Жаропрочные и жаростойкие стали

Жаропрочная сталь может использоваться при воздействии высоких температур определенное время, в сложнонапряжённом состоянии, не получая при этом значительных деформаций. Такие стали являются лучшим вариантом при изготовлении конструкций, предназначенных для использования в агрессивных средах.

Окалиностойкость – способность сплава противостоять газовой коррозии в условиях повышенной температуры. Жаростойкость также подразумевает сопротивление разрушению и деформации при длительной работе под нагрузкой в условиях высоких температур.

Жаростойкие стали и сплавы

Жаростойкие стали и сплавы не разрушаются при химическом воздействии газовых сред при температурах выше 550^оС, при воздействии слабых нагрузок или без такого воздействия. Жаропрочность является совокупностью параметров ползучести и длительной прочности.

При повышенной температуре у металла появляется склонность к ползучести – медленной пластической деформации под воздействием постоянной нагрузки (пусть даже и под своим весом).

Различают длительную и кратковременную ползучесть. Длительная ползучесть выражается значением нагрузки на изделие, которая приводит к его разрушению, при заданной температуре и времени испытания. Кратковременная ползучесть определяется кратковременным растяжением образца при фиксированной температуре.

В научно-исследовательских центрах, работающих над созданием металлов с заданными характеристиками, для определения границ ползучести и жаростойкости используется печь с комплексом механизмов, позволяющих прилагать нагрузку к находящемуся внутри неё образцу.

Увеличение жаростойкости металла достигается образованием сплавов – добавок алюминия, титана, кремния, хрома.

Основные типы таких жаропрочных сплавов:

На основе железа создают хромоникелевые, хромомарганцевые стали с присадками на основе титана и вольфрама. Сталь также легируют в незначительных количествах бором, ванадием, ниобием, алюминием. Количество добавок других металлов в жаропрочных сталях составляет 15-50%.

Для сталей на никелевой основе присадки используют на никелевой основе. Повышают устойчивость к температурным воздействиям добавки кальция, бора, церия, титана. В основном распространены никель-молибденовые сплавы.

Углерод, молибден и вольфрам также являются легирующей добавкой для сплавов на основе кобальта.

Состав жаропрочных и жаростойких сталей может искажаться посторонними примесями, или же веществами, которые образуются в процессе химических реакций при плавке. Такие примеси ухудшают свойства металла, например, сплавы с хромом и кобальтом теряют прочность легированной стали при содержании серы свыше 0,005%, незначительных количествах свинца, олова, сурьмы. В иных комбинациях сера может повышать жаростойкость сплава – в соединении с магнием, церием, цирконием.

Свойства и структура жаропрочных сплавов

Повышение устойчивости к высоким температурам достигается за счет добавление кремния, алюминия, хрома. При окислении эти металлы образуют фрагменты плотных кристаллических структур. Наивысшей стойкостью обладают стали с добавкой хрома – некоторые марки не теряют своих свойств при температуре выше 1000^оС.

По структурным критериям решетки металла жаростойкие и жаропрочные сплавы делят на классы:

Аустенитный. Аустенит – гранецентрированная кристаллическая решётка, образующаяся благодаря легированию никелем. Для устойчивости к коррозии в состав добавляют титан и ниобий, что также предотвращает образование окалины при длительном воздействии температур до 1000^оС. Эти сплавы также являются антикоррозионными, и могут быть использованы в химически агрессивных средах.

Стали этого класса – самые распространенные среди жаропрочных. В промышленном применении в аустенитные стали добавляют упрочнитель, интерметаллический либо карбидный.

Аустенитно-ферритный класс сталей, благодаря ферритным вкраплениям, имеют стабилизированную матричную структуру решётки и могут эксплуатироваться при температурах 1150^оС, что превосходит показатели материалов с высоким содержанием железа и хрома.

Перлитный класс – это низколегированные стали. Если в виде присадок использован молибден и хром, то жаропрочность позволяет работать при температуре до 550^оС, добавление к этим элементам еще и ванадия повышает порог жаропрочности до 600^оС.

Ферритный класс. Эти материалы включают от 25 до 33% хрома. Для получения мелкозернистой структуры металла, изделия отжигают. Сплавы ферритного класса устойчивы к нагреву до 850^оС, далее стремительно повышается хрупкость.

Мартенситный класс – сплавы с деформированной кристаллической решеткой путём мартенситного превращения. Это достигается однократным или двукратным отжигом при температуре 1200^оС на протяжении нескольких часов, с последующим остыванием изделия вместе с печью. Из такого материала делают лопасти турбин, компоненты котельных установок и паропроводов.

Область использования жаропрочных сталей

Жаропрочные стали и сплавы не только устойчивы к высоким температурам, но и к агрессивным жидкостям и газам. Некоторые виды таких сплавов обладают повышенной твердостью и используются для изготовления режущих кромок инструментов (инструментальная сталь). В то же время существует ряд факторов, ограничивающих их применение. Это высокая стоимость добавок никеля, и в меньшей мере, хрома; трудоёмкость производства, связанная с большим количеством компонентом и необходимостью строгого соблюдения технологии и пропорций.

Жаропрочные стали служат материалом для изготовления:

• деталей двигателей внутреннего сгорания;
• корпусных деталей греющихся устройств;
• посуды и тары для химикатов;
• промышленных и бытовых дымоходов, горелок, котлов;
• высоконагруженных деталей и инструментов;
• труб высокого давления;
• всей прокатной продукции;
• большинства арматурных конструкций и пр.