Жаростойкая и жаропрочная сталь в металлургии: состав марки сталей тугоплавких сплавов

Жаропрочная сталь - это сплав металлов наделенный характеристиками жаростойкости при воздействии температур свыше красного каления. Разнообразие марок и составов термостойких железных сталей с добавлением тугоплавких или легирующих элементов в металлургическом производстве дает возможность получать изделия способные работать в зонах критических температур на протяжении многих часов не теряя свои прочностные характеристики.Одним из важных параметров для жаропрочной стали является параметр окалиностойкости.  Данная характеристика придается металлу во время его выплавки, для жаростойкой стали это означает промежуток времени при котором изделие из термоупрочненной стали находится под воздействием так называемой газовой коррозии сопротивляясь образованию окисления на поверхности изделия, что в свою очередь приводит к разрушительным процессам кристаллической решетки стали.

Отличительной особенностью жаропрочных от жаростойких марок сталей является способность к отсутствию деформации под действием высоких температур на протяжении длительного времени. Такие стали даже через часы работы под силами растяжения сохраняют свою кристаллическую решетку без деформации, чего не скажешь о обычных жаростойких, химическая формула которых рассчитана на условно кратковременные нагревы.

выпускной коллектор из жаропрочной стали

Жаростойкие марки стали применяют для изготовления деталей механизмов или элементов нагревательных печей, где нет постоянной большой нагрузки и давления, которые выдерживают температуры до 550 градусов целься, а также способны работать в газово-окислительной среде на протяжении долгого времени.

При воздействии температур свыше 550 градусов, даже самые жаростойкие сплавы из железа подвергаются активному окислению с появлением на поверхности оксида железа ( химическое соединение кислорода с железом, по сути являющееся окалиной с хрупкой кристаллической решеткой).

окалина на раскаленном металле

Для улучшения свойств сплавов из железа к жаростойкости, в состав их кристаллической решетки добавляют хром, алюминий и кремний. В процессе соединения с кислородом  данные элементы помогают создать  в структуре кристаллической решетки металла надежные с высокой плотностью молекулярные связи что существенно повышает устойчивость такой стали к высоким температурам.

Сопротивляемость сплава металлов в условиях высоких температур зависит от количества и типа легирующих добавок вводимых в сплав на основе железа.

Стали легированные добавками хрома на практике показывают наилучшие показатели по жаростойкости, этот вид сплавов получил название сильхромы к которым относятся такие стали как: 08Х17Т, 12Х25Т,15Х6СЮ и другие. Характерным показателем жаропрочности этих и им подобным сталей является соотношение хрома к массовой доле других составляющих сплава. Такие сплавы с большим содержанием хрома могут выдерживать температуры свыше 1000 градусов Цельсия на протяжении долгого времени не теряя своих прочностных характеристик.  

ОСОБЕННОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ

Негативным процессом происходящим в кристаллической решетке стали при нагревании металла является ползучесть, при действии факторов влияния в виде механических нагрузок или давления, параметр ползучести может существенно увеличиваться, для этого в производственных лабораториях проводят целый рад тестов.  В результатах которых выделяют параметры кратковременной и длительной ползучести жаропрочной стали.

процесс растяжения термоупрочненной стали

Для определения степени ползучести материала, заготовку помещают в специальную печь нагретую до определенной температуры, где сталь подвергается испытаниям на растяжение. Контролируя время и температуру проводят замеры определяя деформацию и как результат, определяют степень ползучести жаростойкого сплава.

Чтобы определить степень длительной ползучести, испытуемую заготовку подвергают длительным испытательным процессам, ходе которых определяют наибольшую нагрузку которую выдерживает заготовка при длительной нагрузке без растяжения, а также степень максимального растяжения под воздействием высокой температуры приводящего к разрушительным процессам.


ТИПЫ МАРОК ЖАРОПРОЧНЫХ И ЖАРОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ

В зависимости от структуры кристаллической решетки, выделяют следующие типы сталей отличающиеся своей жаростойкостью:

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

Наиболее известными марками сталей из мартенситовой группы являются:

Х5 - сталь для изготовления труб работающих в температурном диапазоне до 650 градусов.

Х5М, Х5ИФ, Х6СМ, 1Х8ВФ и подобные - марки стали для изделий находящихся в эксплуатации с повышенными температурами до 600 градусов на протяжении длительного времени достигающего 10000 часов.

3Х13Р7С2, 4Х9С2 - стали для изготовления жаропрочных изделий, например таких как системы газораспределения в двигателях внутреннего сгорания, остаются стабильны при температурах до 950 градусов.

1Х8ВФ - изделия из такой стали демонстрируют исключительную жаростойкость  долгое время при температурах до 500 градусов Цельсия.

схема кристалической решетки жаропрочных сталей
структура кристаллической решетки жаропрочных сталей

Основная составляющая структуры мартенсита - это перлит,  порода меняющая свое состояние при добавлении в сплав значительного количества хрома.  Таким образом перлитными марками жаропрочных сталей считают: Х6С, Х6СМ, Х?СМ, х9С2 и другие, сплавы относят к  хромомолибденовым и хромокременистым сталям. Более того эти виды сталей подвергаются дополнительной обработке при помощи закалки при температуре около 1000 градусов, а затем подвергают процедуре отпуска, в результате чего получают сталь имеющую структуру сорбита - материала отличающегося высокой твердостью по шкале HRC -не менее 25 единиц.

Жаростойкие ферритовые стальные сплавы в своей химической формуле содержат 25 - 33% хрома, что и задает их жаропрочность. Для получения мелкозернистой структуры стали, продукцию подвергают отжигу. Ферритовые сплавы имеют такие аббревиатуры их марок: Х17, 0Х17Е, 1Х12СЮ, Х18СЮ, Х25Т, Х28. У этих сталей есть одна особенность при нагревании до 850° происходит увеличение зерна приводящее к повышенной хрупкости.

Мартенсит и феррит - это основа структуры жаропрочных сталей которые применяют для изделий с различными нагрузками в машиностроительной отрасли производства.  Изделия из сталей на основе феррита и мартенсита могут долгое время сохранять свои качественные характеристики в зонах температур находящихся в пределах 600°. Такие стали это: 1Х12В2МФ, 1Х12ВНМФ, 1Х11МФ,2Х12ВМБФР, Х6СЮ, 1Х13. Дополнительными легирующими добавками таких сплавов являются молибден, вольфрам, ванадий, а хромовая составляющая находится в пределах 10-14%.


АУСТЕНИТНЫЕ | АУСТЕНИТНО-ФЕРРИТНЫЕ СПЛАВЫ

труы из аустенитной нержавеющей стали

трубы из аустенитной нержавеющей стали

Кристаллическая решетка таких сталей формируется при наличии в их составе никеля, а также хрома отвечающего за жаростойкость. Более того, химические формулы этих сталей могут содержать в своем составе ниобий и титан, а также углерод в малых количествах. Стали с аустенитной структурой относятся к разряду нержавеющих, выдерживают температуры до 1000 градусов без образования окалины на поверхности.

Популярными аустенитными сталями в производстве являются сплавы дисперсионно-твердеющей категории. Состав таких сталей может быть дополнительно упрочнен интерметаллическими или карбидными упрочнителями, что разделяет аустенитные стали на разные категории:

  • дисперсионно-твердеющие - стали для производства крыльчаток турбин, клапанов работающих под давлением и высокой температурой. Такими сталями являются Х12Н20Т3Р, 4Х12Н8Г8МФБ и другие.
  • гомогенные стали - применяющиеся для изготовления элементов механизмов находящихся в зонах высоких нагрузок и давления, например: трубы для прохода горячего сжатого воздуха и др. Такими сталями могут быть: 1Х14Н16Б, 1Х14Н18В2Б, Х18Н12Т и им подобные.

Сплав аустенита и феррита с железом отличает сверхвысокая жаропрочность сплава, что позволяет применять стали при температурах достигающих до 1150°. Изделия выплавленные из аустенитно-ферритовых сплавов демонстрируют высокую стабильность к ползучести и существенно превышают все показатели по жаропрочности по сравнению с самыми высоко хромистыми видами сталей.

Для сравнения, аустенитно-мартенситные сплавы не смотря на свою жаростойкость обладают недостаточной сопротивляемостью  в ударам и нагрузкам, это происходит в следствии специфической внутренней структуры стали.


ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ СТАЛИ

Сплавы стали для механизмов и элементов работающих в среде до 2000° - это жаропрочные сплавы основу которых формируют тугоплавкие металлы. Температуры плавления таких металлов значительно выше обычного железа.

температуры плавления тугоплавких металлов, таблица

тантал 3880
вольфрам 3410
рений 3180
ниобий 2415
ванадий 1900
цирконий 1855
молибден 2620
гафний 2233

Высокие температуры переходных плавильных процессов при выплавке сплавов из тугоплавких металлов требуют дополнительных добавок для стабилизации процесса плавления, так как из-за высокой температуры перехода в хрупкое состояние, происходит деформация кристаллической решетки стали.

тугоплавкие металлы

На практике применяют следующие формулы соотношений химических элементов в сплавах жаропрочных сталей с тугоплавкими металлами:

  • - вольфрам как основа + 30% рения;
  • - ванадий 60% + 40 нобий;
  • - железо как основа + 15% нобий + 5% молибден +1% цирконий;
  • - тантал как основа + 10% вольфрам.

НИКЕЛЕСОДЕРЖАЩИЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ

Высокими жаростойкими характеристиками обладают сплавы на основе никеля и железа, в качестве легирующих элементов в таких сплавах применяют хром, долевой соотношение которого может достигать до 23%.

лом никеля

Ряд сплавов никелевых сталей имеет достаточно разную термостойкость, таким образом группу сталей разделяют на жаропрочные и обычные жаростойкие. При через мерном нагреве, сталь образует оксидную пленку содержащую хром и алюминий, более твердые марки формируют соединения титана с никелем и алюминия с никелем что обеспечивает термические характеристики по сопротивляемости к воздействию высоких температур.

Такие стали как ХН77ТЮ, ХН60В, ХН78Т, ХН78Т, ХН78МТЮ, ХН67ВМТЮ, ХН70, ХН70МВТЮБ применяют для конструкций газового снабжения, элементов конструкции турбин, в компрессорном оборудовании в качестве прижимных клапанов и турбинных роторов.