Различные марки жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов признаются лучшим материалом для изготовления конструкций, функционирующих в особо сложных и агрессивных средах.

1

Окалиностойкость, иначе называемая жаростойкостью, представляет собой способность тех или иных сплавов либо металлов противостоять на протяжении длительного времени при повышенных температурах . А под жаропрочностью понимают способность металлических материалов не поддаваться разрушению и пластической деформации при высоких температурных режимах работы.

Ненагруженные конструкции, которые применяются при температурах в районе +550 °С в газовой окислительной атмосфере, обычно изготавливаются из жаростойких металлов. К указанным изделиям часто относят элементы нагревательных печей. Сплавы на базе железа при температурах выше указанных 550 градусов склонны к активному окислению, в результате коего на их поверхности формируется оксид феррума. Это соединение характеризуется элементарной кристаллической решеткой с недостатком атомов кислорода, что приводит к появлению окалины хрупкого типа.

Увеличить жаростойкость стали удается тогда, когда в нее вводят такие элементы, как кремний, хром, алюминий.

Они способны создавать с кислородом совершенно другие решетки – с очень плотным и надежным строением. Уровень легированности композиции (количество требуемых добавок) подбирают с учетом температуры, при которой планируется применять изделие, изготовленные из него.

Максимальная жаростойкость присуща материалам на базе никеля (сильхромам). К таковым, в частности, относят следующие марки стали:

• 36Х18Н25С2;
• 15Х25Т;
• 08Х17Т;
• 15Х6СЮ.

Вообще, жаростойкость сталей будет тем выше, чем больше в них имеется хрома. Некоторые марки стальных композиций способны без ухудшения своих начальных свойств работать даже при температурах в районе 1150 °С.

2

Марки таких сталей идеальны для производства изделий, функционирующих в условиях, когда присутствует явление ползучести и, естественно, повышенные температуры. Ползучестью называют склонность металла к медленной деформации (пластической) при неизменной температуре под влиянием постоянной нагрузки.

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

• длительной;
• кратковременной.

Последняя устанавливается в ходе специально проводимых анализов на растяжение изделий. Обследования осуществляются в течение непродолжительного времени при заранее заданной температуре в нагревательной печи.

А длительная ползучесть определяется, как вы сами понимаете, на протяжении большего времени воздействия на сталь. И в данном случае главное значение имеет величина предела ползучести – наибольшее напряжение, вызывающее разрушение испытуемого изделия при конкретном времени воздействия и температуре.

3

По состоянию своей структуры такие сплавы бывают:

• мартенситно-ферритными;
• перлитными;
• аустенитными;
• мартенситными.

А жаростойкие сплавы дополнительно подразделяются еще на:

• аустенитно-ферритные или мартенситные;
• ферритные.

• 3Х13Н7С2 и 4Х9С2 (используются при температурах 850–950° в клапанах автодвигателей);
• Х5М, 1Х12H2ВМФ, 1Х8ВФ, Х6СМ, Х5ВФ (применяются для производства узлов и разнообразных деталей, работающих в течение 1000–10000 часов при температурах от 500 до 600°);
• Х5 (из них делают трубы для использования при температурах не более 650°);
• 1Х8ВФ (применяются для изготовления компонентов паровых турбин, функционируют без потери свойств в течение 10000 часов и более при температуре до 500°).

Мартенситные сплавы получаются из перлитных при повышении в последних количества хрома. Непосредственно к перлитным относят следующие жаростойкие и жаропрочные стали: Х13Н7С2, Х7СМ, Х9С2, Х10С2М, Х6СМ, Х6С (то есть все виды хромомолибденовых и хромокремнистых составов). Их закаливают при температурах 950–1100 градусов, а затем (при 8100 градусах) выполняют , что позволяет получить твердые материалы (по шкале HRC – не менее 25 единиц) со структурой сорбита.

Жаростойкие ферритные стали имеют мелкозернистую структуру после их отжига и термообработки. В таких композициях присутствует от 25 до 33 процентов хрома. Используются они для пиролизного оборудования и теплообменников. К ферритным сталям относят далее указанные марки: Х28, Х18СЮ, Х17, Х25Т, 0Х17Т, 1Х12СЮ. Отметим, что их нельзя нагревать более 850 градусов, так как в этом случае изделия станут хрупкими за счет своей крупнозернистой структуры.

Мартенситно-ферритные сплавы хорошо зарекомендовали себя при производстве машиностроительных деталей, которые планируется использовать при 600° на протяжении существенного времени. Такие жаропрочные стали (1Х13, 1Х12В2МФ, 1Х12ВНМФ, Х6СЮ, 2Х12ВМБФР, 1Х11МФ) легируются молибденом, вольфрамом, ванадием, а хрома в них, как правило, содержится от 10 до 14 процентов.

4

Наибольшей востребованностью пользуются , структура коих обеспечивается наличием никеля, а жаростойкость – наличием хрома. В подобных композициях иногда встречаются незначительные включения ниобия и титана, углерода в них очень мало. Аустенитные марки при температурах до 1000° успешно противостоят процессу появления окалины и при этом относятся к группе антикоррозионных сталей.

Сейчас чаще всего предприятия используют описываемые материалы, относимые к дисперсионно-твердеющей категории. Их делят на два вида в зависимости от варианта применяемого упрочнителя – интерметаллического либо карбидного. Именно процедура упрочнения придает аустенитным сталям особые свойства, так востребованные промышленностью. Известные сплавы данной группы:

• дисперсионно-твердеющие: 0Х14Н28В3Т3ЮР, Х12Н20Т3Р, 4Х12Н8Г8МФБ, 4Х14Н14В2М (оптимальны для изготовления клапанов двигателей транспортных средств и деталей турбин);
• гомогенные: 1Х14Н16Б, Х25Н20C2, Х23Н18, Х18Н10T, Х25Н16Г7АР, Х18Н12T, 1Х14Н18В2Б (указанные марки находят свое применение в сфере выпуска арматуры и труб, работающих при больших нагрузках, элементов выхлопных систем, агрегатов сверхвысокого давления).

Аустенитно-ферритные сплавы имеют очень высокую жаропрочность, которая намного больше обычных высокохромистых материалов. Достигается это за счет уникальной стабильности их строения. Такие марки стали нельзя применять для производства нагруженных компонентов из-за их повышенной хрупкости. Зато они прекрасно подходят для изготовления изделий, функционирующих при температурах близких к 1150 °С:

• пирометрических трубок (марка – Х23Н13);
• печных конвейеров, труб, емкостей для цементации (Х20Н14С2 и 0Х20Н14С2).

5

В тех случаях, когда требуется изготовить детали, которые смогут применяться при температурах от 1000 до 2000 градусов, используются стали на основе тугоплавким металлов. К ним относят элементы, характеризуемые следующими температурами плавления (в градусах):

• 3410 – вольфрам;
• около 3000 – тантал;
• 2415 – ниобий;
• 1900 – ванадий;
• 1855 – цирконий;
• 3180 – рений;
• около 2600 – молибден;
• почти 2000 – гафний.

Данные металлы деформируются (пластически) при нагреве, что обусловлено высокой температурой их изменения в хрупкое состояние. При нагреве до величин рекристаллизации формируется волокнистая структура тугоплавких металлов и наклеп. Показатель жаропрочности таких материалов обычно увеличивают привнесением специальных добавок. А их защита при температурах более 1000 градусов от окисления обычно выполняется легированием с использованием молибдена, тантала, титана и других элементов.

Часто используются тугоплавкие сплавы с такими составами:

• 30 % рения + вольфрам;
• 40 % ниобия + 60 % ванадия;
• 48 % железа + 1 % циркония + 5 % молибдена + 15 % ниобия;
• 10 % вольфрама + тантал.

6

Указанные сплавы, жаростойкость и жаропрочность которых очень высока, имеют в своем составе свыше 55 % никеля и более 65 % комплекса никель + железо. Базовым элементом в обоих видах композиций при этом является хром (его содержится от 14 до 23 %).

Более высокие показатели стойкости и прочности при повышенных температурах демонстрируют стали на основе никеля: ХН60В, ХН75МБТЮ, ХН60Ю, ХН78Т (жаропрочные) и ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН70ВМЮ, ХН70, ХН67ВМТЮ (жаростойкие). Обусловлен сей факт процессом формирования на их поверхности при высоких температурах оксидной алюминиевой и хромовой пленки, а также (в твердых растворах) – соединений алюминия и никеля, титана и никеля.

В никелевых сплавах из-за несущественного содержания в них углерода никогда не появляются карбиды. А их упрочнение – это последствие твердения, характеризуемого дисперсной природой, после выполнения термообработки. Под такой обработкой понимают:

• создание твердой однородной композиции никеля и легирующих добавок;
• следующее за этим старение металла (температура процесса – около 750 градусов, иногда - 800).

В процессе распада твердого пересыщенного состава формируются металлические упрочняющие компоненты, которые существенно увеличивают показатель жаропрочности стали и ее сопротивляемость деформациям.

Назначение и марки сталей с никелем, с никелем и железом:

• составляющие газовых конструкций – ХН35ВМТЮ;
• элементы турбин – ХН35ВТР;
• диски и лопатки компрессоров – ХН35ВТЮ;
• роторы турбин – ХН35ВТ, ХН35ВМТ.

Большинство металлов и их сплавов при высоких температурах склонны вступать в реакцию с парообразной или газовой средой, что становится причиной газовой коррозии. Сущность и интенсивность этих процессов очень разнообразны и зависят от целого ряда факторов: температуры их протекания, химического состава металла и газовой среды. В большинстве случаев металл или его сплав вступает в реакцию с кислородом. Нержавеющая сталь жаростойкая является материалом, способным сопротивляться окислению при высоких температурах. Жаропрочная нержавеющая сталь дополнительно обладает способностью сопротивляться пластическим деформациям и разрушению в области высоких температур.

Химический состав и марки жаростойких сталей

Жаростойкие стали способны противостоять химическому разрушению поверхности при температурах, превышающих 5500С. Жаростойкая нержавейка применяется для работы в условиях отсутствия нагрузок или в малонагруженном состоянии

Для придания жаростойкости стали легируют хромом, алюминием, кремнием:

• стали, легированные кремнием и хромом, называются сильхромами;
• хромом и алюминием – хромалями;
• всеми тремя элементами – сильхромалями.

Кремний повышает жаростойкость сталей, работающих в окислительной атмосфере. Если газы при высоких температурах содержат значительное количество водяных паров, то в таких условиях более устойчивыми являются хромистые и хромоникелевые стали.

Жаропрочные стали – разновидности и области применения

Жаропрочная нержавейка является широко востребованным материалом. Многие детали современных механизмов испытывают высокие напряжения и нагреваются в процессе работы до высоких температур.

Основные области применения жаропрочных сталей – производство элементов двигателей внутреннего сгорания и реактивных двигателей, паровых котлов и турбин, газовых турбин, металлургических печей.

Маркировка жаропрочной стали соответствует ГОСТ 5632-72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные».

Требования, которые предъявляются к различным деталям, зависят от времени работы при высоких температурах и термических режимов.

Марки жаропрочных сталей, работающие в различных эксплуатационных условиях:

• Клапанные стали предназначены для изготовления клапанного узла – ответственного механизма, часто определяющего безремонтный срок службы мотора. Отдельные элементы клапана работают при различных нагрузках, поэтому для их изготовления применяют несколько сталей с различными характеристиками и различные виды термической обработки. В моторах с небольшой мощностью применяются сильхромы, имеющие достаточную жаростойкость в среде выхлопных газов при температурах 800-9000С. Для клапанов моторов значительной мощности используется высоколегированная сталь аустенитного класса – 45Х14Н14В2С3. Заменителями этого материала могут служить марки жаропрочной нержавейки с более низким содержанием никеля и повышенным количеством хрома и кремния.
• К котлотурбинным сталям относятся котельные и крепёжные сплавы.
  1. К котельной относится сталь жаропрочная низколегированная (добавки – Mo, Ni, V) с малым содержанием углерода. Её основной характеристикой является длительная прочность.
  2. К группе крепёжных относятся низколегированные (Mo, Ni, V) среднеуглеродистые стали. Их основное качество – предел текучести.
• Важнейшими деталями современных реактивных двигателей являются лопатки газовой турбины, турбинные диски, камеры сгорания. Аустенитные стали, используемые для изготовления такой продукции, делят на две группы.
  1. К первой группе относятся сплавы с содержанием хрома до 25%, их применяют в производстве камер сгорания, форсажных камер, жаровых труб.
  2. Стали второй группы содержат хром – не более15%, но дополнительно в их состав в повышенном количестве входят вольфрам, титан, молибден, ниобий.

Особенности сварки жаропрочных сталей

Сварка жаропрочной стали, благодаря современным сварочным материалам и технологиям, позволяет получать качественный шов, стойкий к появлению горячих трещин.

Сварные швы жаропрочных сталей склонны к образованию холодных трещин и появлению разупрочнения в зоне термического влияния.

Для борьбы с этими негативными явлениями перед сваркой используют местный или общий подогрев соединяемых элементов. Этот позволяет снизить разницу температур между зоной сварки и периферийных участков, уменьшив, тем самым, напряжения в металле.

При предварительном подогреве следует учитывать, что нельзя слишком повышать температуру изделия, поскольку это может стать причиной образования грубой ферритно-перлитной структуры. Такая микроструктура стали не способна обеспечить достаточную длительную прочность и требуемую ударную вязкость сварного соединения.

Для уменьшения опасности возникновения холодных трещин после сварки проводят отпуск изделий при температурах 150-2000С в течение нескольких часов. При отпуске завершается преобразование остаточного аустенита в мартенсит и удаляется большая часть растворённого в стали водорода.

Современные жаропрочные и жаростойкие стали отличаются высокой технологичностью, хорошей свариваемостью, оптимальным соотношением легирующих элементов.

В этой статье мы расскажем обо всех особенностях и вариантах стали банных печей и отопительных котлов Термофор. Ведь сталь, из которой изготовлена Ваша будущая банная или отопительная печь, - главный ценовой параметр и один из наиболее важных показателей, от которого зависит, насколько долго прослужит Вам печь.

Что такое сталь и с чем её едят?

Сталь (от нем. Stahl) — сплав железа (не менее 45%) с углеродом (от 0,1 до 2,14 %) и другими элементами, сопутствующими железу в его сплавах (марганец, сера, фосфор). Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Добавление других элементов для изменения (улучшения) химических и физических свойств исходного сплава называется легирование . Наряду с нанесением защитного покрытия (окраска изделий, хромирование, цинкование) легирование применяется для повышения коррозионной стойкости металла.

Таким образом, любая нержавеющая сталь - легированная (улучшенная) сталь, устойчивая к коррозии. Вопрос в том, насколько?

Нержавеющие стали делят на три группы:

• Коррозионностойкие стали — от них требуется стойкость к коррозии в несложных промышленных и бытовых условиях (бытовая нержавеющая посуда и тара, хирургические инструменты и др.).
• Жаростойкие стали — от них требуетя жаростойкость (окалиностойкость) — то есть стойкость к коррозии при высоких температурах в сильно агрессивных средах (например, на химических заводах). Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами, которые изменяют состав и строение окалины.
• Жаропрочные стали — от них требуется жаропрочность — то есть хорошая механическая прочность при высоких температурах.

Легирование хромом

Сопротивление нержавеющей стали к коррозии напрямую зависит от содержания хрома (это открыл Гарри Бреарли в 1913 году), поэтому основной легирующий элемент нержавеющей стали - это хром (Cr) . При содержании хрома свыше 13% сплавы являются нержавеющими в обычных условиях, в слабоагрессивных средах, в газовых средах при температурах свыше 550 °C. При содержании хрома выше 17% металл устойчив к коррозии и в более агрессивных средах, в частности, в 50% азотной кислоте. Не советуем проверять на своей новой банной печи! В результате введения в сталь необходимого количества хрома, обладающего бо́льшим родством с кислородом, чем железо, в процессе окисления на поверхности образуется тонкая плёнка из плотных оксидов на основе хрома, которая затрудняет процесс дальнейшего окисления.

Жаростойкая сталь Inox

Компания Термофор для производства своих изделий использует жаростойкую высоколегированную нержавеющую сталь Inox с содержанием хрома 13% и температурой начала окалинообразования от 750°C до 900°C, что подтверждается сертификатами заводов-изготовителей.

Применение жаростойкой хромистой стали Inox позволило снизить толщину стенок до 2 мм и снять устаревшее противоречие: чем тоньше стенки печи, тем лучше она греет, но тем быстрее прогорит. Ресурс печи из тонкой жаростойкой стали не меньше, а то и больше, чем ресурс печи из толстой обычной стали. При этом масса печи из жаростойкой стали в 2 раза меньше, а «скорострельность» в 2 раза выше. Стенки печи быстро раскаляются и так же быстро начинают прогревать воздух парилки, камни и смежные помещения бани через открытые двери парилки.

К тому же жаростойкая сталь благодаря образующейся оксидной плёнке не вступает в окислительную реакцию с кислородом воздуха, препятствуя его «выжиганию».

Принцип термической равнопрочности

Сравните: в отличие от хромированной жаростойкой стали с температурой окисления 750°C, температура начала окалинообразования у конструкционной и у большинства легированных сталей не превышает 400°C, что почти в 2 раза ниже температуры горения берёзовых поленьев.

Но так ли всё плохо с конструкционными сталями? Означает ли, что они в два раза быстрее прогорят, если температура окисления у них ниже стали Inox? Нет! Мы нашли решение!

При производстве печей Термофор мы используем принцип термической равнопрочности . Толщину деталей печки, подверженных наибольшей температурной и механической нагрузке, мы увеличили. У печей из хромированной стали Inox - всего в 1,5 раза до толщины 3мм. А у печей из конструкционной стали - в 2 раза, а особонагруженные - в 3 раза!!!

Например, дно каменки печи «Тунгуска 2011 Carbon» выполнено из стали толщиной 6 мм, а нижний сегмент закрытой каменки печи «Ангара 2012 Carbon», выполненный из стали толщиной 4 мм, дополнительно защищён накладкой толщиной 3 мм, что в совокупности даёт толщину 7 мм. Кроме того, подобным образом усилена нижняя часть топливников печей в области колосника. Защищены именно теплонагруженные места, что позволяет увеличить ресурс печи, практически не снижая её теплоэффективность. Благодаря этому печи Термофор из конструкционной стали называют «умными печами».

Конструкционная сталь Carbon

Конструкционная сталь Carbon - это углеродистая качественная конструкционная сталь ГОСТ 1050-88 (carbon structural quality steel). В её эмблеме изображен бриллиант (то есть огранённый алмаз), потому что алмаз - это самая известная и дорогая форма углерода. А именно углерод (он же карбон, он же Carbon), как Вы помните, придаёт сплавам железа прочность и твёрдость. В маркировке стали Carbon слово Сталь означает, что данная сталь относится к группе качественных сталей (всего 4 группы: Ст, Стали, средне- и высококачественные стали), а цифра 10 в начале номера ГОСТа означает содержание углерода 0,1%.

Но самое главное достоинство печей из конструкционной стали Carbon в их цене. Так как конструкционная сталь Carbon дешевле хромистой стали Inox, а сталь - один из главных составляющих ценообразования печи, получается, что приобретая такую печь можно сэкономить до 5000 руб. по сравнению с аналогичными печами из хромистой высоколегированной стали Inox. Именно поэтому банные печи из конструкционной стали Carbon относятся к специальной «антикризисной» серии - самые популярные модели банных печей Термофор по более доступным ценам.

Гарантия на печи из стали Inox и Carbon

Термофор стал первым производителем печей в России, предоставившим гарантию на банные печи из жаростойкой стали Inox - 3 года . На печи из конструкционной стали Carbon действует стандартная гарантия - 1 год .

Гарантия распространяется не только на целостность металла, но и сварных швов топки, а ведь именно швы являются «больным местом» многих производителей. Естественно, гарантия действует при соблюдении правил эксплуатации, изложенных в инструкции к каждой банной и отопительной печи Термофор.

Подведём итоги

Для полноценных банных процедур «Термофор» рекомендует использовать модификации Inox - из жаростойкой хромистой стали, которая способна быстро прогревать парную до высоких температур и выдерживать существенную термическую нагрузку, что обеспечит Вам долгую и безупречную службу печи. Печи из конструкционной стали Carbon дешевле аналогов из жаростойкой стали Inox, но уступают им в надежности и долговечности. Так что такая экономия имеет смысл при условии весьма бережной эксплуатации.

Вряд ли найдутся люди, сомневающиеся в том, что нет ничего прочнее, чем металл, особенно, если он относится к нержавеющей группе. Но такое утверждение – весьма обобщенное потому, что нержавеющий металлопрокат может иметь разные формы, толщину стенок и др. Нержавеющую трубу 6х1, 10х0,5 можно перегнуть руками без особенных усилий. В целом же, нержавейка наделена массой достоинств. Даже название указывает на то, что такой не ржавеет и не поддается разрушению, он долговечный и эстетичный. Наличие в нем определенного количества хрома, никеля, других элементов делает металл устойчивым в условиях морской воды, кислоты, нефти, хлористой среды.

Группировка

Промышленность предлагает нержавеющую сталь, марки которой относятся к следующим группам:

• аустенитной (хрома 15-26% ; 5-25% никеля, молибдена 2-6%);
• ферритной (углерода 0,2%; хрома 12-27%);
• дуплексной(смешанной ферритно-аустенитной структуры с включением 18% — 28% хрома и 4,5% — 8% никеля) ;
• мартенситной (хрома 10-13%; углерода 0,2-1,0%).

Самыми популярными считаются ферритные (AISI 430; AISI 201) и аустенитные (AISI 304, AISI 321, AISI316, AISI 316T) группы. Они не берутся на магнит и имеют широкий ареал применения. Нержавеющая сталь мартенситной группы обладает определенными полезными свойствами, но берется на магнит. Ее чаще всего используют в промышленности, исключив применение в сфере, связанной с продуктами, напитками.

Нержавеющая сталь марок 12 Х18Н10Т и 08Х18Н10Т

В России все чаще марки нержавеющей стали называют европейскими названиями AISI с трехзначными цифрами. Но наряду с таким наименованием еще применяют советский ГОСТ, где указано процентное содержание углерода, хрома, никеля и др. Нержавейка 08х18н10т состоит из хромо-никелевого сплава с составом:

• углерода(С)-0,8%;
• хрома (Х)- 18%;
• никеля (Н)-10%;
• титана(Т)-1%.

Нержавейка 12Х18Н10Т идентична стали 08х18н10т и состоит из:

• углерода(С)-12%;
• хрома-(Х) 18%;
• никеля(Н)-10%;
• титана(Т)-1%.

Марки 12 Х18Н10Т; 08Х18Н10Т – самые популярные, они соответствуют европейскому названию AISI 321,AISI 304. Такая нержавейка относится к аустенитной группе и обладает свойствами:

• устойчивости;
• прочности;
• долговечности;
• эстетичности.

Такую нержавейку еще называют пищевой и широко применяют в медицине, пищевой и спиртовой промышленностях. Многие детали станкостроения, машиностроения также изготавливают из стали 12Х18Н10Т; 08Х18Н10Т, ввиду конструкторских требований. Не отказываются от пищевой нержавейки при нефтедобыче и переработке. Нержавейку этого класса можно легко обрабатывать, сваривать, полировать. Режут нержавеющую стать на специальных пилах или плазмой.

Жаропрочная нержавеющая сталь

Многие потребители думают, что если их изделие состоит из нержавейки, то оно не боится ничего. Это отчасти, правда, но не в полной мере. Применение на термичке, в горячих цехах обычной нержавейки приведет к ее разрушению. В условиях особенно повышенных температур применяют специальную жаропрочную нержавейку, которая наделена устойчивостью к температурам свыше 1000 градусов. Такие сплавы должны содержать не меньше, чем 17% хрома и определенное количество никеля, других составных компонентов. К жаропрочной относят нержавеющую сталь марки 20Х23Н18 (AISI 310), 10Х23Н18 (AISI 310S), 20Х20Н14C2 (AISI 309), 20Х25Н20С2 (AISI 314) , 95Х18 и др. Ее применяют в камерах сгорания, подвесках, хомутах, деталях крепления для котлов, корзин для термических печей др.

Ассортимент

Ассортимент выпускаемого нержавеющего проката чрезвычайно широк. Его можно приравнять к черному прокату за исключением балок, полос, швеллеров, труб с большим диаметром.
Пользуются популярностью нержавеющие:

• тонкие листы;
• круги;
• квадраты, шестигранники, уголки.

Жаропрочностьюназывается способность материала длительно сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах.

При длительном нагружении при высоких температурах поведение материала определяется диффузионными процессами. Для этих условий характерны процессы ползучести и релаксации напряжений.

Ползучесть представляет собой медленное нарастание пластической деформации под действием напряжений, меньших предела текучести. Ползучесть приводит к релаксации (постепенному уменьшению) напряжений в предварительно нагруженных деталях.

Критериями жаропрочности являются предел ползучести и предел длительной прочности.

Пределом ползучести называется напряжение, под действием которого материал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре. В обозначении предела ползучести указывают температуру, величину деформации и время, за которое она возникает. Например, МПа означает, что под действием напряжения 100 МПа за 100 000 ч при температуре 550 °С в материале появится пластическая деформация 1 %.

Пределом длительной прочности называют напряжение, которое вызывает разрушение материала при заданной температуре за определенное время. В обозначении предела длительной прочности указывают температуру и время разрушения. Например, =130 МПа означает, что при температуре 600 °С материал выдержит действие напряжения 130 МПа в течение 10000 часов. Предел длительной прочности всегда меньше предела прочности, определяемого при кратковременных испытаниях при той же температуре.

Основной путь повышения жаропрочности – создание в материалах крупнозернистой структуры с однородным распределением мелких частиц упрочняющих фаз внутри зерен и на их границах. Для получения оптимальной структуры в жаропрочных сталях используют комплексное легирование, и по химическому составу эти материалы сложнее обычных легированных сталей и сплавов.

Упрочняющими фазами в жаропрочных сталях служат карбиды. Эффективность упрочнения определяется свойствами частиц и их распределением. Чем они мельче и чем ближе находятся друг от друга, тем выше жаропрочность.

Для упрочнения границ в жаропрочные стали и сплавы вводят малые добавки (0,1…0,01 %) легирующих элементов, которые концентрируются по границам зерен. Особенно часто в этих целях используют бор, церий и другие редкоземельные металлы.

Дополнительными мерами повышения жаропрочности служат:

1) термомеханическая обработка для получения структуры полигонизации;

2) увеличение прочности межатомных связей в сталях, когда благодаря легированию ОЦК решетка заменяется ГЦК решеткой;

3) создание анизотропной структуры направленной кристаллизацией.

Ниже 450 °С вполне пригодны обычные конструкционные стали и нет необходимости заменять их жаропрочными сталями.

При температурах 450…700 °С используются перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали с жаропрочными свойствами =80…120МПа и =30…90 МПа.

К перлитным жаропрочным сталям относятся такие стали, как 12ХМФ и 25Х2М1Ф с максимальной рабочей температурой 580 °С, легированные карбидообразующими химическими элементами, такими как хром, молибден и ванадий. Эти стали используются главным образом в котлостроении.

Мартенситные стали предназначены для изделий, работающих при температурах до 600 °С, и от перлитных сталей отличаются повышенной стойкостью к окислению в атмосфере пара или топочных газов.

К мартенситным жаропрочным сталям относятся такие стали, как 15Х5М, 15Х11МФ, 11Х11Н2В2МФ и 40Х10С2М (сильхром), с повышенным содержанием хрома. Сильхромы характеризуются повышенной жаростойкостью в среде горячих выхлопных газов и используются для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания.

Аустенитные жаропрочные стали по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали и используются при температурах от 600 до700 °С. Основными легирующими элементами являются хром и никель, для образования карбидов вводят Mo, Nb, Ti, Al, W и др. Примеры аустенитных жаропрочных сталей: 12Х18Н10Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н20Т3Р.

Контрольные вопросы

1. Какие марки жаропрочных сталей Вы знаете?

2. Какие марки жаростойких сталей Вы знаете?

3. Как можно повысить жаропрочность сталей?

4. Какие детали следует изготавливать из жаропрочных сталей?

5. Какие марки жаростойких и жаропрочных сталей относятся к аустенитному классу?

6. Какие марки жаростойких и жаропрочных сталей относятся к мартенситному и мартенситно-ферритному классу?

7. Какие марки жаростойких и жаропрочных сталей обладают интерметаллидным упрочнением?

8. Как расшифровать марку жаростойкого сплава ХН60Ю3?

9. Что означает МПа?

10. Из какого материала изготавливают клапаны двигателей внутреннего сгорания?

11. В каком случае следует заменить конструкционные стали на жаропрочные?

12. В чем заключается критерий жаропрочности?

13. Какие основные легирующие элементы повышают жаропрочность в жаропрочных сталях?

14. Какие марки сталей применяются для работы при температурах 550…800 °С?

15. Из какой стали изготавливают нагревательные котлы?

16. Как расшифровывается марка стали 45Х14Н14В2М?