О чем речь? Жаропрочные сплавы представляют собой сложнолегированные композиции на основе железа, никеля или кобальта, в состав которых вводятся тугоплавкие элементы (хром, вольфрам, молибден) и специальные добавки для формирования упрочняющих фаз.
Что учесть? Их стойкость – не одно свойство, а результат сложного синергетического эффекта от целого ряда факторов. Постоянные исследования в этой области направлены на поиск новых решений, позволяющих отодвинуть температурный барьер их применения еще выше.
Вопросы, рассмотренные в материале:
- Особенности жаростойких и жаропрочных сплавов
- Свойства жаростойких и жаропрочных сплавов
- Классификация жаропрочных и жаростойких сплавов и марки
- Часто задаваемые вопросы о жаропрочных сплавах
Особенности жаростойких и жаропрочных сплавов
Согласно определению жаропрочных стали и сплавов по ГОСТ, эти материалы, обладающие достаточной коррозионной стойкостью в газовых средах, предназначены для эксплуатации при высокой температуре в течение определенного времени и в условиях сложного напряженного состояния.
Изделия из жаростойких сплавов используются в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при повышенной температуре (свыше +550 °C). Для них также характерна коррозионная стойкость в газовых средах.
Спрос на жаростойкие и жаропрочные сплавы повысился в конце 30-х годов XX века. Необходимость в материалах, способных выдерживать экстремальные механические нагрузки при максимально высокой температуре, появилась в связи с развитием реактивной авиации и созданием газотурбинных двигателей. Уникальные свойства таких металлов нашли применение в различных областях народного хозяйства.
Основным компонентом жаростойких и жаропрочных стали и сплавов может быть железо, никель, титан, кобальт, медь, алюминий. В различных отраслях широко применяются никелевые сплавы: литейные, деформируемые и порошковые.
Самые распространенные жаропрочные материалы – литейные сложнолегированные соединения на никелевой основе. Они способны выполнять свои функции при температуре до +1050…+1100 °C на протяжении сотен и тысяч часов, выдерживая высокие статические и динамические нагрузки.
Свойства жаростойких и жаропрочных сплавов
Практическая ценность жаропрочных сплавов обусловлена их способностью выдерживать механические нагрузки при воздействии высокой температуры. Важно, чтобы жаропрочные материалы могли выдерживать различные типы нагружения: статические растягивающие, изгибающие или скручивающие, термические (вследствие колебания температуры), динамические переменные (могут варьироваться в зависимости от частоты и амплитуды). Кроме того, поверхности подвергаются динамическому воздействию скоростных газовых потоков.
Именно поэтому коррозионная стойкость в газовых средах при высокой температуре является определяющим свойством жаростойких стали и сплавов.
Читайте также: Вторичные металлы: понятие, виды, особенности переработки
Однако при производстве готовой продукции практическую значимость имеют и другие технологические характеристики. При создании деформируемых соединений требуется обеспечить достаточную пластичность в условиях обработки давлением, включая температуру в диапазоне +700…+800 °С. А литейные жаропрочные сплавы должны обладать такими важными свойствами, как пористость и жидкотекучесть.
Классификация жаропрочных и жаростойких сплавов и марки
Жаропрочные и жаростойкие материалы классифицируются по структурным критериям. От класса стали зависят ее свойства, поэтому следует рассмотреть каждую группу в отдельности:
Аустенитный класс
Внутренняя структура нержавеющей и жаропрочной стали и сплава формируется за счет высокого содержания хрома (Cr) и никеля (Ni).
Фото: designwizard2002 / freepik.com
Для получения стабильного аустенита, представляющего собой гранецентрированную кристаллическую решетку железа, требуется легирование стали никелем. Аустенитные сплавы являются высоколегированными. Процесс обогащения сплава такими элементами, как ниобий (Nb) и титан (Ti), способствует увеличению коррозионной стойкости. В связи с этой особенностью данные материалы входят в группу стабилизированных.
При длительном воздействии температуры, повышенной до значений около +1000 °C, аустенитная нержавеющая сталь демонстрирует стойкость к образованию окалины, сохраняя при этом свои жаростойкие качества и способность выдерживать обработку. К элементам, образующим карбиды, относятся: ванадий (V), вольфрам (W), молибден (Mo), ниобий (Nb). А для создания интерметаллических соединений используются дополнительные добавки: хром (Cr), никель (Ni), титан (Ti).
Жаропрочные аустенитные типы стали следует различать по двум типам структуры:
- Гомогенная. Не выполняется термическая обработка материала для повышения его прочности. В сплаве содержится минимальное количество углерода и большой процент легирующих элементов, что обеспечивает необходимую стойкость к ползучести. Такие типы стали применяются в температурных условиях до +500 °С.
- Гетерогенная. Материал проходит процесс термоупрочнения, в результате чего формируются карбонитридные и интерметаллидные фазы. Такая сталь обладает неоднородной структурой и выдерживает эксплуатационные температурные нагрузки до +700 °С.
Сталь с легирующими добавками никеля и кобальта может эксплуатироваться при температуре до +900 °С, сохраняя стабильность своей структуры на протяжении длительного времени.
Нихромы – жаропрочные сплавы никеля и хрома, которые обладают повышенной жаропрочностью и жаростойкостью, если доля никеля (Ni) составляет более 55 %.
Высокую устойчивость сплавов при значении температуры, близкой к +1500 °C, обеспечивают такие тугоплавкие металлы, как вольфрам (W), ниобий (Nb), ванадий (V).
Эксплуатационные свойства молибденовых сплавов с дополнительной защитой не изменяются на протяжении длительного времени в термическом режиме до +1700 °C.
Марка 4Х14Н14В2М – производство продукции, пригодной к длительному сроку эксплуатации при температуре +650 °C: арматуры, крепежа и поковок
Марка Х25Н16Г7АР – изготовление заготовок, полуфабрикатов, изделий, работающих при температуре до +950 °C и умеренных нагрузках: электроды, различные детали, а также проволока и металлические листы.
Марка Х18Н12Т – детали и элементы конструкций, выполненные из этой жаропрочной стали, эксплуатируются при температурном режиме до +600 °C в агрессивных средах
Аустенитно-ферритный класс
Основу структуры аустенитно-ферритных сплавов составляют две фазы: аустенит и феррит. Это особо стабильная матричная структура, позволяющая применять сталь при температурных режимах до +1150 °C. Благодаря довольно высокой жаропрочности по своим свойствам такие соединения превосходят даже высокохромистые железосодержащие материалы.
Марка Х23Н13 используется для производства пирометрических трубок.
Жаропрочные сталь и сплавы марки Х20Н14С2 и 0Х20Н14С2 предназначены для изготовления печных конвейеров, жаропрочных труб, емкостей для цементации
Перлитный класс
Такая сталь относится к категории низколегированной. Перлитные жаропрочные сплавы, в состав которых входят такие присадки, как хром (Cr) и молибден (Mo), эксплуатируются при температуре +450…+550 °C, а добавление к этим компонентам ванадия (V) позволяет материалу сохранять свои свойства при нагреве до +550…+600 °C.
Легирование хромом (Cr) способствует повышению жаростойкости стали, а также улучшает устойчивость материала к окислению. Молибден (Mo), введенный в состав сплава, усиливает показатели прочности в условиях высокой температуры.
При взаимодействии ванадия (V) с углеродом формируются карбиды с высокодисперсными свойствами, что приводит к повышению прочности стальных материалов.
Технология термической обработки стали (закаливание, отпуск, нормализация) способствует формированию структурной матрицы с дисперсной ферритокарбидной фактурой, тем самым обеспечивая улучшение механических свойств металла.
Из сплава 20ХМЛ производят шестерни, цилиндры, втулки крестовины, а также другие узлы и детали, предназначенные для функционирования при температуре +500 °C.
Марка 12Х1МФ ориентирована на изготовление труб пароперегревателей, трубопроводов, коллекторов высокого давления.
Сплав 15Х1М1Ф используется для создания установок высокого давления, работающих при температуре до +585 °C
Ферритный класс
В таких сплавах содержание хрома (Cr) составляет от 25 до 33 %. Процессы отжига и термообработки при производстве стали способствуют образованию мелкозернистой ферритной структуры. При нагреве до +850 °C наблюдается увеличение хрупкости материала.
Эти жаропрочные сплавы находят применение в прокате, а также при изготовлении различных деталей для машиностроения.
Соединение 0Х17Т востребовано в производстве металлопроката и изделий, предназначенных для эксплуатации в окислительных средах, например, труб и теплообменников.
Марка Х18СЮ подходит для изготовления труб пиролизных установок и другого оборудования.
Сплав Х25Т ориентирован на создание сварных конструкций, функционирующих при температуре до +1100 °C. Кроме того, из этой стали делают трубы для перекачивания агрессивных сред и теплообменники
Мартенситный класс
Сталь подвергается процессу мартенситного превращения – полиморфизма, для которого характерно изменение взаимного расположения атомов или молекул в кристаллической решетке.
Мартенситное превращение можно рассматривать как деформацию кристаллической структуры жаропрочного сплава, что позволяет изменить физические и механические свойства металла. В результате происходит перестройка кристаллической решетки и увеличение показателей твердости, однако при этом наблюдается рост хрупкости.
Отжиг выполняется на протяжении нескольких часов при температуре +1200 °C. По окончании этого процесса материалу предоставляется достаточно времени на постепенное остывание. Термическая обработка жаропрочных сплавов улучшает свойства металла – повышает гибкость, хотя и за счет снижения твердости.
В некоторых случаях применяется метод двойной закалки, который осуществляется в два этапа: сначала происходит нормализация твердого раствора при температуре до +1200 °C, а затем процедура повторяется, но нагрев снижается до +1000 °C. В результате применения данной технологии отмечается повышение пластичности и жаропрочности материала.
Х5 используется в производстве труб, изделия выдерживают режим эксплуатации до +650 °C.
Марка 40Х10С2М применяется для изготовления двигателей дизельного автотранспорта, клапанов авиадвигателей, а также крепежных элементов, способных сохранять свои функциональные характеристики при температуре до +500 °C.
Жаропрочные сплавы 3Х13Н7С2 и 4Х9С2 не теряют своих свойств при нагреве до +900 °C, что делает их пригодными для производства двигательных клапанов.
Марка 1Х8ВФ ориентирована на эксплуатацию при температуре ниже +500 °C в условиях длительной нагрузки, поэтому из нее делают паровые турбины
Мартенситно-ферритный класс
Сплав содержит от 10 до 14 % хрома (Cr), легируется ванадием (V), вольфрамом (W), молибденом (Mo).
Сплав Х6СЮ нашел применение в производстве труб, а также различных элементов котельных установок и трубопроводов.
Марка 1Х11МФ используется для изготовления лопаток турбин, металлических заготовок (поковок), способных выдержать температурный режим до +560 °C.
Сталь 1Х12ВНМФ используется для изготовления лопаток и крепежных элементов турбин, которые работают в условиях длительных нагрузок при температуре до +580 °C
Жаропрочные сплавы на никелевой основе и железоникелевые
Сталь, содержащая 55 % никеля (Ni), дополнительно легируется хромом (Cr).
Хрома (Cr) в сплаве содержится до 25 %. При повышении температуры для таких материалов характерно образование хромовой оксидной пленки, в то время как соединения с добавлением алюминия (Al) образуют алюминиевый слой, а жаропрочные сплавы с титановыми (Ti) присадками сохраняют прочность и устойчивость даже при очень высокой температуре.
Марка ХН77ТЮ подходит для изготовления дисков, лопаток, колец, лопаток, деталей, способных выдерживать температуру до +750 °C.
Сплав ХН35ВМТЮ широко применяется для создания газовых конструкционных элементов коммуникаций.
Из соединения ХН35ВТР делают конструкции турбинных устройств.
Марки ХН35ВТ и ХН35ВМТ используют в производстве подвижных частей (роторов) турбин, крепежных элементов и пружин, которые эксплуатируются при температуре до +650 °C
Почему следует обращаться именно к нам
Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.
Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:
- цветные металлы;
- чугун;
- нержавеющую сталь.
При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.
Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.
Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.
Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.
Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.
Изображение в шапке статьи: EyeEm / freepik.com
Часто задаваемые вопросы о жаропрочных сплавах
Каковы достоинства и недостатки жаропрочных стали и сплавов?
Достоинства: жаропрочность – не разрушается и не деформируется под воздействием нагрузки и сильного нагрева в течение определенного времени; жаростойкость – не подвергается окислению и коррозии в газовых средах при высокой температуре. Недостатки: высокая стоимость сплавов с содержанием никеля и хрома; трудоемкость производственного процесса в связи со сложным составом сплава, включающем множество компонентов.
Какие жаростойкие сталь и сплавы являются наиболее востребованными на рынке?
На рынке в сегменте сталеварения самыми популярными являются аустенитные коррозионностойкие и жаропрочные сталь и сплавы. При их производстве используются два типа уплотнителей: интерметаллический и карбидный. Вследствие этого металл приобретает уникальные свойства, которые необходимы в современных производственных процессах.
Какой сплав способен выдерживать температуру выше +1000 °C?
Некоторые марки кобальтовых и никелевых сплавов сохраняют свои свойства при нагреве выше +1000 °C. В их число входят: Кобальтовые сплавы серии Haynes, специально разработанные для эксплуатации при температуре до +1100 °C и выше, например, Haynes 282. Монокристаллические жаропрочные сплавы на никелевой основе – высокотехнологичные материалы, предназначенные для использования в современных газовых турбинах. Их уникальная структура позволяет выдерживать нагрев даже выше +1150 °C. Однако максимальная рабочая температура жаропрочного сплава и металла обусловлена различными факторами: нагрузкой, временем эксплуатации, условиями окружающей среды. Существует множество разновидностей коррозионностойких и жаропрочных стали и сплавов. Фактически все легирующие добавки улучшают свойства металлов, повышают прочность и устойчивость даже при очень высокой температуре, тем самым продлевая срок службы изделий, обеспечивая их максимальную безопасность и надежность. Тем не менее процесс производства таких типов стали является довольно трудоемким, что отражается на стоимости материалов. Как правило, цена на жаропрочные изделия оправдана, поскольку входящие в состав компоненты могут придавать сплавам дополнительные качества, например, электропроводность.
