Все о жаропрочных и жаростойких сталях

Видов стали больше, чем может это показаться неспециалисту. Они делятся на категории и виды, и каждый вид может иметь еще и внутреннюю классификацию. Так, о жаростойких и жаропрочных сталях можно говорить долго, потому что только видов и марок этих металлов десятки. К слову, жаростойкость и жаропрочность совсем не одно и то же.

Стоит пробежаться по понятиям. Жаростойкостью называют устойчивость металлов и сплавов к газовой коррозии при повышенных температурных значениях. Другое название этого термина – окалиностойкость. Жаропрочностью же называется устойчивость металлов и сплавов к деформации пластического типа в условиях механических нагрузок и повышенной температуры. Требования к таким материалам прописаны в ГОСТ 5632-2014.

Базовые характеристики жаропрочности – ползучесть и длительная прочность. В первом случае речь идет о непрерывной деформации под постоянным напряжением. Ее характеристикой будет предел ползучести, которому свойственно условное растягивающее напряжение. При нем скорость и деформация ползучести достигнут заданной величины за определенное время. Если допуск дан именно по скорости, предел ползучести обозначится сигмой. Если задано удлинение, то в обозначении появятся три индекса – один про испытательную температуру, два других про деформацию и время.

Другая характеристика жаропрочности – длительная прочность. Она характеризует сопротивление стали разрушению при долгом температурном воздействии. Под длительной прочностью понимают условное напряжение, под его действием сталь разрушится через какой-то временной промежуток. Теперь о жаростойкости. Уже говорилось, что жаростойкая сталь может выстоять против коррозионных деформаций поверхности в газовой среде. При этом температура должна быть выше 550 градусов. Сталь, как предполагается, работает в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. Жаростойкость стали, если говорить иначе, это и сопротивление окислению.

Чтобы усилить этот показатель металла, его легируют. То есть включают в него специально подобранные добавки, которые изменяют состав и строение окалины. Например, в состав вводят хром или кремний, они лучше связываются с кислородом, чем железо. А потому в процессе окисления на поверхности появятся плотные оксиды на кремнии или на хроме. И тонкая образовавшаяся пленка не даст процессу окисления продлиться.

А вот определить химический состав жаростойких материалов – задача, потому что в учет пойдут не только легирующие добавки, но и различные примеси, и то, что может образовываться в результате реакций в процессе плавления. На показатели жаропрочности наиболее влияют титан и ниобий – они препятствуют интеркристаллической коррозии, хром – если его 13% и более, коррозия сплаву не страшна, а также закалка. Последняя может проводиться на воздухе или в воде: это усилит прочность нержавеющей стали и ее же ударное сопротивление.

Их много, нужно остановиться на самых больших группах.

К этому классу относят металлы, в которых высок процент хрома и никеля. Чтобы получить стабильный аустенит, нужно легировать сталь никелем, а вот на жаростойкость повлияет хромовая добавка. Все аустенитные сплавы являются высоколегированными: ниобий и титан в составе стали противостоят коррозии, что помогает связать их с группой стабилизированных. Но жаропрочные стали с коррозионной стойкостью при этом будут считаться труднообрабатываемыми металлами.

Когда температура растет до 1000 градусов и поддерживается при этом долго, аустенитная нержавейка остается стойкой, ей не грозит образование слоя окалины. На производстве чаще можно встретить сплавы аустенитного типа, которые относят к подклассу дисперсионно-твердеющих. А чтобы повысить качество такой стали, туда добавляют карбидные или интерметаллические упрочнители. По структуре жаропрочные аустенитные стали бывают:

• гомогенными – в таком материале мало углерода, много легирующих составляющих, что обеспечивают отличную стойкость к ползучести;
• гетерогенными – в этом материале, уже претерпевшем термоупрочнение, получатся фазы карбонитридные и интерметаллидные.

Это те материалы, в которых присутствует смесь ферритных и аустенитных фаз. Их отличает особая жаропрочность. По некоторым своим параметрам они выигрывают у железосодержащих высокохромистых материалов. Дело в стабильной матричной структуре, что дает возможность применять материал при термопоказателях в 1150 градусов.

Эти материалы считаются низколегированными. В качестве присадок в этих сталях используют молибден и хром, и температурное окно работы их – 450-550 градусов. А также в составе этих сталей могут быть ванадий, молибден, тогда материалы смогут работать в интервале 550-600 градусов. Для чего происходит легирование хромом: жаростойкость материала только растет, сопротивление процессам окисления тоже. А если в сплав добавили молибден, растут и его прочностные характеристики. Объединенный же с углеродом ванадий также повышает характеристики прочности с учетом того, что делают это высокодисперсные карбиды.

По технологии нормализации сплавов оптимизируются их свойства. А технология закаливания, а потом и термоотпуска только добавляет прогресса в оптимизации свойств. В итоге – структурная матрица с дисперсной ферритно-карбидной фактурой. Из перлитной стали производят шестерни, цилиндры, крестовинные втулки (марка 20ХМЛ, например). А также делают пароперегревательные трубы и коллекторы высокого давления (12Х1МФ).

Закаливание, как известно, это метод, при котором один вид стали становится другим. И закаливание предваряет отпуск. В итоге получается трансформация кристаллической решетки, а также рост твердости. Но материал при всем этом становится более хрупким. Отжиг предполагает температуру в 1200 градусов, которая будет поддерживаться несколько часов. Потом материал обязательно остывает, что также займет не один час. Все это нужно, чтобы листы стали гибче, пусть и твердостью в некоторой мере придется пожертвовать.

При использовании метода двойной закалки нужно быть готовыми к двухэтапному процессу. Сначала нормализуется твердый раствор материала, нагреется до 1200 градусов, потом этап повторится, но уже на 1000 градусах. При помощи этой технологии пластичность металла обязательно возрастет, а следовательно, и его жаропрочность повысится. Из мартенситных материалов делают трубы, например, из Х5. Делают также клапаны двигателей авиасистем, клапаны дизельного транспорта. А из марки 1Х8ВФ – паровые турбины.

В материалах, которые отличает ферритная структура, хрома содержится не менее 25%. Но и не более 33%. Получить такой материал можно путем отжига и термической обработки, что приводит к образованию в нем мелкозернистой структуры. И когда температура растет до 850 градусов, растет и хрупкость – об этом следует помнить.

Активно используются стали этой группы в машиностроении. А, к примеру, марка ОХ17Т годится для создания изделий, которые смогут работать в окислительной среде (это теплообменники или те же трубы). Производят из ферритных сталей трубы, становящиеся частью пиролизных установок.

В таком типе стали будет присутствовать до 14% хрома. Легироваться она может ванадием и молибденом. Например, маркировка Х6СЮ – отличный вариант для производства котельных установок, для тех же трубопроводов. Делают из мартенситно-ферритной стали лопатки и крепеж турбин. И это может быть ориентировано на выпуск деталей и систем, которые подвергаются длительным нагрузкам при температуре до 580 градусов.

А также стоит выделить металлы, отличие которых – тугоплавкость. Именно из них часто делают изделия, которые будут работать в температурном режиме от 1000 до 2000 градусов. Такие стали имеют высокие термопоказатели перехода в хрупкое состояние, и при большом перегреве они деформируются.

Чтобы повысить жаропрочность этих материалов, в них вводятся добавки. В основе может быть вольфрам или ванадий, железо. А, к примеру, релаксационностойкая жаропрочная сталь 35ХМ подходит для изготовления шпилек, шпинделей, шестерен, фланцев, покрышек и так далее.

Сфера применения описанных выше сплавов, действительно, велика. Так как по факту своего создания они должны использоваться в высокотемпературных средах, а также агрессивных средах, их активно применяют для создания деталей корпуса, которые будут регулярно нагреваться. А также из них создают конструкционные детали для двигателей внутреннего сгорания. Из них же активно изготавливают детали и элементы, которые могут взаимодействовать с агрессивными средами – химикатами и жидкостями.

Конкретные примеры использования жаропрочных сталей.

• Роторы турбин могут взаимодействовать с высокотермическими источниками, а потому их нередко изготавливают из такой марки как ХН35ВТ.
• Газовые конструкции также требуют специальных металлов, ведь сгорание газа может привести к нагреву рабочей среды до высоких значений. Один из примеров видов подходящей стали – ХН35ВМТЮ.
• В сложных условиях вынуждены работать и турбины, а потому их могут изготавливать из легированного сплава с хромом в основе – ХН35ВТР. Материал хорошо выдерживает постоянную нагрузку, вибрацию, действие жара без деформации линейных размеров.
• Компрессоры, которым приходится также работать с нагреваемой средой, в структуре своей имеют лопатки и диски. Чтобы производительность такой системы была выше, изготавливая их, используют листовой материал с небольшой толщиной. Это снизит устойчивость к влиянию рабочих сред. Часто в такой ситуации используют сплав ХН35ВТЮ.

Применяют такие стали и в ракетно-космической отрасли, и в энергетических установках, в оборудовании нефтехимической сферы. Делают из них узлы деталей печей, банные котлы и даже мангалы. Для пищевой индустрии нержавеющие стали – прекрасный вариант. Главное, что они соответствуют и санитарно-гигиеническим требованиям. Их шлифуют, полируют, и получают поверхность, где не заметить ни пор, ни трещин. То есть в такую посуду или утварь не могут проникнуть патогенные организмы, что соответствует стандартным требованиям, предъявляемым пищевому оборудованию. Наконец, такая продукция из нержавейки еще и выглядит очень эстетично, чему помогают, конечно, сатинирование и электрополировка.

Сварочные работы с такими материалами производить априори нелегко. Для жаропрочных сталей характерно разрушение холодного шва. Потому сварка может осуществляться со своими особенностями: сначала идет нагрев поверхности (общий или локальный), чтобы та стала пластичной. Эта же манипуляция нужна для того, чтобы уменьшить разницу между периферийной температурой и показателями в точке сварки. Так делают, чтобы снизить напряжение. После окончания сварки может проводиться отпуск готовой детали в течение нескольких часов, с выдерживанием температуры в 2000 градусов.

Отпуск помогает удалить основную часть растворенного водорода, при этом находящийся в остатке аустенит трансформируется в мартенсит. Электроды могут потребоваться разные, часто – вольфрамовые. Жаропрочных и жаростойких сталей сегодня десятки видов, и каждый – со своими характеристиками. Путем сплавов разных элементов можно добиться нужных показателей жаропрочности, и это наиболее верный путь к расширению возможностей производства самых разных сфер. Но процесс легирования металлов сам по себе повышает затратность производства, отсюда и дороговизна материала. И тем не менее эти стали перспективны, и рассматриваются в промышленности все внимательнее.