Жаростойкие и жаропрочные сплавы

Главные сведения о жаростойких и жаропрочных сплавах

Жаропрочные сплавы и стали — материалы, работающие при больших температурах в течение данного периода времени в критериях сложно-напряженного состояния и владеющие достаточным сопротивлением к коррозии в газовых средах.

Жаростойкие сплавы и стали — материалы, работающие в ненагруженном либо слабо-нагруженном состоянии при завышенных температурах (наиболее 550 °C) и владеющие стойкостью к коррозии в газовых средах.

Активный энтузиазм к схожим материалам стал проявляться в конце 30-х годов XX века, когда возникла необходимость в материалах способных работать при довольно больших температурах. Это соединено с развитием реактивной авиации и газотурбинных движков.

Основой жаростойких и жаропрочных сплавов могут быть никель, кобальт, титан, железо, медь, алюминий. Более обширное распространение получили никелевые сплавы. Они могут быть литейными, деформируемыми и порошковыми. Более всераспространенными посреди жаропрочных являются литейные сложнолегированные сплавы на никелевой базе, способные работать до температур 1050-1100 °C в течение сотен и тыщ часов при больших статических и динамических отягощениях.

Систематизация жаропрочных и жаростойких сплавов

Определения и определения

Жаропрочность — способность сталей и сплавов выдерживать механические перегрузки при больших температурах в течение определенного времени. При температурах до 600°С обычно используют термин теплоустойчивость. Можно отдать наиболее серьезное определение жаропрочности.

Под жаропрочностью также соображают напряжение, вызывающее заданную деформацию, не приводящую к разрушению, которое способен выдержать железный материал в конструкции при определенной температуре за данный отрезок времени. Если учитываются время и напряжение, то черта именуется пределом долговременной прочности; если время, напряжение и деформация — пределом ползучести.

Ползучесть — явление непрерывной деформации под действием неизменного напряжения. Долгая крепкость — сопротивление материала разрушению при продолжительном действии температуры.

Жаростойкость охарактеризовывает сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при больших температурах.

Систематизация

Можно выделить несколько классификаций сплавов и сталей, которые работают при завышенных и больших температурах.

• Теплоустойчивые стали — работают в нагруженном состоянии при температурах до 600°С в течение долгого времени. Примером являются углеродистые, низколегированные и хромистые стали ферритного класса.
• Жаропрочные стали и сплавы — работают в нагруженном состоянии при больших температурах в течение определенного времени и владеют при всем этом достаточной жаростойкостью. Примерами являются стали аустенитного класса на хромоникелевой либо хромоникельмарганцевой основах с разными легирующими элементами и сплавы на никелевой либо кобальтовой базе.
• Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы — работают в ненагруженном либо слабонагруженном состоянии при температурах выше 550°С и владеют стойкостью против хим разрушения поверхности в газовых средах. В качестве примера можно привести хромокремнистые стали мартенситного класса, хромоникелевые аустенитные стали, хромистые и хромоалюминиевые стали ферритного класса, также сплавы на базе хрома и никеля.

• литейные;
• деформируемые.

Характеристики жаростойких и жаропрочных сплавов

Для жаропрочных сплавов и сталей главным полезным свойством с практической точки зрения является способность материала выдерживать механические перегрузки в критериях больших температур. Есть разные схемы нагружения жаропрочных материалов: статические растягивающие, изгибающие либо скручивающие перегрузки, тепловые перегрузки вследствие конфигураций температуры, динамические переменные перегрузки различной частоты и амплитуды, динамическое действие высокоскоростных газовых потоков на поверхность. При всем этом обозначенные материалы должны выдерживать соответственный тип нагружения.

Главным фактически полезными качествами жаростойких сталей и сплавов является коррозионная стойкость материала в газовых средах при больших температурах.

В то же время, исходя из убеждений производства готовых изделий важную роль играют технологические характеристики. При разработке деформируемых сплавов нужно обеспечить достаточную технологическую пластичность при обработке давлением, в том числе при температурах 700-800 °С, а литые сплавы обязаны иметь удовлетворительные литейные характеристики (жидкотекучесть, пористость).

Марки жаропрочных и жаростойких сплавов

Жаропрочные стали и сплавы на никелевой базе

В истинное время сплавы на никелевой базе имеют наибольшее значение в качестве жаропрочных материалов, предназначенных для работы при температурах от 700 до 1100°С.

сплава ЭИ437Б — 19-22 Cr; 2,4-2,8 Ti; 0,6-1,0 Al; ; остальное никель.

• сплав делается в дуговых и индукционных электропечах и с применением вакуумного дугового переплава;
• температура деформации — начало 1160, конец выше 1000 °С, остывание опосля деформации иа воздухе;
• рекомендуемые режимы тепловой обработки: нагрев до 1190±10 °С, выдержка 2 ч, остывание на воздухе; нагрев до 1050 °С, выдержка 4 ч, остывание на воздухе; старение при 800 °С в течение 16 ч, остывание на воздухе;
• нагрев до 1180 °С, выдержка 6 ч, остывание на воздухе; нагрев до 1000 °С, остывание с печью до 900 °С, выдержка 8 ч, остывание на воздухе; старение при 850 °С в течение 15 ч, остывание на воздухе.

Жаростойкие стали и сплавы на базе никеля и железа

Главными жаростойкими материалами, которые употребляют в газовых турбинах, печах и различного рода высокотемпературных установках с рабочей температурой до 1350 °С, являются сплавы на базе железа и никеля. Высочайшее сопротивление окислению сталей и сплавов соединено сначала с огромным количеством хрома, входящего в состав сплавов. К примеру, наибольшее содержание хрома (по массе) в количестве 26-29 % имеет сплав на базе никеля ХН70Ю.

Сплав ХН70Ю (ЭИ652)
Хим состав по ГОСТ 5632-72, % (по массе): 26-29 Cr; 2,8-3,5 Al;

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Жаропрочные стали: состав, марки, виды, применение

Индивидуальности эксплуатации изделий из жаропрочной стали. Систематизация жаростойких и жаропрочных сплавов по структуре. Стали, отличающиеся тугоплавкостью.

Характеристики жаростойких и жаропрочных сплавов

Для увеличения жаростойкости употребляются легирующие добавки, которые также облагораживают крепкость металлов. Благодаря легированию на поверхности сплавов появляется защитная пленка, снижающая скорость окисления изделий. Главные легирующие элементы: никель, хром, алюминий, кремний. В процессе нагрева образуются защитные оксидные пленки (Cr,Fe)2O3, (Al,Fe)2О. При содержании 5–8 % хрома жаростойкость стали возрастает до 700–750 градусов по Цельсию, 17 % хрома – до 1000 градусов, при 25 % хрома – до 1100 градусов.

Жаропрочные марки металлов – сплавы на базе железа, никеля, титана, кобальта, упрочненные выделениями лишних фаз (карбидов, карбонитридов и др.). Жаропрочностью владеют хромоникелевые и хромоникелевомарганцевые стали. Под действием больших температур они не склонны к ползучести (неспешная деформация при наличии неизменных нагрузок). Температура плавления жаропрочной стали составляет 1400-1500 °С.

Жаропрочный сплав и жаростойкость

Ненагруженные конструкции, эксплуатируемые при температуре порядка 550°С в окислительной газовой атмосфере, делаются обычно из жаростойкой стали. К данным изделиям нередко относятся детали нагревательных печей. Сплавы на базе железа при температуре больше 550°С склонны интенсивно окисляться, из-за чего же на их поверхности появляется оксид железа. Соединение с простой кристаллической сеткой и нехватка атомов кислорода приводит к возникновению окалины хрупкого типа.

Для улучшения жаростойкости стали в хим состав вводятся:

• хром;
• кремний;
• алюминий.

Данные элементы, соединяясь с кислородом, содействуют формированию в сплаве надежных, плотных кристаллических структур, по этому и улучшается способность сплава расслабленно переносить завышенную температуру.

Тип и количество легирующих частей, вводимых в состав сплава на базе железа, зависит от температуры, в какой эксплуатируется изделие из него. Наилучшая жаростойкость у сталей, легирование которых производилось на базе хрома. Более известные марки этих сильхромов:

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

С увеличением количества хрома в составе жаростойкость возрастает. С колченогом могут создаваться марки металлов, изделия из которых не утратят начальных черт и при долгом действии температуры больше 1000°С.

Индивидуальности жаропрочных материалов

Жаропрочные сплав и стали удачно эксплуатируются при неизменном действии огромных температур, при этом склонность к ползучести не проявляется. Сущность данного процесса, которому подвержены стали обычных марок и остальные сплавы, в том, что материал, испытывающий действие неизменной температуры и нагрузку, медлительно деформируется, либо ползет.

Ползучесть, которой стараются избежать при разработке жаропрочных сталей и металлов другого типа, бывает:

• долговременной;
• краткосрочной.

Для определения характеристик краткосрочной ползучести материалы подвергаются испытаниям: помещаются в печь, подогретую до подходящей температуры, а к ним на определенное время прикладывается растягивающая перегрузка. За куцее время проверить материал на склонность к долговременной ползучести и узнать, каковой ее предел, не получится. С данной для нас целью испытуемое изделие в печи подвергается долговременной перегрузке.

Значимость предела ползучести в том, что он охарактеризовывает наибольшее напряжение, ведущее к разрушению разогретого эталона опосля действия определенное время.

Маркировка [ править | править код ]

• Числа сначала маркировки указывают на содержание в стали углерода в сотых толиках процента.
• Буковка без числа — определённый легирующий элемент с содержанием в стали наименее 1 %:

• Х — хром;
• Н — никель;
• С — кремний;
• Т — титан;
• М — молибден.

Буковка и цифра опосля неё — определённый легирующий элемент с содержанием в процентах (цифра).

2 Жаропрочные сплавы и стали – что они собой представляют?

Марки таковых сталей безупречны для производства изделий, функционирующих в критериях, когда находится явление ползучести и, естественно, завышенные температуры. Ползучестью именуют склонность сплава к неспешной деформации (пластической) при постоянной температуре под воздействием неизменной перегрузки.

Жаропрочность сплавов зависит от вида имеющейся ползучести, которая быть может:

• долговременной;
• краткосрочной.

Крайняя устанавливается в процессе специально проводимых анализов на растяжение изделий. Обследования осуществляются в течение недолговременного времени при заблаговременно данной температуре в нагревательной печи.

А долгая ползучесть определяется, как вы сами осознаете, в протяжении большего времени действия на сталь. И в этом случае основное значение имеет величина предела ползучести – наибольшее напряжение, вызывающее разрушение испытуемого изделия при определенном времени действия и температуре.

Варианты производства жаропрочных материалов

Делается жаропрочная сталь, проходя подготовительную тепловую обработку. Используются процедуры легирования таковыми элементами, как Cr, прибавления Mo, Ni, Ti и других легирующих компонент.

Хром – Cr -увеличивает жаростойкость, увеличивает коррозионную стойкость.

Никель – Ni – увеличивает свариваемость.

Молибден – Mo – наращивает тепловые характеристики рекристаллизации.

Титан – Ti – увеличивает крепкость, она удерживается в течение огромного временного периода, и упругость.

Марки нержавеющей стали

До этого всего это ЭИ417 либо 20Х23Н18 по ГОСТ 5632–61 . Аналог западноевропейских и американских производителей — популярная AISI 310. Аустенитная сталь, изделия из которой нужны для работы в среде с температурой, достигающей 1000 °C.

20Х25Н20С2, она же ЭИ283 — аустенитный сплав, устойчивый к температурам в 1200о С и выше.

Низкоуглеродистые сплавы с содержанием хрома от 4 до 20% употребляется для производства листовой нержавеющей стали. Жаропрочная нержавейка по сортаменту выпускается холоднокатаной и горячекатаной, толстолистовой и тонколистовой.

Систематизация материалов жаропрочных и жаростойких

Посреди всех железосодержащих материалов, нацеленных в эксплуатации на завышенный температурный режим, выделяются 3 главных класса:

Вид материала	Уровень нагруженности	Тепловые условия
Теплоустойчивые	Состояние в критериях перегрузки	До 600 градусов Цельсия длительное время
Жаропрочные	Состояние нагруженное	Высочайшие характеристики температуры
Жаростойкие (окалиностойкие)	Ненагруженное, слабонагруженное состояние	Температура наиболее 550 гр. Цельсия

Сплавы различаются по технологическим чертам, и это предназначает взаимодействие с разными вариациями производства. По этому аспекту они бывают

• Литейными. Идут на изготовка фасонных отливок.
• Деформируемыми. Получаются в виде слитков, потом обрабатываются при помощи ковки, прокатываются, штампуются, употребляется волочение и остальные методы.

Марки жаростойких и жаропрочных сталей

Зависимо от состояния структуры различают аустенитные, мартенситные, перлитные и мартенситно-ферритные жаропрочные сплавы. Жаростойкие сплавы делятся на ферритные, мартенситные либо аустенитно-ферритные виды.

Применение мартенситных сталей.
Марки стали	Изделия из жаропрочных сталей
4Х9С2	Клапаны авто движков, рабочая температура 850–950 ºC.
1Х12H2ВМФ, Х6СМ, Х5М, 1Х8ВФ, Х5ВФ	Узлы, детали, работающие при температуре до 600 ºC в протяжении 1000–10000 часов.
Х5	Трубы, эксплуатируемые при рабочей температуре до 650 ºC.
1Х8ВФ	Элементы паровых турбин, которые работают при температуре до 500 ºC в протяжении 10000 часов и наиболее.

Перлитные марки, имеющие хромокремнистый и хромомолибденовый состав жаропрочной стали: Х13Н7С2, Х10С2М, Х6СМ, Х7СМ, Х9С2, Х6С. Хромомолибденовые составы 12МХ, 12ХМ, 15ХМ, 20ХМЛ подступают для использования при 450-550 °С, хромомолибденованадиевые 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 15Х1М1ФЛ – при температуре 550-600 °С. Их используют при производстве турбин, запорной арматуры, корпусов аппаратов, паропроводов, трубопроводов, котлов.

Ферритная сталь делается методом обжига и термообработки, за счет чего же приобретает тонкодисперсную структуру. Сюда относят марки Х28, Х18СЮ, 0Х17Т, Х17, Х25Т, 1Х12СЮ. Содержание хрома в таковых сплавах 25-33 %. Их используют на производстве теплообменников, аппаратуры для хим производств (пиролизного оборудования), печного оборудования и иных конструкций, которые работают долгое время при высочайшей температуре и не подвержены действию суровых нагрузок. Чем больше хрома в составе, тем выше температура, при которой сталь сохраняет эксплуатационные характеристики. Жаростойкая ферритная сталь не владеет высочайшей прочностью, жаропрочностью, различается неплохой пластичностью и хорошими технологическими параметрами.

Мартенситно-ферритная сталь содержит 10-14 % хрома, легирующие добавки ванадий, молибден, вольфрам. Материал употребляется при изготовлении частей машин, паровых турбин, оборудования АЭС (Атомная электростанция — ядерная установка для производства энергии в заданных режимах и условиях применения, располагающаяся в пределах определённой проектом территории, на которой для осуществления этой цели используются ядерный реактор), теплообменников атомных и термических ЭС, деталей, предназначенных для долговременной эксплуатации при 600 ºC. Марки сталей: 1Х13, Х17, Х25Т, 1Х12В2МФ, Х6СЮ, 2Х12ВМБФР.

Аустенитные стали различаются широким применением в индустрии. Жаропрочностные и жаростойкие свойства материала обеспечиваются за счет никеля и хрома, легирующих добавок (титан, ниобий). Такие стали сохраняют технические характеристики, стойкие к коррозии при действии температуры до 1000 ºC. Сравнимо со сталями ферритного класса, аустенитные сплавы владеют завышенной жаропрочностью, способностью к штамповке, вытяжке, свариванию. Тепловая обработка металлов осуществляется методом закалки при 1000–1050 °С.

Применение аустенитных марок.
Марки стали	Применение жаропрочных сталей
08X18Н9Т, 12Х18Н9Т, 20Х25Н20С2, 12Х18Н9	Выхлопные системы, листовые, сортовые детали, трубы, работающие при низкой перегрузке и температуре до 600–800 °С.
36Х18Н25С2	Печные контейнеры, арматура, эксплуатируемые при температуре до 1100 °С.
Х12Н20Т3Р, 4Х12Н8Г8МФБ	Клапаны движков, детали турбин.

Аустенитно-ферритные стали различаются завышенной жаропрочностью по сопоставлению с обыкновенными высокохромистыми сплавами. Такие сплавы используются при изготовлении ненагруженных изделий, рабочая температура 1150 ºC. Из марки Х23Н13 изготавливают пирометрические трубки, из марки Х20Н14С2, 0Х20Н14С2 – печные сборочные потоки, резервуары для цементации, труб

Как избрать жаропрочную сталь для печи?

Жаропрочная сталь для печи, – в которых вариантах ее применение нужно, а в которых возможно обойтись обычный конструкционной сталью. При выбирании материала для каменки либо железной печи подогрева дома принципиально подобрать лучший вариант, который дозволит работать обогревателю длительное время без излишних издержек на покупку материалов.

Различия жаропрочности и жаростойкости сплава

Возможность сплавов длительное время оставаться устойчивой к действию газовой коррозии во время действия больших температур – это черта жаростойкости.

Обеспечить работу конструкций в брутальной среде при разогреве от 500 0 , и что принципиально без мощных нагрузок на их – в этом случае употребляются стали с завышенным содержанием хрома и остальных легирующих добавок.

Это нихром, сильхром, сталь с маркировкой 36Х18Н25С2 либо 15Х6СЮ.

Жаропрочные материалы способны выдерживать завышенные перегрузки действия температур при нагревании, трении без значимых деформаций конструкций и материала.

Оценивают уровень этих материалов по 2 аспектам:

• способность выдерживать недлинные по времени перегрузки при разогреве. Тесты проводятся на особом щите. Тут эталоны металлов испытываются на разрыв при определенной температуре разогрева;
• сплавы, выдерживающие разогрев и длительные перегрузки за определенный временной просвет, с сохранением прочности.

Индивидуальности жаропрочных материалов

Эти материалы способны выдерживать коротковременную либо долгосрочную нагрузку во время нагрева деталей печи и остальных устройств. Определив предел длительной ползучести металлов можно высчитать и приготовить обоснованный проект объекта и его отдельных деталей.

Зависимо от видов ползучести материалов подбирается сплав для краткосрочного противоборству деформации в брутальной среде. Для печей, турбин подбираются сплавы, способные выдерживать высшую температуру без разрушения и деформации длительное время.

Посреди отличительных особенностей выделим главные:

• величина зернистости структуры материала. Эта величина впрямую влияет на ползучесть жаропрочного сплава. Если зерна большие, в этом случае зазор меж этими частями меньше, потому миниатюризируется, зазоры меж ними и слабеет уровень скольжения и диффузионных перемещений. Наилучший вариант – монокристалл, у которого всего одно зерно, но применять такие материалы затратно;
• на уровень жаропрочности стали влияет температура расплавления материала. При росте данной для нас свойства, возрастает уровень прочности связей атомов и миниатюризируется величина ползучести стали либо сплавов. Но принципиально обеспечить больший уровень нагрева, опосля которого материал начинает плавиться.

Марки стали

Жаростойкой сталью для печей, деталей и конструкций могут быть:

• аусенитного;
• мартенситного типа;
• перлитного;
• мартенситно – ферритного.

Для выпуска печей принято применять ферритный, аусенитно – ферритный и мартенситный типа жаропрочного материала.

Аустенитные и аустенитно-ферритные железные сплавы

Жаропрочный сплав для печи – это увеличенное включение легирующих добавок (марганца, хрома). Детали из такового вида сталей способны сохранять целостность конструкции при рабочей температуре среды до 700 0 . Уровень жаропрочности у этого типа превосходит это значение у всех видов сталей. Эти материалы употребляют для сварных соединений из-за собственной пластичности.

Группу подразделяют на 3 подгруппы по способу придания материалам прочности:

1. В жестком растворе содержится пониженное число добавок.
2. В подгруппе в сплаве содержится завышенный процент карбидов. Это включение первичных TiC, VC, ZrC, NbC, также вторичных карбидов.
3. Это стали, где стойкость увеличиваются при помощи интерметаллидного упрочения. Они более жаропрочные посреди всех групп аусентитных сталей. Таковая изюминка достигается добавлением в состав титана, алюминия, вольфрама, молибдена и брома.

Для увеличения уровня сопротивления деформациям 1-ые два типа сталей закаливают при температуре разогрева от 1050 0 в воды, воздушным методом. Опосля постепенного остывания закаленные стали выходит однородная высоколегированная структура.

Отличительной индивидуальностью жаропрочной стали является пониженное содержание углерода.

Тугоплавкая сталь

Для увеличения уровня жаропрочности в хим составе сплавов либо материалов добавлены особые легирующие присадки, и выдерживается соотношение этих добавок:

• в базу из вольфрама добавляется рений – 30%;
• ванадия – 60%, добавляется ниобий – 40%;
• железа – 48% + ниобия – 5% + молибдена – 5% + циркония – 1%;

Сплавы на базе никеля и консистенции никеля с железом

К данной для нас группе относят:

• из никеля при его содержании 55%;
• в сплаве содержится 65% железа.

Система, разогреваясь, покрывается защитой в виде пленки, которая препятствует их разрушению и деформации. Эти сплавы употребляются в производстве прокладки газопроводов, компрессорных установках и турбинах.

Какую сталь лучше избрать?

Для различных вариантов использования и установки печи при производстве будет нужно использовать различные виды стали, в том числе и жаропрочной. Разберем главные места вероятной установки печи и лучший выбор стали для ее производства.

Для банной печи

В этом варианте каменка будет разогреваться максимум до 500 0 , потому вероятна деформация конструкции при не соблюдении технологии производства работ и выборе материала. Но отдельные части греются по-разному, потому марка стали для банной печи для различных ее частей может изменяться:

• для производства топочного отделения будет нужно приготовить заготовки из стали, марок AISI 430 либо 08Х17Т. Но такую сталь тяжело достать и накладно применять при самостоятельном изготовлении печи. В этом случае можно применять конструкционную сталь, но наиболее высочайшей марки. Наилучший вариант – Ст-10;
• на термический экран для предотвращения прямого прохождения тепла в дымоход можно применять ординарную конструкционную сталь либо 08ПС, 08Ю;
• для производства корпуса можно приготовить обыденную Ст-3;
• для дверки топочного отделения принципиально приготовить неплохой материал из жаропрочной стали либо из чугуна. В специализированных магазинах либо на барахолке, можно отыскать хорошие б/у дверки, за маленькие средства;

Для дома

На систему оказывается долгие термо перегрузки, потому принципиально, чтоб детали были изготовлены из неплохого материала. Можно применять для домашней буржуйки сталь для банной печи, но лучше приготовить заготовки из сплавов, содержание хрома в каких от 12%.

Из такового листа выполняются известные печи доктора Бутакова от компании «Теплодар» и компанией «Термофор». Они будут служить намного подольше, чем самодельные, изготовленные из подручных материалов. Не следует забывать и толщине стен таковых печей. Изготовленные из легированной стали с высочайшим уровнем сопротивления от деформаций при долгом нагреве печи могут производиться из листовой стали, шириной 4-5 мм.

Если печка устанавливается в маленькой дачный домик и планируется применять ее лишь в осеннюю пору либо ранешней в весеннюю пору во время редчайших визитах на участок, для этого можно создать самодельную печку из трубы либо газовых баллонов с системой конвекции. Таковая система доступная и сумеет обогревать дом длительное время.

Для гаража

Для гаража применять дорогостоящую жаропрочную либо жаростойкую сталь – это непозволительная роскошь. Таковая печка употребляется куцее время и не весьма нередко. Потому сделав печку из колесных дисков либо листового сплава, шириной 3-4 мм, вы просто решите вопросец подогрева гаражного помещения.

Вывод

Внедрение дорогостоящей жаропрочной стали обязано быть оправдано. Не стоит применять материалы, предназначенные для производства деталей промышленных конструкций в изготовлении маленькой банной печи.

Но если буржуйка употребляется для отопления пригородного дома с большенный площадью – в этом случае принципиально подобрать материал для печи с учетом жаропрочности и сопротивлению от действия брутальной среды и высочайшей температуры.