Коррозионностойкие, жаропрочные, жаростойкие сплавы

• Хромистые стали ферритного класса 
  
• Хромоникелевая сталь аустенитно-ферритного класса 
  
• Хромоникелевые стали аустенитного класса 
  
• Сплавы на железоникелевой основе 
  
• Сплавы на никелевой основе 
  

Марки жаростойких  сталей и сплавов

№  п/п	Марка	Условное  обозначение	Применение
1	03Х20Ю3НТБ	КО-4	для изготовления слабонагруженных деталей котельников...
2	15Х25Т	ЭИ439	для изготовления деталей печной арматуры с рабочей поверхностью
3	20Х20Н14С2	ЭИ211	для изготовления деталей печных конвейеров, ящиков.
4	12Х18Н9Т	-	для изготовления муфелей  термических печей
5	10Х18Н18Ю4Д	ЭП841	для изготовления деталей
6	20Х23Н18	ЭИ417	для изготовления печного оборудования: муфелей
7	12Х25Н16Г7АР	ЭИ835	в турбостроении для изготовления деталей газопроводов
8	07Х25Н16АГ6Ф	ЭП750	для изготовления штампосварных конструкций сложной схемы
9	20Х25Н20С2	ЭИ283	в печестроении для изготовления листовых деталей
10	ХН32Т	ЭП670	в нефтехимическом машиностроении
11	ХН45Ю	ЭП747	в печестроении для изготовления роликов
12	ХН70Ю	ЭИ652	для изготовления деталей камер сгорания
13	ХН78Т	ЭИ435	в различных областях техники
14	ХН60ВТ	ЭИ868	для изготовления деталей камер сгорания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Жаропрочные стали и сплавы

 

   Жаропрочными называют стали и  сплавы, сохраняющие при повышенных температурах в течение определенного  времени высокую механическую прочность  и обладающие при этом достаточной  жаростойкостью.

В большинстве случаев  жаропрочность оценивается с помощью определения следующих характеристик:

1. Предел ползучести – напряжение, при котором через определенный промежуток времени деформация ползучести при данной температуре получит заранее заданную величину.

При обычной температуре и напряжениях  выше предела упругости   ползучесть не наблюдается, а при температуре выше 0,6Т_пл, когда протекают процессы разупрочнения, и при напряжениях выше предела упругости  наблюдается ползучесть.

В зависимости от температуры скорость деформации при постоянной нагрузке выражается кривой состоящей из трех участков (рис. 20.3):

Рис. 20.3. Кривая ползучести 

 

1. ОА – упругая деформация образца в момент приложения нагрузки;
2. АВ – участок, соответствующий начальной скорости ползучести;
3. ВС – участок установившейся скорости ползучести, когда удлинение имеет постоянную скорость.

Если  напряжения достаточно велики, то протекает  третья стадия (участок СД), связанная  с началом разрушения образца (образование  шейки).

Для углеродистых сталей ползучесть наблюдается  при нагреве выше 400^oС.

Предел ползучести – напряжение, которое за определенное время при заданной температуре вызывает заданное суммарное удлинение или заданную скорость деформации  .

Например МПа, где верхний индекс – температура испытания в^oС, первый нижний индекс – заданное суммарное удлинение в процентах, второй – заданная продолжительность испытания в часах.

2. Длительная прочность – напряжения, вызывающие разрушение металла при заданной температуре за определенный отрезок времени.

Жаропрочные стали и сплавы относятся к третьей группе высоколегированных сталей. Их микроструктура после термической обработки должна состоять из скрыто—и мелкоигольчатого мартенсита или мелкоигольчатого мартенсита и избыточных карбидов легирующих элементов (MoC, CrC, NiC и т. д.).

Марки жаропрочных  сталей и сплавов   

К жаропрочным сталям и  сплавам относятся:   

1) 40Х9С2. Применяется для  изготовления клапанов моторов  и крепежных деталей, работающих  в условиях высоких температур  – около +1000 °C;   

2) Х1560–Н. Используется для изготовления нагревательных элементов (рабочая температура нагревательных элементов +1000–1300 °C);   

3) Х20Н80, Х20Н80–ВИ (выплавляется вакуумно—индук—ционных способом);   

4) Х15Н60–Н—ВИ, Н50К10, Х13Ю4, ОХ23Ю5, ОХ23Ю5А, Ох27Ю5А. Из этих сплавов изготовляют термодатчики и термочувствительные элементы, проволоку и ленту для нагревательных печей, электрических аппаратов теплового действия, микропроволоку для резисторов неответственного назначения; указанные сплавы работают в интервале от +1000 до +1300 °C.   

К жаропрочным сталям и  сплавам относятся также следующие марки:    

1) ХН60Ю. Применяется для изготовления деталей турбин (из листового проката), работающих при умеренных напряжениях, а также для нагревательных приборов сопротивления;    

2) 20Х23Н18. Идет на изготовление  деталей машин для химической  и нефтяной промышленности, запорной  арматуры для газопроводов, камер  сгорания, а также для нагревательных  приборов сопротивления;   

3) 09Х16Н15М3Б. Используется  в производстве труб пароперегревателей  и трубопроводов высокого давления;    

4) 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 12Х18Н9Т.  Применяются для изготовления  деталей выхлопных систем и  труб (из листового и сортового  проката), сталь 12Х18Н12Т более стабильна  при эксплуатации, чем сталь марки  12Х18Н10Т;   

5) 40Х15Н7Г7Ф2МС. Идет на изготовление  крепежных деталей, работающих  при температуре +650 °C. Жаропрочность сталей и сплавов зависит от состава легирующих элементов, их сочетания и концентрации. ГОСТ 5632–72 рекомендует оптимальные интервалы температур, при которых детали, изготовленные из жаропрочных сталей и сплавов, обладают наибольшей надежностью в работе. Кроме того, в стандарте для каждой марки стали или сплава указаны температура начала интенсивного окалинообразова—ния и срок работы деталей из них – кратковременный, ограниченный, длительный и весьма длительный. За кратковременный срок работы условно принимают время службы детали до 100 ч, ограниченный – до 1000 ч, длительный – до 10 000 ч и весьма длительный – до 100 000 ч.   

Жаропрочные сплавы бывают высоколегированными и прецизионными. Прецизионные сплавы характеризуются  высокой чистотой компонентов, их точным соотношением. Маркировка прецизионных сплавов немного отличается от маркировки легированных сталей и сплавов. ГОСТ 10994–74 регламентирует химический состав, основные физические свойства и области  применения каждого сплава. Выше были перечислены жаропрочные прецизионные сплавы и указаны области их применения – Н50К10, Х13Ю4, ОХ23Ю5, Х15Н60–Н и т. д.

Классификация жаропрочных сталей и сплавов. 

 

В качестве современных  жаропрочных материалов можно отметить перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, никелевые и кобальтоавые жаропрочные сплавы, тугоплавкие металлы.

При температурах до 300^oC обычные конструкционные стали имеют высокую прочность, нет необходимости использовать высоколегированные стали.

Для работы в интервале  температур 350…500^oC применяют легированные стали перлитного, ферритного и мартенситного классов.

Перлитные жаропрочные стали. К этой группе относятся котельные стали и сильхромы. Эти стали применяются для изготовления деталей котельных агрегатов, паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания. Стали содержат относительно мало углерода. Легирование сталей хромом, молибденом и ванадием производится для повышения температуры рекристаллизации (марки 12Х1МФ, 20Х3МФ). Используются в закаленном и высокоотпущенном состоянии. Иногда закалку заменяют нормализацией. В результате этого образуются пластинчатые продукты превращения аустенита, которые обеспечивают более высокую жаропрочность. Предел ползучести этих сталей должен обеспечить остаточную деформацию в пределах 1 % за время 10000…100000 ч работы.

Перлитные стали  обладают удовлетворительной свариваемостью, поэтому используются для сварных  конструкций (например, трубы пароперегревателей).

Для деталей газовых  турбин применяют сложнолегированные стали мартенситного класса 12Х2МФСР, 12Х2МФБ, 15Х12ВНМФ. Увеличение содержания хрома повышает жаростойкость сталей. Хром, вольфрам, молибден и ванадий повышают температуру рекристаллизации, образуются карбиды, повышающие прочность после термической обработки. Термическая обработка состоит из закалки от температур выше 1000^oС в масле или на воздухе и высокого отпуска при температурах выше температуры эксплуатации.

Для изготовления жаропрочных  деталей, не требующих сварки (клапаны  двигателей внутреннего сгорания), применяются хромокремнистые стали  – сильхромы: 40Х10С2М, 40Х9С2, Х6С.

Жаролрочные свойства растут с увеличением степени легированности. Сильхромы подвергаются закалке от температуры около 1000^oС и отпуску при температуре 720…780^oС.

При рабочих температурах 500…700^oC применяются стали аустенитного класса. Из этих сталей изготавливают клапаны двигателей, лопатки газовых турбин,сопловые аппараты реактивных двигателей и т.д.

Основными жаропрочными аустенитными сталями являются хромоникелевые стали, дополнительно легированные вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Стали содержат 15…20 % хрома и 10…20 % никеля. Обладают жаропрочностью и жаростойкостью, пластичны, хорошо свариваются, но затруднена обработка резанием и давлением, охрупчиваются в интервале температур около 600^oС, из-за выделения по границам различных фаз.

По структуре  стали подразделяются на две группы:

1. Аустенитные стали с гомогенной структурой 17Х18Н9, 09Х14Н19В2БР1,12Х18Н12Т. Содержание углерода в этих сталях минимальное. Для создания большей однородности аустенита стали подвергаются закалке с 1050…1100^oС в воде, затем для стабилизации структуры – отпуску при 750^oС.

2. Аустенитные стали с гетерогенной структурой 37Х12Н8Г8МФБ, 10Х11Н20Т3Р.

Термическая обработка  сталей включает закалку с 1050…1100^oС. После закалки старение при температуре выше эксплуатационной (600…750^oС). В процессе выдержки при этих температурах в дисперсном виде выделяются карбиды, карбонитриды, вследствие чего прочность стали повышается.

Детали, работающие при температурах 700…900^oC, изготавливают из сплавов на основе никеля и кобальта (например, турбины реактивных двигателей).

Никелевые сплавы преимущественно  применяют в деформированном  виде. Они содержат более 55 % никеля и минимальное количество углерода (0,06…0,12 %). По жаропрочным свойствам  превосходят лучшие жаропрочные  стали.

По структуре  никелевые сплавы разделяют на гомогенные (нихромы) и гетерогенные (нимоники).

Нихромы. Основой этих сплавов является никель, а основным легирующим элементом – хром (ХН60Ю, ХН78Т).

Нихромы не обладают высокой жаропрочностью, но они очень  жаростойки. Их применяют для малонагруженных  деталей, работающих в окислительных  средах, в том числе и для  нагревательных элементов.

Нимоники являются четвертными сплавами никель – хром (около 20 %) – титан (около 2%) – алюминий (около 1 %) (ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТФКЮ). Используются только в термически обработанном состоянии. Термическая обработка состоит из закалки с 1050…1150^oС на воздухе и отпуска – старения при 600…800^oС.

Увеличение жаропрочности  сложнолегированных никелевых сплавов  достигается упрочнением твердого раствора введением кобальта, молибдена, вольфрама.

Основными материалами, которые могут работать при температурах выше 900^oC (до 2500^oС), являются сплавы на основе тугоплавких металлов – вольфрама, молибдена, ниобия и других.

Температуры плавления  основных тугоплавких металлов: вольфрам – 3400^oС, тантал – 3000^oС, молибден – 2640^oС, ниобий – 2415^oС, хром – 1900^oС.

Высокая жаропрочность  таких металлов обусловлена большими силами межатомных связей в кристаллической  решетке и высокими температурами  рекристаллизации.

Наиболее часто  применяют сплавы на основе молибдена. В качестве легирующих добавок в  сплавы вводят титан, цирконий, ниобий. С целью защиты от окисления проводят силицирование, на поверхности сплавов образуется слой MoSi₂ толщиной 0,03…0,04 мм. При температуре 1700^oС силицированные детали могут работать 30 часов.