производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 8.2. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

Жаростойкие стали и сплавы. Жаростойкость (окалиностойкость) — это способность металла сопротивляться окислению при высоких температурах. При повышении температуры скорость окисления металлов возрастает. Железо при температурах выше 570 °С образует оксиды FeO, Fe3О 4, Fe2О3, не защищающие поверхность металла от воздействия кислорода.

Окалиностойкость сталей достигается легированием хромом, алюминием или кремнием. Эти элементы образуют на поверхности стали плотные оксиды Cr2О3, Аl2О3, SiО2, затрудняющие окисление.

Образование защитной оксидной пленки обеспечивается только наличием соответствующих легирующих элементов. Поэтому жаростойкость определяется химическим составом стали и не зависит от ее структуры.

Для работы при температурах до 800 °С применяют хромистые стали. Влияние хрома наиболее заметно при содержании 15... 20 % (стали 12X17, 15Х25Т). При более высоких температурах используют хромоникелевые стали (20Х23Н13) и сплавы на основе никеля (ХН45Ю с составом 44...46% №, 15... 17% Сr, 2,9...3,9% А1). Содержание кремния и алюминия не превосходит 4%, при их большем содержании сплавы становятся весьма хрупкими.

Жаростойкие стали и сплавы применяют для изготовления печного оборудования, сопловых аппаратов, деталей газотурбинных установок.

Жаропрочные стали и сплавы. Жаропрочность — это сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительной нагрузке. При повышении температуры силы межатомных связей ослабевают и металлы разрушаются при напряжениях более низких, чем при комнатной температуре. Разрушение происходит в результате ползучести.

Жаропрочность характеризует сопротивление материала ползучести. Напомним, что ползучесть развивается при рабочей температуре, превышающей температуру рекристаллизации, и напряжении выше предела текучести (см. подразд. 3.2 и рис. 3.14). Таким образом, жаропрочность тем выше, чем выше температура рекристаллизации Тр, которая, в свою очередь, зависит от температуры плавления металла Тпл:

Тр = αТпл,

где α = 0,3 ...0,4 для технически чистых металлов; а = 0,6... 0,8 для сплавов.

Таким образом, повышение жаропрочности достигается применением металлов с высокой температурой плавления (тугоплавких), а также сплавов — за счет увеличения коэффициента а. Высокие значения а (0,6...0,8) характерны для твердых растворов. При этом аустенитные стали и сплавы обладают большей жаропрочностью, чем ферритные, так как температура рекристаллизации выше у сплавов с ГЦК, а не с ОЦК решеткой.

Более высокой жаропрочностью обладают крупнозернистые структуры с меньшей протяженностью границ зерен, потому что именно на границах зерен скапливается большое количество дефектов, что делает их наиболее ослабленными участками в металле. Кроме того, по границам развивается процесс ползучести в результате перемещения одного зерна относительно другого.

Для сплавов, предназначенных для краткосрочной эксплуатации, оптимальной является структура, обеспечивающая наибольшую прочность. Это структура, состоящая из твердого раствора и упрочняющих дисперсных частиц второй фазы (см. под-разд. 2.7 и рис. 2.28). Структура сплавов, предназначенных для длительной эксплуатации, должна быть однофазной.

Жаропрочность характеризуется пределом длительной прочности — напряжением, вызывающим разрушение при определенной температуре за данный отрезок времени. Например, σ_1000^700 = 200 МПа означает, что при напряжении 200 МПа и температуре 700 °С разрушение произойдет не ранее, чем через 1000 ч.

В качестве жаропрочных материалов используют:

  • стали на основе Feσ для работы при температурах до 600 °С; аустенитные стали на основе Feγ, легированные никелем (около 18 %), для работы при температурах до 850 °С;
  • сплавы на основе никеля или железо-никелевые для работы при температурах до 950 °С.

Для работы при температурах около 600 °С и длительности работы 10000... 100000 ч используют низкоуглеродистые стали, в небольших количествах (до 1 %) легированные хромом, молибденом и ванадием (12ХМ, 15ХМ, 12Х1МФ), их используют для деталей котельного оборудования (паропроводы, крепеж и т.п.).

Применяются также стали с содержанием углерода около 0,4 %, легированные хромом и кремнием, — сильхромы (40Х9С2, 40Х10С2М), Их отличительной особенностью является высокое сопротивление окислению, что обеспечивается высоким содержанием хрома и кремния. Сильхромы используют для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания.

Аустенитные стали (12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т) применяют для деталей, работающих при температурах до 850 °С.

Для работы при более высоких температурах применяют сплавы на железоникелевой (ХН35ВТ, содержащий в среднем 15 % Сr, 35% Ni, 3,0% W, 1,3% Ti) или никелевой основе (ХН77ТЮР — 20 % Сr, 2,7 % Ti, до 1,0 % Fe, до 0,4 % Мn, Ni — в основе).

В технике находят применение тугоплавкие металлы с температурой плавления выше, чем у железа (1 539 °С). К ним относятся Nb, Мо, Та, Сr и W с температурами плавления соответственно 2468, 2625, 2996, 1849и3410°С. Поскольку чистые металлы имеют сравнительно низкую жаропрочность (малое значение коэффициента а), то для повышения жаропрочности их легируют элементами, образующими твердые растворы. Все тугоплавкие металлы обладают низкой жаростойкостью, в связи с чем на них наносят защитные покрытия.

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.