Tehnik-ast.ru

Электро Техник
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Жаропрочность. Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочность. Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочностью называется

Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться при высоких температурах деформации и разрушению от воздействия рабочих напряжений

Жаропрочные сплавы способны длительное время сопротивляться ползучести и разрушению. Ползучесть металлов объясняется в настоящее время как суммарный результат многих видов деформации, являющейся следствием относительного перемещения атомов.

Академик А. А. Бочвар указывает на возможность свести любой тип пластической деформации к процессам диффузии, определяемым температурой.
Если температуры низки, то под действием напряжений преобладающее значение приобретают виды деформации с ограниченным развитием диффузионных процессов, т. е. деформации сдвига или двойникования, проходящие по зерну.

По мере повышения температуры преимущественное развитие приобретают виды деформации, связанные с диффузией, особенно легко протекающей в зонах, расположенных по границам зерен.

Поскольку пластической деформации и разрушению способствуют диффузионные процессы, удовлетворительное решение проблемы жаропрочного сплава связано с подавлением (замедлением) в нем диффузии. Ослабление диффузионных процессов ведет к торможению фазовых превращений, стабилизации микроструктуры и, следовательно, к обеспечению наиболее длительного сохранения механических свойств при воздействии высоких температур и напряжений.

При компоновке жаропрочного сплава полезно соблюдать ряд условий:

1. В качестве основы сплава выбирать металл с высокой прочностью межатомной связи и с высокой температурой рекристаллизации.

2. Путем рационального легирования увеличивать прочность межатомной связи и поднимать температуру рекристаллизации сплава.

3. Соблюдая необходимые режимы обработки, придавать сплаву структуру, в наибольшей степени препятствующую протеканию диффузии и способствующую росту сопротивления пластической деформации и разрушению.

О прочности межатомной связи в металле можно косвенно судить по температуре его плавления, так как с ростом межатомного сцепления обычно увеличивается и температура плавления. Температура рекристаллизации также связана прямой зависимостью с температурой плавления. Поэтому в качестве основы для жаропрочных сплавов следует выбирать наиболее тугоплавкие металлы.

Лучшие жаропрочные сплавы на железной, никелевой и кобальтовой основе способны удовлетворительно работать до 100 ºС . С большими ограничениями их можно использовать до 1000 ºС. Если оценить предельную рабочую температуру современных жаропрочных сплавов, то окажется, что она равна примерно 60—75% абсолютной температуры плавления. Возможный рост рабочей температуры ограничивается для этих сплавов несколькими десятками градусов ввиду все большего приближения к температуре плавления и все более значительной потери прочности.

В переводе на шкалу Цельсия такие металлы, как никель, кобальт и железо, имеют близкие температуры начала рекристаллизации, лежащие в пределах 420-450 ºС. В то же время современные жаропрочные сплавы на основе названных металлов имеют порог рекристаллизации около 1000 ºС. Таков эффект легирования, замедляющего диффузионные процессы и тормозящего процесс рекристаллизации. Замедление разупрочнения при высоких температурах, вызываемое легированием, должно обезопасить сплав от чрезмерной ползучести и разрушения. Между тем процесс ползучести и характер разрушения зависят от температуры и условий нагружения. Разрушение, как известно, может носить межкристаллитный и внутрикристаллитный характер. Разрушение металлических материалов при низких температурах и больших скоростях деформации обычно протекает по зерну, а при высоких температурах и малых скоростях деформации — по границе зерна. Это указывает на необходимость упрочнения границ и пограничных зон. При этом задача правильного легирования состоит в том, чтобы упрочнить и тело зерна и его границы, придав им равнопрочность в условиях длительного нагружения при высоких температурах. Теория и практика легирования говорят о том, что возможности для этого имеются.

Различные элементы по-разному легируют тело зерна и пограничные его области. Так, например, вольфрам в никелевых сплавах располагается главным образом внутри зерна, а молибден — по его границе. Поэтому способом воздействия на границы зерен является легирование сплавов примесями (молибден, ниобий, цирконий и др.), способными обогащать пограничные области и границы зерна и упрочнять их. Имеются также поверхностно-активные легирующие примеси (например, бор и др.), располагающиеся в пограничных областях зерна и чрезвычайно эффективно влияющие на упрочнение сплава.

Причиной малой высокотемпературной прочности часто является загрязнение сплава легкоплавкими примесями, склонными скапливаться в пограничных слоях и на границах зерен (кислород, сера, фосфор, водород, сурьма, олово, свинец и др.). Такие поверхностно-активные примеси, как бор, способны, сами скапливаясь в пограничных слоях и на границах зерна, препятствовать скоплению в этих местах вредных примесей. Введение малых («гомеопатических») добавок бора поэтому производит весьма эффективное действие на повышение жаропрочности.

Для легирования жаропрочных сплавов на железной, никелевой и кобальтовой основах могут быть использованы: углерод, кремний, марганец, никель, кобальт, хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан, алюминий, азот, бор и некоторые другие элементы. При легировании наилучший эффект повышения жаропрочности достигается введением значительного числа компонентов.

Такое легирование дает усложнение и искажение пространственной решетки и затрудняет протекание диффузионных процессов в твердом растворе.
Легирование создает лишь благоприятную предпосылку для получения жаропрочного сплава. Желаемый эффект упрочнения достигается в результате обработки и получения структуры, в наибольшей мере ограничивающей развитие диффузии и обеспечивающей высокие показатели жаропрочности за счет создания большого количества дислокаций и благоприятного их распределения.

Читайте так же:
Масло для червячного редуктора

Жаропрочные сплавы имеют структуру, основу которой составляет насыщенный твердый раствор аустенитного типа. Твердые растворы ферритного типа обладают по сравнению с аустенитными худшими показателями жаропрочности. Основа твердого раствора выбирается по характеру и размеру атомов, типу и размеру пространственной решетки. Большинство легирующих элементов, имеющих атомы, близкие по размеру к атомам основы, образуют с нею аустенитный твердый раствор по типу замещения. Легирующие элементы, имеющие атомы малого размера (С, N, В), дают растворы внедрения.

Помимо атомной структуры свойства сплава зависят также от его микроструктуры.
Однако наиболее важным является влияние так называемых упрочняющих фаз, образуемых при взаимодействии легирующих элементов с основой сплава и между собой. Упрочняющее влияние этих фаз зависит от характера взаимодействия их с твердым раствором, от числа фаз, степени их раздробления и характера залегания по зерну или по границе зерна твердого раствора. Независимо от числа и многообразия упрочняющих фаз часто их объединяют общим наименованием «вторая фаза».

Жаропрочные стали

Рис. 1. Сравнение предела ползучести жаропрочных сталей на аустенитной (а) и ферритной (б) основе

Наконец, весьма существенным является характер строения границ зерен и пограничных участков. Прочность границ определится бездефектностью строения их, а также наличием упрочняющих фаз.

Для твердого раствора, являющегося основой сплава, упрочняющими фазами служат химические соединения типа карбидов или интерметаллидов, либо твердые растворы с пространственной кристаллической решеткой, отличной от решетки основного твердого раствора.

Для аустенитных жаропрочных сталей важнейшими упрочняющими фазами являются карбиды хрома Сг23С6, Сг7Сз, двойные карбиды типа Fe2Mo2C, Fe2W2C, смешанные карбиды Fe2(W, Мо)2С и др.

Роль упрочняющих фаз в аустенитных сталях могут играть также интерметаллидные фазы: вольфрамиды, молибдениды, ниобиды и т. д.

При нагреве под закалку все названные фазы полностью переходят в твердый раствор. При старении все они выпадают из раствора в большей или меньшей степени в зависимости от температуры и длительности старения.

Никелевые сплавы упрочняются либо интерметаллидными соединениями в чистом виде, либо в сочетании их с карбидными фазами. Примером интерметаллидной упрочняющей фазы в никелевых сплавах может служить так называемая, а – фаза, представляющая собой упорядоченный твердый раствор с гранецентрированной кристаллической решеткой примерного состава (Ni, Cr) и (Al, Ti). Решетка, и фаза когерентно связана с основным твердым раствором, из которого выделяется в процессе старения при термической обработке. Фаза является упрочнителем главным образом для деформируемых никелевых сплавов. Она играет упрочняющую роль и в литых сплавах, однако последние одновременно упрочняются и карбидными фазами в виде простых и двойных карбидов.

Сплавы на кобальтовой основе упрочняются главным образом карбидными фазами.

Для придания деформируемым сплавам наивысших показателей жаропрочности необходимо применять термическую обработку, состоящую из закалки и старения.’

В литых сплавах упрочнение удается получить в процессе самой отливки.

Упрочняющие фазы в жаропрочных сплавах трудно растворимы и требуют высоких температур нагрева и длительных выдержек. Вместе с тем очень высокая температура закалки вызывает значительное укрупнение зерна (рис. 2)

Микроструктура сплава ХН77ТЮР

Рис. 2. Микроструктура сплава ХН77ТЮР: а — в состоянии поставки; б — закалка 1050 ºС; в — закалка 1080 ºС

Для получения оптимальной структуры при закалке никелевые сплавы нагреваются на 1070-1090 °С, аустенитные стали на 1100-1300 °С в зависимости от состава и назначения. Выдержка может достигать нескольких часов в зависимости от типа сплава, назначения изделия, способа нагрева и т. д. Охлаждающие среды также выбираются различные: вода, масло или воздух.

Старение закаленных сплавов проводится при температурах, близких к рабочим. В большом числе случаев жаропрочные сплавы выдерживаются для старения при температуре 700-800 °С в течении 6-16 часов.

Легирующие примеси по их числу и по процентному содержанию в сплаве подбираются с таким расчетом, чтобы в процессе нагрева получить предельно насыщенный многокомпонентный твердый раствор.

После закалки такой твердый раствор окажется пересыщенным и неустойчивым, вследствие чего будет стремиться выделить растворенные упрочняющие фазы. При старении процесс распада протекает в такой степени, что упрочняющие фазы успевают выделиться по телу зерна и по его границам в виде огромного числа тончайших кристаллических образований субмикроскопического размера. Обладая собственной кристаллической решеткой, фазы-упрочнители в указанном состоянии еще не обособляются от основной решетки твердого раствора и находятся с ней в когерентной связи.

Наличие когерентной связи говорит о сильных искажениях в пространственных решетках твердого раствора и выделяющихся фаз, затрудняющих пластическую деформацию при высоких температурах и повышающих жаропрочность. Искаженная пространственная решетка зерна и его границ затрудняет диффузию, способствует длительному сохранению микроструктуры сплава и удлиняет сроки сохранения им стабильной жаропрочности.

Длительное старение при повышенной температуре может привести к выделению видимых в микроскоп частиц второй фазы, что обычно свидетельствует о значительном разупрочнении сплава. На рис. 3 приведены микрофотографии аустенитной жаропрочной стали, подвергнутой длительному старению при относительно высокой температуре 800 °С. Выделившиеся при этом частицы второй фазы не видны при увеличении 100 И хорошо различимы при увеличении 1000.

Читайте так же:
В таблице он после свинца

Упрочнение в литых сплавах связано с самой природой последних. Дендритная ликвация, присущая твердому раствору литого сплава при кристаллизации, приводит к выделению упрочняющих фаз в междендритных зонах уже в процессе охлаждения отливки. При этом частицы упрочняющих фаз, располагаясь по границам зерен, образуют в пространстве конструкцию скелетного типа, пронизывающую всю поликристальную массу твердого раствора. Эта пространственная конструкция принимает на себя нагрузки и, обладая высокой прочностью и стабильностью при высоких температурах, сообщает литому сплаву хорошую жаропрочность. Литые сплавы при высоком пределе длительной прочности обладают обычно малой пластичностью. Гомогенизирующая термическая обработка способна улучшить пластичность литых сплавов.

Микроструктура хромоникелевой аустенитной стали.

Рис. 3. Микроструктура хромоникелевой аустенитной стали для дисков турбин после длительного старения при 800°С

Никакой другой обработке (закалка и старение) литые сплавы обычно не подвергаются.

Физические свойства жаропрочных сталей и сплавов характеризуются плотностью, коэффициентом линейного расширения, теплопроводностью и др.

Плотность аустенитных сталей колеблется в пределах 7,8-8,1 г/см 3 . Плотность аустенитных никелевых сплавов 8,2-8,5 г/см 3 , кобальтовых сплавов 9,0-9,2 г1см 3 . Теплопроводность аустенитных сплавов очень мала. Если у А1 коэффициент теплопроводности Х = 0,40 кал/см-сек-град, то у аустенитных сталей = 0,06, а у никелевых сплавов Х = 0,04 кал/см-сек-град, т. е. в 10 раз хуже, чем у алюминия.

Жаропрочные стали и сплавы из высоколегированного металла

Способы и виды термической обработки стали

Развитие новых промышленных технологий, ракетной техники, сложного турбинного оборудования в середине пятидесятых годов прошлого века, повлекло за собой модернизацию металлургической отрасли в целом. В отдельное направление выделились работы по созданию жаропрочных сплавов. С течением времени они нашли применение в атомном машиностроении, энергетике, химической промышленности и заняли место в цепочке высокотехнологических производств.

Жаропрочные и жаростойкие материалы

Жаропрочные и жаростойкие сплавы — это большая группа легированных материалов с присадками молибдена, титана, хрома и ряда других элементов. Все эти сплавы изготавливаются на железной, никелевой и кобальтовой основах. Их главной особенностью является сохранение повышенной прочности при высоких температурах.

Основные типы

Поковка металлическая круглая

Наиболее распространены сплавы на основе железа. Это хромистые, хромоникелевые, а также хромомарганцевые стали с молибденовыми, титановыми и вольфрамовыми присадками. Также производят сплавы с такими легирующими элементами, как алюминий, ниобий, ванадий, бор, но в меньших количествах.

В большинстве случаев процент добавления присадок в сталь достигает от 15 до 50%

Вторая, весьма востребованная группа — сплавы на никелевой основе. В качестве присадки используется хром. Жаропрочность также повышают добавки титана, церия, кальция, бора и сходных по составу элементов. В отдельных технологических комплексах востребованы сплавы на основе никеля с молибденом.

К третьей группе относятся термостойкие сплавы на кобальтовой основе. Легирующими элементами для них служат углерод, вольфрам, ниобий, молибден.

В металлургии существует целый ряд материалов, который используется при легировании сталей:

  • хром,
  • никель,
  • молибден,
  • ванадий,
  • ниобий,
  • титан,
  • марганец,
  • Вольфрам.
  • кремний,
  • тантал,
  • алюминий,
  • медь,
  • бор,
  • кобальт,
  • цирконий.

Широко используются редкоземельные элементы.

Химический состав

Жаропрочная сталь 20Х23Н18

Определение химического состава жаростойких материалов — сложный процесс. Необходимо учитывать не только основные легирующие элементы, но и то, что попадает в продукцию как примеси или остаётся в результате химических реакций, протекающих во время плавки.

Специально добавленные легирующие элементы вводятся для получения необходимых технологических, физических и механических свойств. А примеси и образовавшиеся при плавке химические элементы могут ухудшать свойства высоколегированного металла.

Для хромоникелевых сплавов и огнеупорных материалов на основе кобальта опасно присутствие серы более 0,005%, следов олова, свинца, сурьмы и других легкоплавких металлов.

Структура и свойства

Перспективные жаропрочные сплавы и стали, прогрессивные Комплексные жаростойкое и теплозащитное покрытия для защиты

Жаропрочность определяется не только химическим составом металлов, но и формой, в которой примеси находятся в сплаве. Например, сера в виде сульфидов никеля снижает температуру плавления. А та же сера, соединённая с цирконием, церием, магнием образует тугоплавкие структуры. Большое влияние на жаропрочность оказывает чистота никеля или хрома. Однако следует учитывать, что свойства сплавов варьируются в зависимости от применяемой технологии.

Главное свойство, по которому определяют жаростойкость материала — ползучесть. Это явление постоянной деформации под непрерывным напряжением. Сопротивляемость материала разрушению под действием температуры

Классификация сплавов

Первый параметр классификации сплавов — это жаропрочность, то есть способность материала выдерживать механические деформации при высоких температурах, без деформации.

Во-вторых, это жаростойкость (окалиностойкость). Способность материала противостоять газовой коррозии при высоких температурах. При описании процессов до шестисот градусов Цельсия используется термин «теплоустойчивость».

Сварка двухслойной (высоколегированной коррозионно-стойкой и низкоуглеродистой) сталей

Одной из основных характеристик является предел ползучести. Это напряжение, при котором деформация материала за определённый период достигает заданной величины. Время деформации является сроком службы детали или конструкции.

Для каждого материала установлена максимальная величина пластической деформации. К примеру, у лопаток паровых турбин эти деформации должны быть не больше 1% за 10 лет. Лопатки газовых турбин — не больше 1−2% за 500 часов. Трубы паровых котлов, работающих под давлением не должны деформироваться больше чем на 1% за 100 000 часов работы.

Читайте так же:
Как проверить конденсатор цешкой

По способу получения материала жаропрочные марки классифицируют следующим образом.

  1. Хромистые стали мартенситного класса: Х5, Х5М, Х5ВФ, 1Х8ВФ, 4Х8С2,1Х12Н2ВМФ.
  2. Хромистые стали мартенситно-ферритного класса: Х6СЮ, 1Х11МФ, 1Х12ВНМФ, 15Х12ВМФ, 18Х11МФБ, 1Х12В2МФ.
  3. Хромистые стали ферритного класса:1х12СЮ, 0Х13, Х14, Х17, Х18СЮ, Х25Е, Х28.
  4. Стали аустенито-мартенситного и аустенито-ферритного класса: 2Х13Н4Г9, Х15Н9Ю, Х17Н7Ю, 2Х17Н2, 0Х20Н14С2, Х20Н14С2.
  5. Стали аустенитного класса: 0Х18Н10, 0Х18Н11, 1Х18Н9, 0Х18Н12Т, 1Х18Н12Т.

Маркировка сталей разнится по ГОСТам и техническим условиям. В вышеприведённом списке применяется классификация ГОСТ 5632–61 , в которой легко проследить наличие легирующего элемента по буквам. Х — хром, В — ванадий, М — молибден. Например, шифр 09Г2С означает, что в сплаве присутствует 0,09% углерода, 2% марганца и кремний, которого меньше 1%. Цифра впереди показывает содержание углерода (без цифры — до одного процента). Цифра после буквы показывает содержание определённого легирующего элемента в процентах. При содержании какого-либо элемента менее одного процента цифры не ставятся.

Ещё одним нормативным документом служит ГОСТ 5632–61 , с применением специальных обозначений. Для того чтобы быстро соотносить разные ГОСТы и Технические Условия можно воспользоваться соответствующим справочником или сортаментом отдельных выпусков.

По ГОСТ 5632–61 сплавы классифицируются следющим образом:

    Стали аустенитного класса с высоким содержание хрома: ЭИ813 (1Х25Н25ТР), ЭИ835, ЭИ417.
  1. Стали с карбидным уплотнением: ЭИ69, ЭИ481, ЭИ590, ЭИ388, ЭИ572.
  2. Стали сложнолегированные повышенной жаропрочности аустенитного класса: ЭИ694Р, ЭИ695, ЭП17, ЭИ726, ЭИ680, ЭП184.
  3. Стали с интерметаллидным упрочнением аустенитного класса: ЭИ696, ЭП33, ЭИ786, ЭИ 612, ЭИ787, ЭП192, ЭП105, ЭП284.

За рубежом применяется своя классификация материалов. Например, AISI 309, AISI 310S.

Технология и применение

По структуре и способу получения специальные стали подразделяются на следующие: аустенитные, мартенситные, перлитные, мартенсито-ферритные. Мартенситные и аустенитные стали применяются, если температура достигает 450−700 о С и по объёму плавки занимают первое место.

С повышением температуры до 700−1000 о С используются никелевые сплавы, при ещё более высоких температурах необходимо включать в технологический процесс кобальтовые сплавы, графит, тугоплавкие металлы и термическую керамику.

Аустенитные — самые жаропрочные стали, которые используются, если температура среды достигает 600 о С. Основа легирования — хром и никель. Присадки Ti, Nb, Cr, Mo, W, Al.

Стали мартенситного класса предназначены для производства изделий, работающих при температуре в диапазоне 450−600 о С. Повышенная жаропрочность у мартенситных сталей достигается уменьшением (до 0.10−0.15%) содержания углерода и легированием хромом 10−12%, молибденом, ниобием, вольфрамом, либо средним (0,4%) содержанием углерода и легированием кремнием (до 2−3%) и хромом (в пределах 5−10%).

Применение специальных сталей и сплавов узконаправленное и наиболее эффективно в сложных областях производства. К примеру, жаропрочные стали марки 30Х12Н7С2 и 30Х13Н7С2С нашли широкое применение в современном двигателестроении. Марки 15ХМ и 12Х12ВНМФ — в производстве котлов и сосудов под давлением. Марка стали ХН70ВМТЮ идёт на производство лопаток газовых турбин, а 08Х17Т используется при изготовлении топочных элементов печей. К жаропрочным также относится нержавеющая сталь.

Марки нержавеющей стали

Прежде всего это ЭИ417 или 20Х23Н18 по ГОСТ 5632–61 . Аналог западноевропейских и американских производителей — известная AISI 310. Аустенитная сталь, изделия из которой востребованы для работы в среде с температурой, достигающей 1000 °C.

20Х25Н20С2, она же ЭИ283 — аустенитный сплав, устойчивый к температурам в 1200 о С и выше.

Низкоуглеродистые сплавы с содержанием хрома от 4 до 20% используется для производства листовой нержавеющей стали. Жаропрочная нержавейка по сортаменту выпускается холоднокатаной и горячекатаной, толстолистовой и тонколистовой.

Достоинства и недостатки

Кузнечно-прессовая поковка

Свойства жаропрочных сталей делают незаменимым этот материал в таких сферах, как ракетостроение и космическая отрасль, сложное двигателестроение, авиапромышленность, производство ключевых элементов газовых турбин и многих других. Их доля в прокате высокотехнологичной стали достигает 50%. Некоторые сплавы способны работать при температуре свыше 7000° С.

Этот сложный в производстве материал, изготовление которого невозможно без специального оборудования и квалифицированного персонала, имеет высокую себестоимость. Использование подобных сталей не может быть универсальным, поэтому для его эффективного применения необходимо наличие развитой научно-технической базы.

Сталь жаропрочная

Жаропрочной называется сталь, которая не деформируется и не разрушается при высоких рабочих температурах. Ее создателями являются немецкие инженеры-металлурги Г.Бандель и К.Гебхардт, работавшие в исследовательском отделении военно-промышленного концерна Круппа. Свое детище они назвали Tinidur (тинидур) – по первым буквам слов «титан», «никель», «прочный».

Жаропрочная сталь была разработана учеными в 1936-м году, и уже в 1937-м году было решено изготавливать из нее теплонапряженные узлы для Хейнкеля Не-178 — первого в мире турбореактивного самолета. Однако, несмотря на успешные испытания, он не произвел должного эффекта, может потому, что крылья у него были деревянными.

Читайте так же:
Как проверить силовой транзистор мультиметром

Впоследствии жаропрочной сталью заинтересовалась авиастроительная компания «Юнкерс», которая на исходе Второй мировой войны использовала ее в производстве двигателей перехватчика Мессершмидт Ме 262. Это был первый в мире реактивный самолет, участвовавший в боевых действиях. Но он оказался очень уязвимым на взлете и при посадке. Однако жаропрочная сталь продемонстрировала свой потенциал, который в послевоенные годы стал использоваться во всем мире не только в авиационной, но и ракетно-космической технике, энергетическом машиностроении и других отраслях промышленности.

Производство жаропрочной стали

Сталь по своей сути является сплавом железа, углерода и легирующих добавок, то есть тех, которые придают ей определенные свойства. В частности жаропрочность обеспечивается в основном благодаря хрому и никелю, свою лепту вносят и другие металлы.

Жаропрочные стали разнятся своими свойствами, соответственно имеют и различные области применения, в связи с чем, классифицируются по трем группам: высоколегированные, низколегированные и релаксационные.

Из высоколегированной жаропрочной стали изготавливаются детали, предназначенные для длительной работы в условиях температур до 600°C. Эта сталь характеризуется великолепной ударной вязкостью (поглощением механической энергии) и низкой ползучестью (непрерывной деформацией). Ее особенность в повышенном содержании никеля, хрома и молибдена в сравнении с другими сталями.

Низколегированная жаропрочная сталь применяется для деталей, используемых при температурных режимах до 450°C. В ее составе хромовые и молибденовые добавки, благодаря которым сталь получает повышенную износостойкость.

Релаксационную сталь используют для изготовления деталей, используемых в работе с температурами до 500°C. Она характеризуется большим содержанием углерода, поэтому отличается от других наиболее низкой ползучестью, а кристаллическая решетка имеет высокую упругость.

В целом триаде свойственны длительная прочность, термо- и износостойкость, а также медленная ползучесть. Это основные качества жаропрочных сталей.

Для производства жаропрочных сталей используются особые технологии с предварительной термической обработкой, легированием хромом и применением молибденовых, никелевых, титановых и других элементов. Хром отвечает за жаростойкость и сводит на нет коррозию, никель позволяет добиться высочайшей свариваемости стали, молибден способствует высокой температуре рекристаллизации, а титан в небольшом количестве улучшает длительную прочность, а в большом соотношении — эластичность.

Жаропрочные стали обрабатываются с помощью

  • кобальто-вольфрамовых резцов на токарно-винторезных станках;
  • ковки; ;
  • прессовки;
  • шлифовки;
  • прецизионного литья;
  • полировки;

Наиболее распространенными технологиями сварки является сварка с помощью электродов и трения, а также диффузионная сварка.

Марки жаропрочных сталей для печей

Аустенитные жаропрочные стали склонны к горячим трещинам при сварке и к охрупчиванию сварных конструкций. Поэтому при сварке, особенно изделий, работающих при температуре до 600 °С, применяют материалы, обеспечивающие присутствие в металле шва 1 . 2 % ферритной фазы. Это условие выполняется при сварке электродами ЦТ-26, ЦТ-16, ЦТ-7, КТИ-5. Для конструкций из жаропрочных сталей, длительно работающих при температуре 700. 750 °С, применяют электроды КТИ-7, ОЗЛ-9А. Для сохранения легирующих элементов в швах ответственных конструкций применяют инертные защитные газы и безокислительные галоидные флюсы ФЦ-17, АНФ-5. Присадочную проволоку в сварочную ванну лучше вводить в твердом состоянии, минуя столб дуги и капельный перенос. Проволока должна вводиться в хвостовую часть ванны в точку, отстоящую от оси дуги не менее чем на одну треть длины ванны.

При выборе режима сварки главная проблема — предотвращение горячих трещин в металле шва и в ЗТВ. Наиболее эффективно регулирование скорости сварки, которая может быть уменьшена до 6 м/ч. Повысить стойкость швов против горячих трещин и улучшить механические свойства сварного шва можно внешними технологическими воздействиями: перемешиванием сварочной ванны путем механического или электромагнитного воздействия, интенсивным охлаждением сварочной ванны подачей в нее твердого присадочного материала или струи воды.

К аустенитным коррозионно-стойким относят хромоникелевые стали типа 18-10 (содержащие 18 % Сг и 10 % Ni), хромомарганцевые, хромо-марганцево-никелевые, хромоникелемолибденовые и высококремнистые стали. Наиболее распространена сталь 18-10, поскольку высокое содержание в ней хрома и никеля обеспечивает коррозионную стойкость в сочетании с жаростойкостью.

Аустенитные стали обладают повышенной склонностью к образованию горячих трещин, аустенитные швы на них имеют пониженную коррозионную стойкость, поэтому электроды и присадочную проволоку выбирают такой, чтобы по химическому составу металл шва отличался от свариваемого материала. Для сварки сталей типа 18-10 применяют электроды (ГОСТ 10082-85) типа ОЗЛ-8 (Э-07Х20Н9), для аргонодуговой сварки — проволоку типа Св 06Х19Н9Т, Св 08Х20Н9Г7Т (ГОСТ 2246-70), для дуговой сварки под флюсом флюсы АН-26, АН-45 и проволоку Св 06X19Н09, Св 08Х20Н9Г7Т, для дуговой сварки в С02 — проволоку Св 08Х20Н9Г7Т.

При сварке аустенитных сталей толщиной более 14. 16 мм устойчивость против трещин достигается легированием швов Mn, Mo, Ni и исключением из них Ti, Nb и А1. Можно использовать многослойные композитные швы: обращенную в сторону агрессивной среды часть шва выполнять материалами, обеспечивающими химический состав металла шва, более близкий к свариваемому металлу.

Читайте так же:
Выпрямитель для автомобильного аккумулятора

Аустенитные стали имеют пониженную температуру плавления, низкую теплопроводность, высокий коэффициент линейного расширения. Недостаток аустенитных сталей — склонность к межкристаллитной коррозии. Коррозионную стойкость сталям придает хром. Но при температуре 500. 700 °С (температура провоцирующего отжига) интенсивно образуются карбиды хрома типа Сг23С6, выпадающие по границам зерен металла, которые обедняются хромом и теряют коррозионную стойкость. При контакте с коррозионной средой границы зерен начинают разрушаться, хотя зерна остаются коррозионно-стойкими. В процессе сварки металл шва и околошовная зоsystem-pagebreakн /p /tdа могут находиться при температуре провоцирующего отжига достаточно долго, чтобы успели выделиться карбиды хрома. Тогда вдоль шва с обеих сторон образуются узкие полосы с низкой коррозионной стойкостью

(ножевая коррозия). Может также потерять коррозионную стойкость металл шва.

Учитывая все эти особенности, при выборе режима сварки нужно стремиться к увеличению скорости нагрева и охлаждения металла. В частности, при дуговой сварке силу тока снижают на 10. 30 % по сравнению со сваркой углеродистых сталей, повышают скорость сварки, накладывая узкий «ниточный» шов, применяют принудительное охлаждение.

К аустенитно-ферритным коррозионно-стойким относятся стали, в которых содержание хрома в 1,5. 4 раза превышает содержание никеля. Это, например, стали 08Х22Н6Т, 12Х22Н6Т, 03Х23Н6, 20Х23Н13. Эти стали имеют высокие пределы прочности и текучести, хорошую коррозионную стойкость и хорошо свариваются. При изготовлении из них, например, сварной химической аппаратуры можно уменьшить расход металла за счет уменьшения толщины листа.

Эти стали можно сваривать ручной и механизированной дуговой сваркой, а также другими способами, причем предпочтительны способы сварки с невысокой погонной энергией. Техника выбора режима такая же, как и для других коррозионн![CDATA[ // ]]остойких сталей. Благодаря высокому содержанию феррита швы обладают достаточной стойкостью против горячих трещин. При сварке плавлением используют электроды ЦЛ-11, ОЗЛ-7, ЦТ-15-1, НЖ-13, АНВ-36, проволоку Св 08Х21Н7ВТ, Св 03X21 Н10АГ5,( флюсы АН-26, АИК-45МУ. При сварке деталей с толщиной кромок 16. 20 мм рекомендуется обрабатывать границы шва с основным материалом сварочной дугой, горящей в аргоне с неплавящегося электрода. Такой местный нагрев с малой погонной энергией обеспечивает мелкозернистую ферритную структуру с аустенитными прослойками по границам зерен. Это повышает пластичность и коррозионную стойкость.

Мартенситно-стареющими называют стали, увеличивающие прочность в результате структурных превращений (старения), происходящих во время выдержки этих сталей при температуре 300. 400 °С. Они содержат 18. 25 % никеля и 7. 10 % кобальта с добавками молибдена, титана и алюминия, например стали Н18К9М5Т, Н18К8М5ТЮ. Другая система легирования основана на сочетании никеля (5. 10 %) с хромом (10. 13 %) с добавками молибдена, титана и алюминия или кобальта и вольфрама, что обеспечивает прочность после старения до 1570 МПа (160 кгс/мм2). Пример таких сталей: Х12Н10М2ТЮ, Х12Н9К4МВТ. Из-за относительно высокой стоимости мартенситно-стареющие

стали применяют в конструкциях, требующих повышения удельной прочности металла при низкой чувствительности к надрезам и трещи ноподобным дефектам. Это, например, корпуса двигателей, сосуды высокого давления, изделия криогенного назначения. Перспективно использование этих сталей для износостойкой наплавки.

Мартенситно-стареющие стали хорошо свариваются всеми способами сварки. Они мало чувствительны к образованию холодных и горячих трещин, обеспечивают высокие механические свойства сварных соединений. Технология сварки проста и надежна. Сваривать можно без подогрева и без последующего отпуска, обеспечивая нужные свойства операцией старения. Чаще всего применяют электронно-лучевую и дуговую сварку в аргоне с неплавящимся электродом и с присадочной проволокой близкого к основному металлу состава. Применяют импульсную дугу, колебания электрода поперек стыка деталей. Большие толщины сваривают в щелевую разделку (устанавливая между кромками деталей зазор, в который вводят электрод). Все это обеспечивает мелкозернистую структуру металла шва и близкие к основному металлу механические свойства.

1. Какие стали относятся к теплоустойчивым?

2. Где применяют теплоустойчивые стали?

3. Что осложняет сварку теплоустойчивых сталей?

4. Какое средство предотвращения холодных трещин в сварных соединениях из теплоустойчивых сталей наиболее надежно?

5. Зачем нужен предварительный или сопутствующий сварке подогрев теплоустойчивых сталей?

6. Зачем нужен отпуск сварных соединений из теплоустойчивых сталей?

7. Какие электроды используются для ручной дуговой сварки теплоустойчивых сталей?

8. Почему рекомендуется сваривать теплоустойчивые стали предельно короткой дугой?

9. Когда используется аргонодуговая сварка при изготовлении сварных конструкций из теплоустойчивых сталей?

10. Почему сварку под слоем флюса теплоустойчивых сталей рекомендуется проводить на повышенных скоростях?

11. Какие стали называют высоколегированными?

12. Где применяются высоколегированные стали?

13. Чем усложняется технология сварки мартенситных сталей?

14. Какие электроды применяют для ручной дуговой сварки мартенситных сталей?

15. Допускается ли разрыв во времени между сваркой мартенситных сталей и их последующей термообработкой?

16. Какие стали относятся к мартенситно-ферритным?

17. Почему с точки зрения свариваемости мартенситно-ферритные стали являются «неудобным» материалом?

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector