда такая сталь обеспечит необходимый ресурс работы для деталей, инструментов и других элементов конструкции.

Характеристики жаропрочной стали

В случаях, когда температура достигает больших значений, необходимо использовать сплавы, которые не будут разрушаться и деформироваться.В этом случае используются жаропрочные сплавы. Температура эксплуатации таких материалов превышает 500 ° С. Важными моментами, характеризующими такую ​​сталь, являются высокая износостойкость, пластичность, сохраняющаяся длительное время, а также релаксационная стабильность. Есть ряд элементов, которые могут значительно улучшить устойчивость к высоким температурам: кобальт, вольфрам, молибден. Хром – обязательный компонент. Это не так сильно влияет на прочность, как увеличивает сопротивление накипи. Также хром предотвращает процессы коррозии.Еще одна важная характеристика сплавов этого типа – медленная ползучесть.

Классификация жаропрочных сталей по структуре

Жаропрочные и жаропрочные сплавы относятся к ферритному классу, мартенситному, аустенитному и с ферритно-мартенситной структурой. Первые имеют в своем составе около 30% хрома. После специальной обработки структура становится мелкозернистой. Если температура нагрева превышает 850 ° C, зерна увеличиваются, и такие жаропрочные материалы становятся хрупкими.Мартенситный класс характеризуется содержанием хрома: от 4% до 12%. Также в незначительных количествах могут присутствовать никель, вольфрам и другие элементы. Из них изготавливают детали турбин, арматуру автомобилей. Стали, имеющие в своей структуре мартенсит и феррит, подходят для эксплуатации при постоянных высоких температурах и длительной эксплуатации. Содержание хрома достигает 14%. Аустенит получают путем введения никеля в жаропрочные сплавы. Сталь с подобной структурой есть у многих марок.

Сплавы на основе никеля

Никель обладает рядом полезных свойств. Это положительно влияет на обрабатываемость стали (как горячей, так и холодной). Если деталь или инструмент предназначены для работы в агрессивной среде, легирование этим элементом значительно повышает устойчивость к коррозии. Термостойкие материалы на основе никеля делятся на следующие группы: жаропрочные и собственно жаропрочные. Последние также должны обладать минимальными термостойкими характеристиками.Рабочие температуры достигают 1200 ° С. Дополнительно добавляется хром или титан. Характерно, что легированная никелем сталь имеет небольшое количество таких примесей, как барий, магний, бор, поэтому границы зерен более упрочнены. Жаропрочные сплавы этого типа производятся в виде поковок и проката. Также возможно отливать детали. Основная область их применения – производство деталей газовых турбин. Жаропрочные сплавы на основе никеля имеют в составе до 30% хрома.Они хорошо подходят для штамповки, сварки. К тому же сопротивление накипи находится на высоком уровне. Это дает возможность использовать их в газопроводных системах.

Сталь жаропрочная легированная титаном

Титан вводится в небольшом количестве (до 0,3%). В этом случае увеличивается прочность сплава. Если его содержание намного больше, то ухудшаются некоторые механические свойства (твердость, прочность). Но пластичность при этом увеличивается. Это облегчает обработку стали.При введении титана вместе с другими компонентами можно значительно улучшить характеристики жаропрочности. Если есть необходимость работать в агрессивной среде (особенно, когда конструкция предполагает сварку), то допирование этим химическим элементом оправдано.

Сплавы кобальта

Большое количество кобальта (до 80%) идет на производство таких материалов, как жаропрочные и жаропрочные сплавы, поскольку в чистом виде он используется редко. Его введение повышает пластичность, а также устойчивость к работе с высокими температурами.И чем он выше, тем большее количество кобальта вводится в сплав. У некоторых брендов его содержание достигает 30%. Еще одна характерная особенность таких сталей – усовершенствование магнитного пр

.

Жаропрочная сталь. – Купите термостойкую сталь, жаропрочную сталь, термостойкие стальные трубы на Alibaba.com

Жаропрочная сталь обладает хорошими прочностными характеристиками и особенно устойчива к кратковременному и длительному воздействию горячих газов и продуктов сгорания при температурах выше примерно 600 ° С. SMC поставляет широкий ассортимент полосовой / ленточной продукции из легированной стали, получившей признание наших клиентов по всему миру благодаря своей прочности, высочайшей точности и высочайшему качеству.

1. Тип: круглый пруток, труба и лист
2. Внутренний диаметр круглого прутка: 3-1500 мм
3. Толщина листа: 3-180 мм
4. Внешний диаметр трубы: 25-840 мм, толщина стенки: 3,5-120 мм

Спецификация жаропрочной стали:
1. Таблица контрастности марок

1Cr13SiAl X X18h20T (X18h20T)-13 31021 3102120 SUH

GB Марка

JIS

DIN

ASTM

AISI

BS

NF

TOCT

3

1Cr21Si

–

X10CrSi13 (1.4722)

–

–

–

–

–

1Cr18Si2

–

X10CrSi18 (1.4741)

–

442

–

–

–

–

X10CrAl13 (1.4724)

–

–

–

–

1Cr13

SUS410, SUS403

X10Cr13 (1.4006) (1.4024) (DIN)

–

410, 403

410S21, 403S17

Z12C13

12X13 (1X13)

2Cr13

–

–

–

–

–

–

–

–

20X13 (2X13)

1Cr5Mo

–

12CrMo19 5 (1,7362)

–

501, 502

–

Z12CD5

15X5M (X521 M19)

15X5M (X521 900V

)

–

–

–

–

–

–

15X11Mφ (1X11Mψ)

4Cr9Si2

SUh2

X45CrSi9 (1.4718)

–

–

401S45

Z45CS9

40X9C2 (4X9C2)

4Cr10Si2Mo

SUh4

–

–

–

–

Z40D

–

–

Z40D 4X10C2M)

1Cr18Ni9Ti

–

X10CrNiTi18 9 (1.4541) (DIN)

–

–

321S20

Z10CNT18-11

12X18h20T (X18h20T)

–

–

–

–

–

–

12X18h22T (X18h22T)

1Cr23Ni13

SUh409

309

309S24

309S24

(X23h23)

1Cr20Ni14Si2

–

X15CrNiSi20 12 (1.4828)

–

–

–

–

20X20h24C2 (X20h24C2)

1Cr25Ni20Si2

SUh410

X15CrNiSi25 20 (1.4841)

–

20

–

20

20X25h30C2 (X25h30C2)

4Cr14Ni14W2Mo

–

–

–

–

–

–

45X14h24B2M (4X14h24B2M)

–

331S42

Z25CNWS14-14

–

1Cr15Ni36W3Ti

–

–

–

–

–

–

Xh45BT

h –

–

349S52

–

–

–

SUh46

–

–

349S54

–

–

–

SUh47

–

–

381S34

–

–

–

SUh430

–

–

SUh430

–

–

330

–

Z12NCS36-16

–

–

SUH660

–

660

–

–

Z6NCTDV25-15B

–

–

–

661

–

–

–

–

–

SUh31

CrA12 05 (1.4767) (DIN)

–

–

–

–

–

–

SUh509

–

–

409

–

–

–

–

SUh546

–

–

446

–

–

–

–

SUh5

–

–

–

443S65

Z80CSN20-02

–

–

SUh21

–

–

–

–

Z45CS9

–

–

SUH600

–

–

–

–

Z20CDNBV11

–

–

SUH616

–

616

–

–

–

15X12BHMψ (1X12BHMψ)

9 0002 Применение жаропрочной стали:
– Стальная труба котла
– Крепеж
– Емкость высокого давления
– Клапан выпуска воздуха из двигателя
– Ось, вращатель и т. Д.

Особенность жаропрочной стали:
– Высококачественная сталь
– Стойкость к большим колебаниям температуры
– Коррозионная стойкость
– Сопротивление ползучести и т. Д.

Упаковка из жаропрочной стали :
Продукция SMC упаковывается и маркируется в соответствии со строгими внутренними правилами и требованиями клиентов ,Особое внимание уделяется тому, чтобы избежать повреждений, которые могут быть причинены во время хранения или транспортировки. Кроме того, на внешней стороне упаковки нанесены прозрачные этикетки для облегчения идентификации продукта I. D. и информации о качестве.
1) Стандарт SMC
2) Настройка

,

Жаропрочные сплавы | Статья о жаропрочных сплавах по Свободному словарю

сплавов, обладающих высоким сопротивлением ползучести и прочностью при высоких температурах. Их используют как конструкционный материал для деталей двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, реактивных двигателей и атомных энергетических установок. Высокая жаростойкость сплавов определяется двумя основными физическими факторами: прочностью межатомных связей в сплаве и структурой сплава.

Структуру, необходимую для высокой прочности, обычно получают путем термообработки, которая приводит к гетерогенизации микроструктуры – чаще всего к дисперсионному твердению.В этом случае упрочнение вызвано в основном появлением внутри сплава равномерно распределенных очень мелких частиц химических соединений (интерметаллидов, карбидов и других соединений) и микроскопическими искажениями кристаллической решетки основы сплава, вызванными наличием частиц. Соответствующая структура жаропрочных сплавов замедляет образование и движение дислокаций, а также увеличивает количество связей между атомами, которые одновременно участвуют в сопротивлении деформации.С другой стороны, большое количество межатомных связей позволяет сохранять требуемую структуру в течение длительного времени при высокой температуре.

По условиям использования жаропрочные сплавы можно разделить на три группы: сплавы, подверженные значительным, но кратковременным механическим нагрузкам (секунды или часы) при высоких температурах, сплавы, подвергаемые нагрузкам при высоких температурах десятки и сотни. часов и сплавов, предназначенных для работы в условиях высоких нагрузок и высоких температур в течение тысяч часов.Требования к конструкции сплавов существенно различаются в соответствии с этими требованиями. Например, любой фактор, вызывающий нестабильность структуры сплава в условиях эксплуатации, приводит к ускорению процессов потери устойчивости и разрушения. Поэтому сплавы, рассчитанные на длительную службу, проходят стабилизирующую обработку, которая делает их более устойчивыми к длительному действию нагрузки, хотя может привести к некоторому снижению устойчивости к кратковременным нагрузкам.

Жаропрочные сплавы классифицируются в зависимости от их основы, которой могут быть никель, железо, титан, бериллий и другие металлы.Классификация по основанию дает представление о диапазоне рабочих температур, который составляет 0,4–0,8 от точки плавления основы, в зависимости от прилагаемой нагрузки и продолжительности ее применения.

Композиционные материалы (сплавы, упрочненные дисперсными частицами тугоплавких оксидов или высокопрочными волокнами) представляют собой разнообразные жаропрочные сплавы. Такие материалы характеризуются чрезвычайно высокой стабильностью своих свойств, которые не сильно зависят от времени пребывания при высоких температурах.В зависимости от назначения изготавливаются жаропрочные сплавы с повышенной устойчивостью к усталости и эрозии и низкой чувствительностью к надрезам, а также с высокой термической стабильностью и кратковременной стойкостью к высоким нагрузкам. Например, жаропрочные сплавы для использования в космической технике должны иметь низкую испаряемость.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Garofalo, F. Законы использования и длиныВной прочности металлов и сплавов . М., 1968. (Пер. С англ.)
Курдюмов Г. В. Природа упрочненного состояния металлов. Металловедение и термическая обработка металлов , 1960, №1. 10.
Розенберг, В. М. Использование металлов . Москва, 1967. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стойла и сплавы , 2-е изд. Москва, 1969.

.

Жаропрочный сплав | Статья о жаропрочных сплавах по The Free Dictionary

Метод вакуумного напыления покрытий из многокомпонентного жаропрочного сплава, содержащего вольфрам или вольфрам и тантал или вольфрам, тантал и рений, на подложку. Более жесткий контроль допусков позволяет другому американскому производителю колец из жаропрочного сплава поставлять детали для авиационных турбин с номинальной мощностью до до 30 процентов меньше веса, требуя значительно меньше чистовой обработки. его подход использует основанное на физике вычислительное моделирование с анализом данных и машинным обучением в сочетании с конкретными целевыми экспериментами для ускорения разработки новых жаропрочных сплавов для существующих и современных энергетических циклов ископаемого топлива ,Жаропрочные сплавы используются в среде, подверженной окислительной или коррозионной атмосфере при температурах выше 650 [градусов] C. Он подходит для обработки материалов с твердостью до 54 HRC, включая нержавеющие стали, титан и жаропрочные сплавы на основе никеля. «Прочные, жаропрочные сплавы позволяют газотурбинным двигателям работать чисто и эффективно», – объясняет Майкл Миллс, профессор материаловедения и инженерии и руководитель проекта. , включая жаропрочные сплавы или сплавы, требующие стойкости к коррозии / окислению.По технологии изготовления титановые сплавы делятся на деформируемые сплавы, литейные сплавы, порошковые сплавы; по физико-химическим и механическим свойствам – на титановых сплавах высокой и стандартной твердости, высокопластичных сплавах, жаропрочных сплавах и коррозионно-стойких сплавах. Вставка CA6535 идеально подходит для жаропрочных сплавов на основе никеля и «мартенситной» нержавеющей стали. Среди конкретных тем – расчет эффективной глубины шлифования с помощью модели процесса шлифования, сравнение пикосекундной и фемтосекундной лазерной абляции для гравировки поверхности металлов и полупроводников, импульсные процессы при резке жаропрочных сплавов, плазма реактивных атомов для быстрая коррекция фигуры оптических поверхностей и сила тяги сверления печатных плат.Компания Kubota Saudi Arabia будет заниматься плавкой и литьем жаропрочных сплавов, трещинами трубопроводов и пара в установках крекинга этилена, которые используются на нефтехимических предприятиях. В последнее время вместо ремонтной пайки никелевых жаропрочных сплавов (HRA) используется ремонтная пайка. процесс аргонодуговой сварки при восстановлении узлов горячей части авиационных и промышленных (энергетических) газотурбинных установок. ,