Жаростійкі сталі: склад та марки жароміцних сплавів

Жаростійка сталь, представлена ​​на сучасному ринку великою різноманітністю марок, як і сплави жаростійкої категорії, визнається більшістю фахівців найкращим матеріалом для виготовлення елементів конструкцій та обладнання, які експлуатуються у постійному контакті з агресивними середовищами та в інших складних умовах.

Типові вироби з жароміцної сталі – печі, каміни, котли та металеві димарі.

Жароміцність і жаростійкість металу

Жаростійкість, якою володіють сталі та інші металеві сплави окремої категорії, має ще одну назву – «окалиностійкість». Ця властивість, яким окремі метали наділяють у процесі виробництва, полягає в їхній здатності тривалий час в умовах підвищених температур активно протистояти такому негативному явищу, як газова корозія. На відміну від жаростійких, жароміцні сталі та метали іншого типу мають здатність не руйнуватися і не деформуватися під тривалим впливом високих температур.

Короткий екскурс у форматі відео про особливості жароміцних сталей та їх відмінності від інших сплавів.

Метали, що відрізняються жаростійкістю, застосовують переважно для виготовлення ненавантажених конструкцій, що експлуатуються в умовах постійного впливу на них газового окисного середовища та температури, що не перевищує 550°. До таких конструкцій, зокрема, належать елементи нагрівальних печей.

Сплави, виконані на основі заліза, навіть якщо їх відрізняє жаростійкість, за таких умов експлуатації та при дії температури, що перевищує 550°, починають активно окислюватися, що призводить до появи на поверхні плівки, що складається з оксиду заліза. Хімічна сполука заліза і кисню, що формується на поверхні такого металу – це, по суті, окалина крихкого типу. Її характеризує елементарна кристалічна решітка, що містить недостатню кількість атомів другої речовини.

Властивості оксидів елементів, що збільшують жаростійкість заліза

Щоб поліпшити таку властивість сталі, як жаростійкість, її хімічний склад вводять хром, алюміній і кремній. З'єднуючись з киснем, ці елементи сприяють формуванню в структурі металу щільних і надійних кристалічних структур, що покращує його здатність безболісно переносити вплив підвищених температур.

Кількість та тип легуючих добавок, що вводяться в хімічний склад сплаву, виконаного на основі заліза, залежить від температурних умов експлуатації виробів, які будуть виготовлені з нього.

Найкращу жаростійкість демонструють сталі, легування яких виконано на основі такого металу, як хром. До найбільш відомих марок таких сталей, які називають сильхромами, відносяться:

Хімічний склад жароміцних сталей марок 13Х11Н2В2МФ, 15Х11МФ, 20Х13, 20Х12ВНМФ

Що характерно, жаростійкість сталі підвищується зі збільшенням у її хімічному складі кількості хрому. Використовуючи цей метал як легуючий елемент, можна створювати марки сталей, вироби з яких не втрачатимуть своїх первісних характеристик навіть при тривалому впливі на них температури, що перевищує 1000 градусів.

Особливості матеріалів із жароміцними властивостями

Жароміцні сталі і сплави, як говорилося вище, здатні успішно експлуатуватися за умов постійного впливу високих температур, у своїй не виявляючи схильності до повзучості. Суть цього негативного процесу, якого схильні стали звичайних марок та інші метали, полягає в тому, що матеріал, на який впливають незмінна температура і постійне навантаження, починає повільно деформуватися, або повзти.

Повзучість, якої намагаються уникнути, створюючи жароміцні сталі і метали іншого типу, буває двох видів:

Для визначення повзучості сплавів у дослідницьких центрах використовують комплекс випробувальних машин

Щоб визначити параметри короткочасної повзучості, матеріали піддають спеціальним випробуванням, для чого їх поміщають у піч, нагріту до певної температури, і прикладають до них навантаження, що розтягує. Таке випробування проводиться протягом обмеженого часу.

Перевірити матеріал на його схильність до тривалої повзучості та визначити такий важливий параметр, як межа повзучості, за короткий проміжок часу не вдасться. Для цього випробовуваний виріб, поміщений у піч, необхідно піддавати тривалому навантаженню. Важливість такого показника, як межа повзучості матеріалу, полягає в тому, що він характеризує найбільшу напругу, яка призводить до руйнування розігрітого виробу після дії протягом певного проміжку часу.

Марки жаростійких і жаростійких сталей.

Сталі, що відрізняються жароміцністю та жаростійкістю, за станом внутрішньої структури поділяються на кілька категорій:

• аустенітні;
• мартенситні;
• перлітні;
• мартенситно-феритні.

При цьому сталі, що належать до категорії жаростійких, можуть бути представлені ще двома типами:

Основні властивості деяких жаротривких сталей (натисніть для збільшення)

Якщо розглядати сталі з мартенситною внутрішньою структурою, їх найбільш відомими марками є:

• Х5 (з такої жароміцної сталі виробляють труби, які передбачається експлуатувати при температурах, що не перевищують 650 °);
• Х5М, Х5ВФ, Х6СМ, 1Х8ВФ, 1Х12Н2ВМФ (використовуються для виробництва виробів, що експлуатуються при 500–600° протягом певного періоду часу (1000–10000 годин));
• 3Х13Н7С2 та 4Х9С2 (вироби з даних марок можуть успішно експлуатуватися при 850–950°, тому з таких сталей виробляють клапани двигунів транспортних засобів);
• 1Х8ВФ (вироби із жароміцної сталі цієї марки можуть успішно експлуатуватися при температурах, що не перевищують 500°, протягом 10000 годин і навіть довше; з даного матеріалу, зокрема, виробляють конструктивні елементи парових турбін).

Листова жароміцна сталь використовується там, де потрібна хороша стійкість до високої температури та до агресивного середовища.

Основою мартенситної структури сталі є перліт, який змінює свій стан у тому випадку, якщо у складі матеріалу збільшити кількісний вміст хрому. Перлітними є такі марки жаростійких і жаростійких сталей, що відносяться до хромомолібденових і хромокремнистих: Х6С, Х6СМ, Х7СМ, Х9С2, Х10С2М та Х13Н7С2. Щоб отримати з цих сталей матеріал із внутрішньою структурою сорбіту, який відрізняється високою твердістю (не менше 25 одиниць за шкалою HRC), їх спочатку гартують при 950-1100°, а потім відпускають.

Сталеві сплави з феритною внутрішньою структурою, що відносяться до категорії жаростійких матеріалів, містять у своєму хімічному складі від 25 до 33% хрому, який визначає їх характеристики. Щоб надати таким сталям дрібнозернисту структуру, вироби з них відпалюють. До сталей цієї категорії відносять марки 1Х12СЮ, Х17, 0Х17Т, Х18СЮ, Х25Т та Х28. Слід мати на увазі, що при нагріванні цих сталей до 850° і вище зерно в їх внутрішній структурі починає укрупнюватися, що призводить до збільшення їх крихкості.

Жаростійка нержавіюча сталь застосовується при виробництві тонколистового прокату, безшовних труб та різних агрегатів харчової та хімічної промисловості.

Сталі, основу структури яких становлять мартенсит та ферит, активно застосовуються для виробів різного призначення, що використовуються у машинобудівній галузі. Вироби, для виготовлення яких застосовують такі жароміцні сплави, навіть протягом тривалого часу можуть успішно експлуатуватися при температурі, що знаходиться в межах 600°. Найбільш поширеними марками даних жароміцних сталей є Х6СЮ, 1Х13, 1Х11МФ, 1Х12В2МФ, 1Х12ВНМФ, 2Х12ВМБФР. Такі жароміцні сплави відрізняються тим, що хром у їхньому хімічному складі міститься в межах 10–14%, а легуючими добавками, за допомогою яких покращують їхній хімічний склад, є вольфрам, молібден та ванадій.

Аустенітні та аустенітно-феритні сталеві сплави

Найбільш значущі особливості аустенітних сталей полягають у тому, що їхня внутрішня структура формується за рахунок наявності в їхньому складі нікелю, а така властивість, як жаростійкість, пов'язана з присутністю хрому.У сплавах подібної категорії, що відрізняються незначним вмістом вуглецю у своєму хімічному складі, в деяких випадках можуть бути такі легуючі елементи, як ніобій і титан. Сталі, основу внутрішньої структури яких становить аустеніт, відносяться до категорії нержавіючих, а за тривалого впливу високих температур (до 1000 градусів) успішно протистоять формуванню шару окалини.

Аустенітні сплави марок Х17Н13М2 та Х17Н13М3 оптимально підходять для конструкцій, що працюють під впливом кислот

До найбільш поширених на сьогоднішній день сталей з аустенітною внутрішньою структурою відносяться сплави дисперсійно-твердіючої категорії. Для поліпшення якісних характеристик до їх складу додають інтерметалічні або карбідні зміцнювачі, залежно від чого такі матеріали і відносять до певної категорії.

Найбільш популярними марками жароміцних сталей, основу внутрішньої структури яких становить аустеніт, є:

• дисперсійно-твердіючі Х12Н20Т3Р, 4Х12Н8Г8МФБ, 0Х14Н28В3Т3ЮР, 4Х14Н14В2М (з цих жароміцних сталей, що відносяться до категорії нержавіючих, виготовляють конструктивні елементи турбін та клапани);
• гомогенні 1Х14Н16Б, 1Х14Н18В2Б, Х18Н12Т, Х18Н10Т, Х23Н18, Х25Н20С2, Х25Н16Г7АР (з матеріалів цих марок переважно виробляють арматуру і труби, що експлуатуються під впливом значних навантажень).

Труба жароміцна із сталі марки 20Х23Н18 (вона ж Х23Н18 або ЕІ417) використовується для виготовлення пічного обладнання, поковок та бандажів.

Сталеві сплави, основу внутрішньої структури яких складає суміш аустеніту та фериту, відрізняє виняткова жароміцність, що перевищує за своїми показниками аналогічний параметр навіть високохромистих матеріалів. Такі показники жароміцності досягаються за рахунок високої стабільності внутрішньої структури сталей цієї категорії. Вироби з них можуть успішно експлуатуватися навіть при температурах, що сягають 1150°.

Тим часом для жароміцних сталей з аустенітно-мартенситною внутрішньою структурою характерна підвищена крихкість, тому їх не можна використовувати для виробів, що експлуатуються під високим навантаженням.

З жароміцних сталей цієї категорії виготовляють вироби наступного призначення:

• пірометричні трубки (Х23Н13);
• конвеєри для печей, жароміцні труби, ємності для здійснення процедури цементації (Х20Н14С2 та 0Х20Н14С2).

Стали і метали, що відрізняються тугоплавкістю

Сталеві сплави, основу яких становлять тугоплавкі метали, використовують для виробів, що експлуатуються при 1000–2000°.

Тугоплавкі метали, що входять до хімічного складу таких сталей, характеризуються наступними температурами плавлення (див. таблицю).

Температура плавлення тугоплавких металів

За рахунок того, що тугоплавкі сталі цієї категорії характеризуються високою температурою переходу в крихкий стан, при значному нагріванні деформуються. Щоб підвищити жароміцність таких сталей, у їх хімічний склад водяться спеціальні добавки, а збільшення жаростійкості їх легують такими елементами, як титан, молібден, тантал та інших.

Найбільш поширеними співвідношеннями хімічних елементів у складі тугоплавких сплавів є:

• основа – вольфрам та 30% ренію;
• 60% ванадію та 40% ніобію;
• основа – 48% заліза, 15% ніобію, 5% молібдену та 1% цирконію;
• 10% вольфраму та тантал.

Сплави на основі нікелю та суміші нікелю із залізом

Сплави на нікелевій основі (55% нікелю) або виконані на базі суміші нікелю з залізом (65%) є жароміцними і мають гідні жаростійкі якості. Базовим легуючим елементом для будь-яких сталей цієї категорії є хром, якого може міститися від 14 до 23%.

Якщо говорити про стійкість і міцність, високі показники яких зберігаються при підвищених температурах, то такі якості мають сталеві сплави, виконані на основі нікелю. До найбільш популярних відносяться ХН60В, ХН67ВМТЮ, ХН70, ХН70МВТЮБ, ХН77ТЮ, ХН78Т, ХН78Т, ХН78МТЮ. Частина сталей цих марок є жаростійкими, а інші – жаростійкими. При нагріванні на поверхні виробів зі сплавів даних марок з'являється оксидна плівка на основі хрому та алюмінію, а у твердих розчинах структури таких металів формуються сполуки алюмінію з нікелем або титану з нікелем, що забезпечує стійкість таких матеріалів до впливу високих температур. Докладніше з характеристиками жароміцних сплавів нікелевої групи можна познайомитися, вивчивши спеціальні довідники.

Роторні вали з жароміцного нікелевого сплаву

Сталі нікелевої групи використовують для виготовлення:

• елементів газових конструкцій та комунікацій (ХН35ВМТЮ; прикладом виробів подібного призначення є жароміцна труба);
• конструктивних елементів турбінних пристроїв (ХН35ВТР);
• конструктивних елементів компресорів – лопаток та дисків (ХН35ВТЮ);
• роторів, якими оснащують турбіни (ХН35ВТ та ХН35ВМТ).