Рис. 1 Твердотопливный котел из жаропрочной стали
Чем отличаются жаропрочные и жаростойкие стали?
Среди сплавов, стойких к температурному воздействию, выделяют жаропрочные и жаростойкие стали. Оба материала устойчивы к нагреву, однако его продолжительность различается. Жаропрочные марки стали сохраняют свойства при длительном воздействии высоких температур, сплавы жаростойкого типа выдерживают только непродолжительный нагрев.
В случае превышения предельной температуры происходит деформация. Изделие изменяет геометрию в соответствии с направленностью нагрузок, теряет прочностные свойства.
Рис. 2 График деформации при повышении температур
Замедлить процесс позволяют окислы элементов, введенных в состав стали. Они способствуют увеличению жаропрочности, помогают сохранить структуру при интенсивном нагреве.
Таблица 1. Свойства оксидов, увеличивающих жаропрочность
Легирование стали с целью повышения жаропрочности
Для создания жаропрочных нержавеющих сталей нередко используется хром, кремний и алюминий. Окисляясь, материалы формируют жесткие кристаллические структуры. Они повышают прочностные характеристики сплава, увеличивают стойкость к температурному воздействию и коррозионному поражению.
Производители изготавливают жаропрочные стали по ГОСТ 5632-2014. Наибольшее распространение получили следующие марки.
- 3Х11Н2В2МФ;
- 15Х11МФ;
- 20Х13;
- 20Х12ВНМФ.
Продукция применяется в промышленности, востребована при изготовлении котельного оборудования и смежных компонентов. Также широкое распространение получили жаропрочные стали и сплавы 0Х17Т, 15Х25Т, 15Х6СЮ и 36Х18Н25С2.
Таблица 2. Состав популярных жаропрочных сталей по ГОСТ 5632-2014
Понятие ползучести
Стали коррозионностойкие жаропрочные и жаростойкие подвержены такому явлению как ползучесть. Оно предполагает незначительную деформацию материала на протяжении определенного периода времени. Выделяют длительную и кратковременную ползучесть.
Рис. 2 Кривая ползучести
Марки жаропрочных и жаростойких сталей
Жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы имеют различную структуру. Она оказывает влияние на свойства материала, параметры его эксплуатации и обработки.
|
Структура |
Изображение |
|
Аустенит |
|
|
Мартенсит |
|
|
Перлит |
|
|
Феррит |
|
Внушительную популярность обрели коррозионностойкие жаропрочные стали с мартенситной структурой.
- Х5. Практичный материал для производства труб и фитингов, работающих при температуре до +650 градусов.
- Х5М, Х6СМ и аналоги. Сплавы для производства конструкций, испытывающих длительное температурное воздействие: от 1 000 до 10 000 часов.
- 4Х9С2. Жаропрочная легированная сталь, выдерживающая нагрев до 900 градусов. Отличный вариант для элементов ДВС, в частности клапанов.
- 1Х8ВФ. Жаропрочная сталь с температурой эксплуатации до 500 градусов. Продолжительность воздействия – до 10 000 часов. Материал используется при изготовлении компонентов, подвергающихся длительному нагреву.
Продукция поставляется в виде листов, труб, кругов и прочего проката, имеет характерную матовую поверхность.
Рис. 3 Листы жаропрочной стали
Добавление хрома позволяет получить коррозионностойкие и жаропрочные стали и сплавы. Количество материала оказывает прямое воздействие на характеристики продукта. В таблице приведены марки стали, различающиеся по содержанию хрома, представлена температура нагрева, предел ползучести и прочие показатели.
Таблица 3. Свойства жаропрочных сталей с различным содержанием хрома
Жаропрочные стали и сплавы по ГОСТ, имеющие хромомолибденовый и хромокремниевый состав, нередко относятся к перлитным. Примерами таких материалов являются Х6С, Х6СМ, Х7СМ и т.д. Продукция обладает прочностью до 25 единиц по шкале HRC, подвергается закалке при температуре 950 – 1 100 градусов.
Большинство ферритных сталей содержит от 25 до 33% хрома. К данной категории относится Х25Т, Х28, Х17 и т.д. Отличительное свойство жаропрочных сталей данного сегмента – укрупнение зерна при продолжительном нагреве свыше 850 градусов. В результате увеличивается хрупкость материала и риск его механического повреждения.
Рис. 4 Трещины на поверхности проката из жаропрочной стали
Продукция мартенситного класса маркируется Х6СЮ, 1Х13, 1Х11МФ и т.д. Она выдерживает прогрев до 550 – 600 градусов, содержит до 14% хрома. Материал используется в пищевой промышленности, не оказывает влияния на состав продуктов.
Рис. 5 Тонколистовой прокат для пищевой промышленности из жаропрочной стали
Стали аустенитного класса содержат большое количество легирующих присадок, в том числе никель, хром и титан. Материал прекрасно переносит длительный нагрев в пределах 1 000 градусов. Наиболее популярными марками являются Х17Н13М2 и Х17Н13М3. Они обладают значительной прочностью, прекрасно сопротивляются образованию окалины.
Рис. 6 Жаропрочный круг на базе Х17Н13М2
Тугоплавкость
При изготовлении жаропрочных сталей могут использоваться присадки, увеличивающие температуру плавления. Такие сплавы называются тугоплавкими, могут эксплуатироваться при температуре до 2 000 градусов.
Производство тугоплавких материалов осуществляется по индивидуальному заказу. Они задействуются при выпуске конструкций и систем, работающих при экстремальных нагрузках.
Таблица 4. Температура плавления материалов, используемых при выплавке тугоплавких сталей
Для достижения наилучшего результата присадки добавляются в установленных пропорциях.
- 60% ванадия и 40% ниобия.
- 48% железа, 5% молибдена, 15% ниобия и 1% циркония.
- 10% вольфрама и тантала в добавлении к основному сплаву.
Жаропрочность и прочие качества продукции проверяются путем испытания контрольных образцов.
Рис. 7 Испытательные машины для работы с контрольными заготовками
Сплавы на базе никеля
Нержавеющие жаропрочные стали и сплавы могут быть выполнены на базе никеля. Доля последнего достигает 55%. Также применяется хром в количество от 14 до 23%. Сортамент представлен следующими сплавами: ХН60В, ХН67МВТЮ, ХН70 и т.д.
Рис. 8 Роторные валы на базе никелевого жаропрочного сплава
Сварка жаропрочной стали
Состав жаропрочной стали вызывает определенные сложности при сварке. Работы проводятся в следующем порядке.
- Прогрев свариваемых элементов до температуры 350-380 градусов.
- Проведение сварочных работ.
- Термическая обработка неразъемного соединения при температуре 700 – 720 градусов.
- Плавное охлаждение в течение 5 часов до 680 градусов.
- Остывание до 10 часов вместе с печью.
По завершении работ узел проверяется ОТК. Как правило, используется рентген или ультразвук. Это позволяет выявить скрытые дефекты, обеспечивает получение надежного и долговечного соединения.
Рис. 9 Сварка жаропрочных сталей
Часто задаваемые вопросы
Какие электроды использовать при сварке жаропрочных сталей?
Какие стали относятся к жаропрочным?
Какой металл наиболее жаропрочный?
