Высокоэффективные крепежные сплавы для критически важных применений

Когда в конструкции требуется крепеж, способный противостоять атмосферной или химической коррозии, повышенным температурам или их комбинации, производители сталкиваются с проблемами конфликта технических характеристик и доступности материала, особенно в случае с наиболее распространенными углеродистыми сталями.

К тому же, крепежные детали часто являются наиболее нагруженными деталями – их качества часто должны превосходить свойства соединяемых материалов, поскольку области соединения могут быть наиболее уязвимы к разрушению.

Болты, гайки, шайбы, заклепки и другие крепежные детали для реактивных двигателей, газовых турбин, нагнетателей, форсажных камер, деталей нефтехимической переработки и другого ответственного аэрокосмического оборудования изготавливаются из специальных сплавов, способных выдерживать сложные условия нагрева, напряжения и агрессивных сред.

Сплавы дисперсионного отвердения

Большинство востребованных сегодня крепежных сплавов относятся к дисперсионно-твердеющим. Их отличает от других марок нержавеющей стали и сплавов на основе никеля добавление в состав небольшого количества меди, алюминия, фосфора или титана.

Холодная штамповка этих сплавов осуществляется в состоянии отжига в относительно мягком виде. После изготовления детали подвергаются старению, при котором добавленные элементы выделяются в виде твердых интерметаллических соединений, которые значительно повышают твердость и прочность.

А-286

Среди таких сплавов широко используется марка крепежной стали А-286 . Этот жаро- и коррозио- стойкий сплав используется в тех случаях, когда требуется высокая прочность и до 1300°С, а также для применений с меньшими нагрузками при более высоких температурах. Он также хорошо работает при экстремально низких температурах, когда пластичный немагнитный высокопрочный материал должен выдерживать температуры до -320°С.

Этот сплав имеет повышенное содержание хрома, никеля и молибдена, подобное многим аустенитным нержавеющим сталям, поэтому его стойкость к водной коррозии сравнима с этими сплавами.

Формованные детали из сплава А-286 достигают высокой прочности в ходе трехэтапного процесса, который включает отжиг в растворе при температуре 1800°С, за которым следует формование или ковка для придания формы, а затем термическая обработка старением. Отжиг на раствор обеспечивает лучшую пластичность и более высокую твердость после старения.

В состоянии раствора сплав А-286 можно подвергать холодной штамповке, как и стандартные аустенитные нержавеющие стали. Однако он несколько прочнее этих сплавов, и для деформации материала могут потребоваться значительные усилия. Во время холодной обработки лист А-286 имеет скорость наклепа примерно такую ​​же, как и у нержавеющей стали типа 310.

Обычный цикл старения состоит из нагревания до 1300/1400°С, выдержки при нагревании от 12 до 16 часов с последующим охлаждением на воздухе. Для еще большей прочности при старении материал можно подвергнуть холодной обработке перед старением.

17-7 PH

Еще одна дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь, 17-7PH, обеспечивает высокую прочность и твердость, отличные усталостные свойства, хорошую коррозионную стойкость и минимальную деформацию при термической обработке.

Исключительно высокая прочность 17-7PH дает множество преимуществ там, где допустима ограниченная пластичность и обрабатываемость. После старения осталь обладает превосходными механическими свойствами при температурах до 900°С, а его коррозионная стойкость превосходит стойкость большинства закаливаемых хромовых сплавов, приближаясь к аустенитным хромоникелевым нержавеющим сталям в тех же средах.

Технологии изготовления нержавеющей стали 17-7PH аналогичны тем, которые используются для других хромоникелевых нержавеющих сталей.

Существует три уровня возрастной закалки, каждый из которых обеспечивает немного разное сочетание свойств. В одном случае сплав подвергается отжигу при температуре 1950°С для формовки и изготовления, а затем подвергается трехэтапному процессу старения, состоящему из кондиционирования аустенита при температуре 1400°С, выдержки в течение 90 минут и охлаждения на воздухе.

Чтобы создать сплав с повышенной температурной прочностью, отожженный при температуре 1950°С материал нагревают до 1750°С и выдерживают в течение 10 минут; охлаждают до -100°С, выдерживают восемь часов; нагревают до 950°С с выдерживанием 60 минут и в завершение охлаждают на воздухе.

Инконель 718

Этот никель-хромовый сплав демонстрирует высокую прочность и отличную коррозионную стойкость при температуре до 1300°С, однако при повышении температуры свойства немного ухудшаются. Сильной стороной Inconel 718 является его свариваемость, особенно устойчивость к растрескиванию после сварки, при любом сравнении сплавов дисперсионного отвердения.

Прочность можно максимизировать за счет наклепа, а в некоторых случаях сплав можно использовать в состоянии холодной обработки и старения. Отжиг при температуре 1900–1950 °С с последующим старением является предпочтительным для достижения наилучшей поперечной пластичности в тяжелых секциях, ударной вязкости и прочности на разрыв.

Для этих условий старение проводится при температуре 1400°С/10 часов, затем температура снижается до 1200°С и выдерживается в течение 20 часов.

ВАСПАЛОЙ

Waspaloy — это дисперсионно-твердеющий сплав на основе никеля, который успешно противостоит межкристаллитному окислению продуктами сгорания в газовых турбинах и реактивных двигателях самолетов при температурах до 1600°С.

Наилучшие свойства этого сплава по разрушению под напряжением и ползучести достигаются за счет очень специфических отжигов при высоких температурах. Типичный отжиг при температуре 1975°С приводит к получению крупного размера зерен, низкому пределу текучести при растяжении и низкой пластичности при растяжении.

Однако, если сплав обрабатывается при температуре ниже 1825°С, размер зерна после горячей обработки сохранится, что приведет к высокому пределу текучести и пластичности при растяжении, но с некоторой потерей свойств разрушения под напряжением.

Практическим компромиссом для обеспечения адекватных свойств разрыва, приемлемых свойств растяжения и умеренного роста зерен является отжиг на раствор при температуре чуть выше 1875/1900°С.

Обычная процедура старения Waspaloy заключается в стабилизации при температуре 1550°С в течение четырех часов, охлаждении на воздухе, выдержке при температуре 1400°С в течение 16 часов, затем охлаждении на воздухе. Если обработка раствором проводится при температуре 1975°С, время стабилизационного старения при 1550°С увеличивается до 24 часов.

Л-605

Этот сплав кобальта, никеля и хрома обладает превосходной стойкостью к горячим агрессивным средам, типичным для работы реактивных двигателей, что делает L-605 пригодным для наиболее ответственных типов крепежа.

Он устойчив к окислению при прерывистой эксплуатации до 1600°С, непрерывной эксплуатации до 2000°С и показывает особенно хорошие качества в экстремальных окислительных условиях. Он также успешно противостоит химическим окислителям, соляной и азотной кислотам, а также коррозии солевым туманом.

Этот немагнитный сплав также обладает высокими прочностными свойствами при повышенных температурах и сохраняет немагнитность в наклепанном состоянии.