Многим металлоизделиям приходится работать в условиях повышенной температуры, 500-600 С и более того, вплоть до 1100—1400 С или даже выше. Примером таких деталей могут служить: печи, теплообменники, паропроводы, клапана ДВС и многие другие элементы.
Нормально функционировать в условиях высокого нагрева сможет далеко не каждая сталь, даже из числа нержавеющих. Ведь с ростом температуры металл становится более подверженным как коррозии, так и деформации.
Интерес металлургов к температурной стойкости и прочности металлических сплавов появился лишь в начале XX столетия. Первым температурно стойким сплавом стал нихром, содержащий около 80% никеля и 20% хрома. Изначально из нихрома изготавливался нагреватель для хлебных тостеров.
Жаростойкие и жаропрочные стали представлены легированными сплавами. Данные разновидности стали имеют схожий состав. Сталь может быть одновременно и жаропрочной, и жаростойкой, но лишь в некоторых случаях. В общем и целом свойства данных типов стали являются разнородными.
В обзоре можно будет узнать о том, чем жаропрочная сталь отличается от жаростойкой.
Жаростойкая сталь
Жаростойкость еще называют окалиностойкостью. Ключевым свойством такой стали является предотвращение роста коррозии при сильном нагреве. Следует сразу заметить, что металлоизделия из жаростойкой стали не должны подвергаться механической нагрузке, по крайней мере высокой.
Жаростойкая сталь становится актуальной в тех случаях, когда металлоизделие подвергается частому и длительному нагреву свыше 300 С. Если же температура нагрева металла не будет превышать 300 С, то вполне сгодится самая простая и дешевая конструкционная углеродистая сталь, дополнительно защищенная от коррозии анодированием или другими методами.
Жаростойкая сталь с низким показателем жаропрочности легко деформируется под действием механической нагрузки!
Свойства жаростойкости обусловлены введением в состав стали легирующих компонентов на основе никеля, хрома, титана, молибдена и кремния. Легирующие добавки предотвращают проникновение кислорода глубоко в структуру металла.
В жаростойкой стали кислород вступает в реакцию не с железом, а с хромом и кремнием. Вместо ржавчины появляется стабильная и прочная пленка, которая не будет разрастаться со временем. Окалиностойкость зависит от марки жаростойкой стали.
Верхняя пороговая температура жаростойкости стали напрямую зависит от количества хрома.
- Хром 5-8%: жаростойкость достигает 700-750 С
- Хром около 17%: жаростойкость достигает 1000 С
- Хром около 25%: жаростойкость повышается до 1100 С
Для повышения прочностных характеристик в жаростойкую сталь вводят никель, кобальт, титан, молибден и другие металлы.
Распространенные марки жаростойкой стали: 15Х28, 15Х25Т, 20Х25Н20С2, 10Х23Н18.
Нихром
Первым жаростойким сплавом стал так называемый нихром. Сплав запатентован в 1905 году. Нихром состоит из 80% никеля и 20% хрома.
Максимальная рабочая температура нихрома достигает 1200 С.
Жаростойкий сплав нихром получил широчайшее распространение в качестве нагревательного элемента. Нихромовые ТЭНы активно используются в высокотемпературных электрических печах и сушильных аппаратах.
Из нихрома изготавливается рабочая часть стержня выжигательного аппарата по дереву.
Для удешевления жаростойкого материала в сплав начали вводить железо. Это так называемый ферронихром, состоящий из 60% никеля, 15% хрома и 25% железа. Максимальная рабочая температура ферронихрома уменьшена до 1125 С.
Что еще нужно знать о том, чем отличается жаростойкая сталь от жаропрочной.
Жаропрочная сталь
Многие металлоконструкции и механизмы подвергаются не только нагреву, а еще и механической нагрузке. Для нагруженных металлоизделий нужна не просто жаростойкая сталь. Металл должен обладать хорошими жаропрочными свойствами.
Жаропрочная сталь – металлический сплав, который при нагреве выдерживает не только коррозию, а еще и высокие механические нагрузки.
Металлоизделия и конструкции на основе жаропрочной стали способны надежно и бесперебойно функционировать в условиях экстремально высокого нагрева и сильного механического напряжения. Точные значения прочностных характеристик и допустимого нагрева зависят от марки жаропрочной стали.
Жаропрочная сталь является незаменимой при создании пароперегревателей и теплообменных систем, работающих с высоким давлением. Без жаропрочной стали не обходятся детали и узлы паровых турбин, систем газораспределения и выхлопа ДВС.
Ключевой характеристикой жаропрочной стали является так называемый предел ползучести. Параметр ползучести определяет степень деформации металлоизделия в процессе нагрева и механической нагрузки. При расчете предела ползучести в учет берутся: температура, сила нагрузки и время.
Для лопастей паровых турбин допускается ползучесть в пределах 1-5% при пробеге 100 000 часов.
Высокие показатели жаропрочности могут достигаться как за счет появления интерметаллидов, так и карбидной фазы. Жаропрочная сталь на основе интерметаллидов хорошо подходит для работы с кратковременными ударными нагрузками. Металлопрокат с карбидным упрочнением неплохо себя зарекомендовал при работе в условиях статических нагрузок.
Распространенные марки жаропрочной стали: 08Х17Т, 30Х13, 15Х12ВН14Ф.
У истоков жаропрочной стали
Поиск металлов с хорошей жаропрочностью был обусловлен созданием и совершенствованием авиационных турбореактивных моторов. Ведь в газовых турбинах рабочая температура нередко достигает 1000—1350 С. При этом сильному нагреву всегда сопутствует экстремально высокое давление.
Простые жаростойкие сплавы если и выдерживали температурный режим, то пасовали перед высокой механической нагрузкой.
Впервые полноценная жаропрочная сталь была разработана группой немецких металлургов в 1936 году. Сплав с высокими жаропрочными свойствами получил название тинидур. Название сплава образовано аббревиатурой слов титан, никель и прочный (dur).
Отменные жаропрочные свойства тинидура обусловлены выделением интерметаллидной фазы Ni3Ti в процессе многоступенчатой термообработки.
Для выделения кристаллов интерметаллидного соединения жаропрочный металл следует нагреть до 1125 С и закалить в воде. После закалки сплав следует подвергнуть отпуску при температуре 750 С.
Из-за дефицит легирующих компонентов тинидур со временем был заменен на так называемый жаропрочный сплав хромадур. В хромадуре полностью отсутствует никель, место которого занял более доступный и дешевый марганец.
Нимоник
В 40-х годах список жаропрочных металлических сплавов дополнил так называемый нимоник-80, а впоследствии и нимоник-80А, а также нимоник-90.
Сегодня жаропрочный сплав нимоник-80А активно используется при изготовлении клапанов для автомобильных ДВС.
Нимоник представлен сплавом никеля и хрома с дополнительным содержанием титана и алюминия. Как и в случае с тинидуром, нимоник использует интерметаллидную упрочняющую фазу, которая выделяется в результате закалки и отпуска сплава.
На сегодняшний день старшим из нимоников является сплав 115, который был получен в 1964 году.
Инконель
Нихромовые сплавы демонстрируют хорошую жаростойкость, но плохо переносят механические нагрузки. Для улучшения жаропрочных характеристик был разработан так называемый сплав инконель.
Инконель – широкая серия никель-хромовых сплавов, которые дополнительно имеют в своем составе: железо, молибден, ниобий, алюминий, кремний и множество других компонентов.
Сплавы инконель принадлежат к категории однофазных гомогенных расплавов со сложным легированием. Эксплуатационные характеристики сплавов инконель являются весьма разнообразными и многогранными. Но практически во всех случаях инконель демонстрируют высочайшую жаропрочность и жаростойкость.
Инконель 718 считается одним из самых распространенных жаропрочных сплавов. Такой металл отличается хорошей свариваемостью и легкостью механической обработки.
Производство жаропрочной стали
В отличии от чугуна, углеродистой стали и нержавейки жаропрочные сплавы имеют в своем составе минимальное количество углерода, до 0,2-0,5%. Низкое содержание углерода делает сталь менее хрупкой, что заметно улучшает прочностные характеристики.
Для выплавки жаропрочной стали используется только вторичный лом. Ведь выплавка рудного железа предполагает использование коксующегося угля, который является источником углерода.
Плавка металла производится сжиженным кислородом. При взаимодействии со сталью кислород соединяется с углеродом и улетучивается в виде углекислого газа. Для защиты хрома от окисления в расплав вводится кремний.
Для механической обработки жаропрочного металлопроката следует использовать твердосплавный инструмент.
