Жаропрочные стали: свойства, характеристики, применение

Жаропрочные стали используются при производстве деталей и узлов, подверженных длительному воздействию высокой температуры. Задача таких сплавов – не менять своих характеристик вне зависимости от времени воздействия и типа агрессивной среды.

Хром, никель, магний – основные компоненты, добавляемые при производстве таких сплавов. Существует множество разновидностей жаропрочных и жаростойких сталей, выбор той или иной марки зависит от сферы применения. Подробнее о жаропрочной стали, ее свойствах, характеристиках, вы узнаете из нашего материала.

Свойства жаропрочных сталей

Свойства металлов, позволяющие им не разрушаться под воздействием повышенной температуры, называются окалино- или жаростойкостью. Качество металлов, благодаря которому они противостоят пластической деформации при высокой температуре, называется жаропрочностью.

На рынке представлен широкий ассортимент жаропрочных сталей и их сплавов. Они оптимально подходят для производства деталей конструкций и оборудования, рассчитанных на использование в агрессивной среде и в других сложных условиях.

Для определения характеристик жаропрочной нержавеющей и прочих сталей их испытывают:

• нагревают до определенной температуры в специальных печах;
• подвергают растягивающей нагрузке.

В соответствии с ГОСТом для жаропрочных сталей и сплавов характерны следующие особенности:

1. Высокая жаростойкость, т. е. сохранение эксплуатационных качеств при длительном высокотемпературном воздействии.
2. Устойчивость к механическим воздействиям, при этом металл остается прочным при температуре, при которой у прочих материалов меняются основные характеристики.
3. Устойчивость к воздействию агрессивных сред, в том числе газов, кислот и прочих веществ.
4. Устойчивость к прокаливанию и сварке, что затрудняет сварные работы с деталями и конструкциями из жаропрочных коррозионностойких сталей.
5. Добавление в сплав хрома и другие легирующие вещества для повышения устойчивости к коррозии.

Для изготовления конструкций и изделий, которые в процессе эксплуатации не будут подвергаться высоким нагрузкам, но при этом будут использоваться при высокой температуре (около +550 °С) в окислительной газовой среде, чаще всего используют жаростойкие стали. Из них производят элементы нагревательных печей.

Сплавы на основе железа при нагревании выше +550 °С активно окисляются, их поверхность покрывается оксидной пленкой. Из-за недостатка кислорода при соединении с кристаллической решеткой на изделии образуется окалина хрупкого типа.

Характеристики жаропрочных сталей

Основное значение среди характеристик жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов имеет ползучесть, свойственная как кристаллическим, так и аморфным твердым телам.

Для металлов ползучесть выражается в том, что пластические деформации при неизменной нагрузке происходят медленно и постепенно. При постоянной температуре и напряжении чем ниже скорости деформации и ползучести, тем выше жаропрочность металла.

Ползучесть классифицируют в зависимости от длительности:

• Длительная, при которой нагрузки на сталь в печи воздействуют в течение продолжительного периода времени. Самое высокое напряжение, разрушающее нагретый металл, означает предел ползучести.
• Кратковременная, при которой металл в печи нагревают до определенной температуры и воздействуют на него растяжением в течении небольшого периода времени.

На графиках ползучесть изображают в виде кривой, на которой отмечают ее разные стадии. Согласно ГОСТу для нержавеющих жаропрочных сталей характерно высокое сопротивление ползучести. Пределом прочности называют уровень напряжения, при котором за заданный промежуток времени металл достигает определенной степени деформации.

Жаропрочностью отличаются стали, в составе которых присутствуют Cr и Ni (хромоникелевых сплавов), а также Cr, Ni, Mn (хромоникелевомарганцевых сплавов). Для перечисленных сплавов нехарактерна ползучесть при нагревании.

Сферы применения жаропрочных сталей

Жаропрочные стали и сплавы применяются в различных отраслях производства. Особенно актуально их использование для изготовления конструкций и деталей, эксплуатируемых в высокотемпературных и агрессивных средах. Из них производят:

• детали корпусов, которые в процессе эксплуатации будут подвергаться нагреву;
• элементы двигателей внутреннего сгорания;
• детали и элементы, которые в процессе эксплуатации будут взаимодействовать с агрессивными средами (жидкостями, кислотами, химикатами и т. п.).

Согласно нормативным документам ГОСТа из жаропрочных сталей производят:

• роторные конструкции и валы;
• болты и гайки;
• фланцы и поковки общего и специального назначения;
• высоконагруженные элементы, штуцера;
• прутки и шпильки;
• крепежи и крепежные детали;
• листовые и сортовые заготовки;
• разнопрофильные трубы, которые планируется эксплуатировать при высоком давлении и температуре;
• элементы выхлопных систем;
• теплообменные конструкции;
• дисковые компоненты, предназначенные для высокотемпературного оборудования, компрессоров;
• корпусы камер сгорания и дефлекторы;
• арматурные элементы.

При производстве деталей и конструкций, эксплуатируемых при температуре свыше +400 °С, нельзя использовать обычные металлы, поскольку в процессе нагревания они утратят такие важные характеристики, как прочность и жесткость.

При нагревании у металлов изменяется кристаллическая решетка, выделятся углерод. Отсутствие последнего снижает прочность и твердость материала. Если использовать обычные сплавы для производства элементов паровых двигателей или двигателей внутреннего сгорания, в процессе эксплуатации решетка расширится, линейные размеры деталей изменятся. В случае существенного изменения размеров конструкция выйдет из строя.

Поскольку изготовление жаропрочных сталей сложнее, то и стоимость таких материалов значительно выше. Впрочем, удешевление стоимости изготовления конструкций нецелесообразно, поскольку приведет к их быстрому износу.

В качестве примера использования изделий из жаропрочных легированных сталей можно назвать:

• Турбины – эксплуатируются в сложных условиях. Их изготавливают в основном из легированных сплавов, в составе которых содержится хром ХН35ВТР. Такие материалы устойчивы к постоянной нагрузке, вибрации и воздействию высокой температуры с сохранением линейных размеров и основных эксплуатационных характеристик.
• Газовые конструкции производят из сталей, содержащих ХН35ВМТЮ. При сгорании газа рабочая среда нагревается до высокой температуры.
• Компрессоры с подвижными элементами (дисками и лопатками), эксплуатируемые в высокотемпературной среде, изготавливают из тонколистовых металлов. Поскольку этот материал обладает невысокой устойчивостью к воздействию окружающей среды, то для повышения КПД деталей используют легированные сплавы, в составе которых содержится ХН35ВТЮ.
• Роторы турбин эксплуатируются также в высокотемпературных условиях, поэтому их производят из сплавов, содержащих в составе ХН35ВТ.

Состав жаропрочной стали

Чтобы повысить жаростойкость сталей, их химический состав дополняют:

• хромом;
• кремнием;
• алюминием.

Взаимодействуя с кислородом, эти химические элементы формируют надежные плотные кристаллические решетки металлов, повышая их устойчивость к высокотемпературному воздействию.

Самые распространенные марки жаропрочных сталей сильхромовые:

• 15Х25Т;
• 08Х17Т;
• 36Х18Н25С2;
• Х15Х6СЮ.

Чем выше содержание хрома в составе жаропрочных сталей, тем лучше показатель жаростойкости. Хром присутствует в сплавах, которые сохраняют первоначальные характеристики при нагреве свыше +1 000 °С.

Классы жаропрочной стали

Жаропрочные стали и сплавы можно классифицировать по различным критериям.

Чаще всего используют следующую классификацию жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов:

• Теплоустойчивые – предназначены для длительной эксплуатации под нагрузками при температуре не более +600 °С. Эта разновидность представлена углеродистыми жаропрочными сталями, низколегированными и хромистыми сплавами ферритного класса.
• Жаропрочные стали и сплавы – предназначены для эксплуатации в течение определенного времени под нагрузкой при высокой температуре. Эта разновидность представлена аустенитными жаропрочными сталями, в составе которых присутствуют хромоникелевые или хромоникельмарганцевые сплавы, дополненные различными никелевыми или кобальтовыми легирующими элементами.
• Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие устойчивостью к воздействию химических или газовых сред, – предназначены для эксплуатации без нагрузок или под небольшими нагрузками при температуре более +550 °С. Эта разновидность представлена хромокремнистыми сталями мартенситного класса, хромоникелевыми аустенитными сталями, хромистыми и хромоалюминиевыми сплавами ферритного класса, а также сплавами, содержащими в своем составе хром и никель.

Кроме того, жаропрочные высоколегированные стали можно классифицировать в зависимости от способа изготовления. Они бывают:

• литейными;
• деформируемыми.

Чтобы изготовить жаропрочные стали, необходимо использовать специальное оборудование, позволяющее проводить отпуск при сильном нагревании металлов.

Тугоплавкие и другие виды жаропрочных сталей

Тугоплавкие стали

Из тугоплавких жаропрочных сталей изготавливают детали и конструкции, которые предполагается эксплуатировать при температуре +1 000…+2 000 °C.

Для тугоплавких металлов, лежащих в основе сплавов, характерна высокая температура плавления.

За счет этого при сильном нагревании они деформируются. Чтобы увеличить жаропрочность сталей, их состав дополняют специальными добавками, а жаростойкость повышают за счет легирования титаном, молибденом, танталом и пр.

Чаще всего химические элементы в составе тугоплавких сталей присутствуют в следующем соотношении:

• в основе лежит вольфрам и 30 % рения;
• 60 % ванадия и 40 % ниобия;
• в основе лежит 48 % железа, 15 % ниобия, 5 % молибдена, 1 % циркония;
• 10 % вольфрама и тантала.

Сплавы на основе никеля и никеля с железом

В основе жаропрочных сплавов с высокими показателями жаростойкости лежит никель (55 % Ni) или соединение никеля и железа (65 %). В качестве базового легирующего элемента используют 14–23 % хрома.

Сплавы сохраняют высокую стойкость и прочность при воздействии высокой температуры. Такие характеристики свойственны стальным сплавам на основе никеля.

Самые распространенные маркировки жаропрочных сталей:

• ХН60В;
• ХН67ВМТЮ;
• ХН70МВТЮБ;
• ХН70;
• ХН77ТЮ;
• ХН78Т;
• ХН78МТЮ;
• ХН78Т.

Часть марок относится к жаропрочным сталям, часть – к жаростойким. При нагревании их поверхность покрывается оксидной пленкой, состоящей из алюминия и хрома. Структура сплавов сформирована соединениями никеля и алюминия или никеля и титана, которые обеспечивают их устойчивость к воздействию высокой температуры. Подробнее с характеристиками сплавов можно ознакомиться в специальных справочниках.

Стали никелевой группы используются для производства:

• деталей газовых конструкций и коммуникаций (ХН5ВМТЮ);
• конструктивных частей турбин (ХН5ВТР);
• конструктивных элементов компрессоров – лопаток, дисков (ХН35ВТЮ);
• роторов для оснащения турбин (ХН35ВТ и ХН35ВМТ).

Сегодня производится несколько десятков разновидностей жаропрочных металлов, обладающих различными характеристиками. Зачастую они отличаются устойчивостью к коррозии, поскольку в их составе содержится большой процент хрома. За счет коррозионной устойчивости увеличивается срок эксплуатации деталей и конструкций.

Поскольку легирование и дальнейшая температурная обработка жаропрочных сталей – процесс сложный и трудоемкий, то стоимость изделий из них достаточно высокая. В таких материалах может присутствовать различное число легирующих элементов, придающих им особые характеристики, например, увеличивающих электропроводность.