Жаропрочные стали

Жаропрочные стали – это стали, используемые при очень высоких температурах (от 0,3 части от температуры их плавления) на протяжении определенного времени, а также в условиях сложнонапряжённого состояния. Основным критерием, которым определяется работоспособность сталей, выступает жаропрочность. Данная особенность определяет работу жаропрочных сталей при повышенном температурном режиме без заметной остаточной деформации и разрушения. Жаропрочность, в свою очередь, определяют такие свойства, как ползучесть и длительная прочность.

Ползучестью называется явление непрерывной деформации под действием постоянного напряжения. Ползучесть определяется пределом ползучести. Именно он обусловливает растягивающее напряжение, при котором скорость и деформация ползучести достигают заданного значения за конкретный отрезок времени. В том случае, если скорость ползучести определяет допуск, то предел ползучести обозначается сигмой с двумя индексами, где нижний индекс обозначает заданную скорость ползучести в %/ч, а верхний индекс соответствует температуре испытания. Детали, которые предназначены для достаточно длительной эксплуатации, рассчитанной на несколько лет, предел ползучести определяется малой деформацией, которая возникает в результате работы при длительных нагрузках.

Длительная прочность является условным напряжением, воздействие которого длительное время на сталь в условиях повышенного температурного режима приводит к разрушению материала спустя определенное количество времени.

Определение жаропрочных свойств базируется, в первую очередь, на температуре плавления основного компонента сплава, а также на его легировании и режимах предварительной термообработки, от которых зависит структурное состояние сплава. В основе жаропрочных сталей находятся твердые растворы или перенасыщенные растворы, обладающие способностью к дополнительному повышению прочности в результате дисперсионного твердения.

Хром является элементом, который наиболее часто применяется для легирования жаропрочных сталей. Это связано с тем, что хром обладает положительным воздействием на жаростойкость и жаропрочность.

Марки жаропрочных сталей

Для легирования жаропрочных сталей применяют различные системы, согласно которым жаропрочные стали подразделяются на марки:

• ферритные (08Х17Т, 1Х13Ю4, 05Х27Ю5);
• мартенситные (20Х13, 30Х13);
• мартенситно-ферритные (15Х12ВН14Ф);
• аустенитные (37Х12Н8Г8МФБ);
• перлитные (Х6С, Х6СМ, Х7СМ, Х9С2, Х10С2М и Х13Н7С2).

Каждый класс включает в себя стали, имеющие разный тип упрочнения:

• карбидный;
• интерметаллидный;
• смешанный (карбидно-интерметаллидный).

Среди сталей, имеющих мартенситную внутреннюю структуру, самыми распространенными марками являются следующие:

• Х5. Сталь данной марки применяется для производства труб, эксплуатация которых предполагает максимальную температуру в 650⁰С;
• Х5М, Х5ВФ, Х6СМ, 1Х8ВФ, 1Х12Н2ВМФ. Данные марки сталей применяются для изготовления изделий, эксплуатация которых осуществляется при температуре в 500 – 600⁰С определенный промежуток времени (как правило, от 1000 до 10 000 часов);
• 3Х13Н7С2 и 4Х9С2. Стали данных марок являются основным материалом для производства изделий, работающих при температурах 850 – 950⁰С. Благодаря свойствам, позволяющим работать в таких условиях, материал используется для производства клапанов двигателей различных транспортных средств;
• 1Х8ВФ. Из этой марки производятся изделия, эксплуатация которых осуществляется при максимальной температуре в 500⁰С около 10 000 часов и более. Такие стали являются отличным материалом для изготовления конструктивных элементов паровых турбин.

В основе мартенситных сталей находится перлит, состояние которого может изменяться в зависимости от количественного содержания хрома. Для получения из таких сталей материала, имеющего внутреннюю структуру сорбита, который обладает повышенной твердостью, осуществляется их закалка при температуре 950 – 1100⁰С, после чего происходит их отпуск.

В химическом составе стальных сплавов, имеющих ферритную внутреннюю структуру, которые относятся к категории жаростойких материалов, содержится хром в количестве от 25% до 33%. Именно содержание хрома определяет характеристики данных сталей. Для придания изделиям из таких сталей мелкозернистой структуры изделия подвергаются отжигу. При воздействии на данные стали температуры около 850⁰С и более, зерно в их внутренней структуре становится крупнее, что повышает хрупкость.

Стоит отметить, что в условиях, требуемых хорошую устойчивость к высоким температурам и агрессивной среде, применяются жаропрочные листовые стали.

Стоит отметить, что в основном, в составе жаропрочных сталей, которые эксплуатируются в условиях повышенных температур, находятся аустенитные стали на хромоникелевой и хромомарганцевой основе с разнообразным дополнительным легированием. Существует три группы таких сталей:

• гомогенные аустенитные стали. На жаропрочность таких сталей влияет легированность твердого раствора;
• стали, имеющие карбидное упрочнение;
• стали, имеющие интерметаллидное упрочнение.

Формирование внутренней структуры аустенитных сталей происходит за счет присутствия в их составе никеля, а жаростойкость, как известно, связана с присутствием хрома. Если в основе стали присутствует аустенит, то такие стали относятся к категории нержавеющих. При длительном воздействии на них высоких температур, они успешно противостоят образованию слоя окалины.

Жаростойкие стали представляют собой материалы, работа которых осуществляется в условиях ненагруженного или слабо-нагруженного состояния при высоких температурах (свыше 550⁰С), и которые имеют устойчивость к коррозионному повреждению в газовой среде.

Обработка жаропрочных сталей

Жаропрочные стали могут обрабатываться при помощи различной техники. Наиболее распространенными способами обработки являются:

• обработка при помощи кобальто-вольфрамовых резцов на токарно-винторезных станках;
• ковка;
• точная штамповка;
• прессовка;
• шлифовка;
• прецизионное литье;
• полировка;
• гидроабразивная резка;
• токарная обработка;
• фрезерная обработка;
• лазерная резка;
• пайка;
• точечная сварка и пр.

Стоит отметить, что самыми распространенными технологиями сварки выступает сварка жаропрочных сталей посредством электродов и трения, а также диффузионная сварка

Применение жаропрочных сталей

Жаропрочные стали, благодаря своим уникальным свойствам, нашла свое применение во многих сферах человеческой деятельности, в особенности там, где присутствуют жесткие условия эксплуатации. Это связано с тем, что жаропрочные стали способны выдерживать механические нагрузки при высоких температурах. Так, жаропрочные стали нашли свое активное применение при производстве разнообразных изделий, применяемых в машиностроительной отрасли. Нержавеющая жаропрочная сталь является основным материалом, из которого производится тонколистовой прокат, бесшовные трубы, а также разнообразные агрегаты пищевой и химической промышленности. Также жаропрочные стали используются в производстве ракет и их силовых установок, силовых установок истребителей и гражданских самолетов, газовых турбин судов (газотурбоходов) и локомотивов (газотурбовозов). Из них производятся газовые и паровые турбины, которыми оборудованы стационарные силовые и котельные установки, камеры сгорания, металлургические печи. Жаропрочные стали применяются для перекачке нефти и нефтепродуктов, природного газа, гидрогенизации топлива и др. Также их применяют на электростанциях.

В настоящее время доля жаропрочных сталей в стальном прокате составляет порядка 50%, и они составляют около половины всей массы турбин.