При выплавке жаропрочных марок сталей металлурги используют различные добавки. Источник unsplash.com
Современная металлургическая отрасль выпускает широкий ассортимент жаропрочных сталей. Различные марки такого материала рассчитаны на применение в определенных условиях, а их использование позволяет решать множество актуальных задач.
Марки стали, входящие в категорию жаропрочных, подходят для изготовления частей конструкций и оборудования, эксплуатация которых связана с частым или постоянным нагревом или воздействием агрессивных сред.
Рассказываем, к каким сталям относятся жаропрочные стали, каким образом они классифицируются, где применяются и за счет каких свойств обладают столь замечательной устойчивостью к нагреву.
Не следует путать такие параметры стали, как жаропрочность и жаростойкость.
Говоря простыми словами, повышенная жаростойкость — это устойчивость металла к газовой коррозии, которая нередко возникает при сильном нагреве металлов. Обладающая жаростойкостью сталь менее интенсивно окисляется при нагреве и воздействии горячих химических сред. Однако наличие повышенных антикоррозийных качеств не предполагает для металла еще и способность сохранять форму или структурную целостность при длительном сильном нагреве.
В то же время жаропрочные стали или металлические сплавы отличаются от жаростойких именно повышенной способностью противостоять разрушению, деформации под влиянием высоких температур. К примеру, отечественная марка жаропрочной высоколегированной стали 08Х17Т выдерживает нагрев до 850 °С. Не меняется структура металла и его кристаллическая решетка.
Получить ту или иную марку стали возможно с помощью соответствующих добавок. Так, чтобы повысить жаростойкость стали, в ее составе дополнительно используют определенный процент кремния, хрома или алюминия, которые помогают формировать кристаллическую структуру металла с нужными параметрами и снижают его окисляемость.
Для усиления жаропрочности в состав выпускаемых сталей добавляют титан, ниобий, ванадий, молибден и прочие компоненты. Процентное соотношение железа и добавок влияет на показатели прочности, а также обусловливает предельно допустимую для конкретного типа жаропрочной стали температуру плавления или деформации.
Соответственно, различается и сфера использования различных марок стали. К примеру, жаростойкие применяют для производства ненагруженных конструкций или изделий, применение которых связано с постоянным или частым перегревом, но не предполагает существенных механических нагрузок. Это камеры сгорания для печей или каминов, стальные дымоходы, котлы и т. д.
Главной отличительной характеристикой жаропрочной стали считается ее способность переносить эксплуатацию при продолжительном нагреве без деформации или потери структурной целостности. Процесс постепенного изменения формы металлического изделия или разрушения металла при нагреве и воздействии механических нагрузок специалисты в области металлургии называют ползучестью.
Этот негативный эффект часто наблюдается у изделий из обычных марок стали, попавших в агрессивные условия эксплуатации. Например, нередко после сильного пожара можно видеть деформированные и перекрученные металлоконструкции, утратившие первоначальную форму. Чтобы избежать ползучести металла, были созданы жаропрочные стали, свойства которых позволяют нейтрализовать этот эффект.
Промышленность выпускает различные виды жаропрочных сталей. Все их принято объединять в группы по ряду признаков:
Рассмотрим основные группы и отметим, какая жаропрочная сталь лучше подойдет для выпуска изделий.
Сплавы на основе железа. Отличаются высоким процентным содержанием никеля (от 9 до 12 %) и хрома (от 13 до 19 %). Применение никеля в роли легирующей добавки позволяет получить требуемое изменение кристаллической структуры стали (аустенита), за счет чего увеличивается жесткость и прочность металла. А добавление хрома улучшает жаростойкие свойства, предотвращает появление на поверхности окалины даже при продолжительном влиянии высоких температур.
Аустенитные стали обладают высокой коррозионной стойкостью, которой они обязаны наличию в составе таких компонентов, как титан и ниобий. Они относятся к труднообрабатываемым материалам и востребованы при выпуске различных видов арматуры, клапанов для авиационной отрасли, турбинных конструкций и прочих видов изделий с высокими требованиями.
Характерным отличием сплавов с ферритной мелкозернистой структурой является процентное содержание хрома, которое варьируется в границах от 25 до 33 %. Необходимая структура металла достигается за счет использования термической обработки. Изготовленные с применением таких материалов детали и компоненты механизмов могут эксплуатироваться при высоких температурах: до 1100 градусов.
Такие сплавы используют в машиностроении, часто из них изготавливают изделия, которые, помимо нагрева, будут подвергаться воздействию окислительной агрессивной среды — это различные теплообменники, трубы, части пиролизных установок.
К этой группе относят металлические сплавы, в структуре которых присутствуют ферритная и аустенитная фазы. Для таких материалов характерна повышенная жаропрочность. Она обеспечивается устойчивой кристаллической структурой и позволяет использовать изделия из такой стали в условиях высоких температур: до 1150 градусов.
Группа входит в большой разряд низколегированных сталей, а изготовленные с применением данных материалов изделия рассчитаны на эксплуатацию при невысоких температурах, порядка 450–550 градусов. В виде основных присадок при выпуске таких материалов применяют хром и молибден, а температура плавления жаропрочной стали для них меньше, чем у рассмотренных выше — перлит плавится при нагреве до 1100–1200 градусов.
Легирование с применением хрома увеличивает способность материала сопротивляться окислительным процессам, добавление молибдена усиливает прочность. В ряде случаев при производстве жаропрочной стали перлитной группы добавляют в состав ванадий, что увеличивает температуру использования таких материалов до 550–600 градусов и делает их прочнее.
С использованием перлитных сталей производят цилиндры, шестерни, крестовидные втулки, коллекторы высокого давления и трубы для перегретого пара.
Группа жаропрочных сталей производится с применением метода продолжительного отжига и последующего продолжительного остывания. При таком воздействии трансформируется кристаллическая структура металла, что увеличивает его твердость, однако делает металл хрупким.
Чтобы уменьшить этот негативный эффект, нередко используется метод двойной закалки, который проходит в два последовательных этапа при различных температурных режимах. На первом этапе нагревают материал до 1200 градусов для его нормализации. После остывания процесс повторяется, но с нагревом до 1000 °С. При этом достигается оптимальная жаропрочность и сохраняется пластичность исходного металлического сырья.
Такие стали устойчивы не только к повышенным температурам, но и к воздействию влажности, щелочных и кислотных растворов. Из различных марок сталей этой группы изготавливают трубы, паровые турбины, клапаны для дизелей или моторов авиационных систем.
В химическом составе сталей из этой группы содержание хрома не превышает 14 %. В роли легирующих компонентов могут использоваться молибден или ванадий.
В результате получаются жаропрочные стали, применение которых востребовано при выпуске продукции для эксплуатации в условиях продолжительных нагрузок и нагрева не выше 580 градусов. Это установки для котельных или труб, крепежных элементов или крыльчаток для турбин.
Многие повседневные вещи изготавливают из жаропрочных сталей, что обеспечивает их надежность и длительную службу. Источник unsplash.com
Сфера использования жаропрочных сталей, чей состав может сильно различаться, широка. Они могут быть задействованы при производстве деталей машин и узлов механизмов, которые работают при повышенных температурах и не должны менять свои качества и параметры при нагреве.
К примеру, эти материалы активно применяют в машиностроении для создания корпусов и деталей двигателей или силовых агрегатов:
Кроме того, жаропрочные стали широко применяют при промышленном выпуске различного отопительного оборудования — нагревательных котлов, камер сгорания для печей или каминов, различных труб и теплообменных конструкций.
Выпускают из жаропрочных сталей и полуфабрикаты для многих отраслей промышленности – стальную проволоку, пруток, листовой прокат с повышенной устойчивостью к воздействию высокой температуры, а также различные виды жаропрочных труб.
Следует учитывать, что в силу сложного процесса производства жаропрочных сталей, изготовленные из них материалы отличаются более высокой ценой по сравнению с обычными.
