Жаропрочные и жаростойкие виды стали: марки, состав

Основные сведения

Жаропрочные металлические материалы отечественного производства выпускаются в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 5632-2014. Их состав характеризуется следующими особенностями:

1. Более высоким процентным содержанием углерода.
2. Обязательным наличием тугоплавких металлов – молибдена, вольфрама, церия, титана. Имеется также никель, предохраняющий поверхность от высокотемпературного окисления.
3. Присутствием в связанных формах таких неметаллов как кремний и азот.
4. Достаточно высоким процентным содержанием алюминия, который необходим для успешного раскисления.

Гораздо реже в химический состав жаропрочных сплавов (главным образом, специального назначения) включают медь, кобальт и бор. Продукция от зарубежного производителя должна отвечать нормам 1.4541 DIN.

При выполнении описанных условий материалы сохраняют свою стойкость (в том числе, коррозионную) и прочность при повышенных температурах. Очень важны критерии усталостной прочности/сопротивления ползучести при высоких температурах. В отличие от обычных конструкционных материалов, повышенное внимание уделяется напряжениям, возникающим из-за высоких температур эксплуатации.

В зарубежной производственной практике эти условия объединяются общим понятием затрат на жизненный цикл (LCC).

При определении уровня эксплуатационных характеристик полученных после выплавки, учитываются также:

• Устойчивость к образованию накипи за счет создания оксидного слоя;
• Снижение хрупкости, усложняющей последующую механическую обработку;
• Независимость характеристик от условий нагрева.
• Способ нагрева поверхности детали, которая изготовлена из жаропрочной стали, не устанавливается.

Химический состав

ГОСТ 5632-2014 включает марки не только жаропрочных сплавов и сталей, но и жаростойких. Различие между ними заключается в том, что во втором случае преобладающее значение имеет устойчивость против высокотемпературного окисления, в то время, как первые должны дополнительно обладать повышенной механической прочностью.

Ограничения химического состава, независимо от способа их получения, включают:

1. Углерод, % - от 0,02 до 1,2.
2. Марганец, % – от 0,5 до 10.
3. Кремний, % - от 0,15 до 2,0.
4. Хром, % - от 10 до 30.
5. Никель, % - от 0,5 до 30.

Остальные химические элементы добавляются несистемно, в зависимости от предназначения продукции. Состав тех или иных химических элементов определяет структуру стали и уровень эксплуатационных показателей.

От постоянных составляющих следует отличать металлургические примеси, уровень которых зависит от способа получения материала. Таким образом устанавливается фактический процент вольфрама, меди, алюминия, титана, циркония, а из неметаллов – серы, азота и фосфора.

Некоторые марки выплавляются отдельными металлургическими предприятиями по собственным ТУ, поэтому имеют индивидуальную маркировку и химический состав. Так, жаропрочные сплавы с начальной буквой Д в названии, относятся к продукции, которая производится заводом «Днепроспецсталь» (Украина), если начальная буква Э – то предприятием «Электросталь» (Россия) и т.д. Тот же принцип соблюдается и для продукции, находящейся на стадии экспериментальной отработки.

Структура и свойства

Жаропрочные стали используются в самых разных условиях эксплуатации, которые включают нагревание и коррозию при статических и динамических нагрузках. Материалу, используемому при повышенных температурах, необходимы три важных свойства:

1. Устойчивость к окислению и образованию накипи.
2. Сохранение прочности при рабочей температуре.
3. Структурная стабильность в отношении выделения карбидов, сфероидизации, образования так называемых сигма-фаз и отпускного охрупчивания

В конкретных приложениях важными оказываются и другие свойства. Например, при изготовлении печей особое внимание уделяется показателям удельного сопротивления и значениям коэффициента температурного расширения, термической диффузии газов. В сталях, которые используются для производства деталей газовых турбин, необходимо учитывать также такие дополнительные характеристики, как;

• Внутренняя демпфирующая способность;
• Усталостная прочность;
• Чувствительность к надрезам;
• Ударная вязкость (горячая и холодная);
• Способность к сварке.

Обычно окалина, образующаяся на железе, пористая и неплотно прилегает к основной поверхности, но она становится более плотной, когда при выплавке добавляется хром, кремний и алюминий – эти химические элементы характеризуются повышенным сродством к соединению с кислородом, причём прохождение данных реакций быстро подавляется образованием инертных оксидных плёнок.

За счет чего достигается жаропрочность?

Стойкость низкоуглеродистых жаропрочных сталей к высокотемпературному окислению значительно повышается, если на поверхности формируется поверхностная плёнка, состоящая из сплава алюминия и железа. Для этого материал нагревают до 1000°C в контакте с порошкообразным алюминием (способ калорирования) или напыляют алюминий на стальную поверхность (способ алюминирования).

Сопротивление высокотемпературной ползучести может быть достигнуто двумя способами:

• Повышением температуры размягчения раствором легирующих элементов;
• Использованием режима дисперсионного твердения.

Процесс дисперсионного твердения протекает в две фазы, причём вторая фаза твердения критически зависит от степени и однородности достигнутой дисперсии, а скорость ползучести связана с критическим диапазоном расстояния между частицами. При дисперсионном твердении крайне важно обеспечить контролируемую степень деформационного упрочнения в соответствующих диапазонах температур.

Особенно эффективным считается способ вакуумной плавки, при котором:

• Раскислители и частицы на границе кристаллов оказывают более заметное влияние на свойства ползучести;
• Возможно использовать такие сочетания элементов, которые невозможно плавить обычными методами;
• Улучшается пластичность слитка в поперечном направлении.

Роль различных элементов-добавок к жаропрочным сталям или сплавам:

• Кобальт, вольфрам и молибден обеспечивают стабилизацию процесса отпуска;
• Наличие кремния и хрома повышает точку Ac;
• При увеличении процента никеля высокотемпературная стойкость падает, особенно, если деталь контактирует с газами, содержащими диоксид серы или другие её соединения.
• В высокохромистых сталях карбиды сливаются в крупные частицы, которые в меньшей степени препятствуют росту зёрен феррита при температурах выше 700° C. Чрезмерный рост зерна еще больше снижает ударную вязкость.

Указанные особенности определяют последовательность переходов выплавки рассматриваемых сталей.

Классификация жаростойких металлов и сплавов

Может выполняться по степени насыщенности состава легирующими элементами. В соответствии с этим жаропрочные/жаростойкие стали могут быть низко-, средне- и высоколегированными. Однако более содержательной является классификация по микроструктуре, согласно которой различают стали следующих классов:

• Аустенитного;
• Аустенитно-ферритного;
• Мартенситного;
• Перлитного;
• Ферритного;
• Мартенситно-ферритного.

Некоторые особенности этих видов рассматриваются далее.

Аустенитный класс

Высоколегированные аустенитные стали представляют собой наиболее многочисленную группу, поскольку легче всего поддаются плавке. Содержат значительный процент хрома и никеля и не затвердевают при воздушном охлаждении. При температуре нагрева выше 1000°C характеризуются минимальным ростом зерна. Однако никаких производственных проблем не возникает, поскольку продукт остаётся прочными пластичными даже в крупнозернистом состоянии.

При нагревании в диапазоне 500…900°C аустенитные стали выделяют карбиды по границам аустенита, в результате (при постоянном наличии растягивающих напряжений в этом диапазоне температур) могут развиваться межкристаллические трещины. При определенных составах аустенитные стали могут становиться хрупкими из-за образования сигма-фазы. Хорошо поддаются сварке.

Аустенитно-ферритный класс

Такие стали часто называют дуплексными. Каждая из марок производится ​​на основе железа и легируется не менее 10,5% хрома, что придает металлу высокую коррозионную стойкость.

Любой дуплексный нержавеющий сплав представляет собой комбинацию аустенита и феррита, поэтому он характеризуется смешанными физико-механическими характеристиками этих двух марок. Степень легирования – средняя. На профильном рынке доля дуплексных сталей невелика, и не превышает 2…3 %.

Мартенситный класс

Главная особенность мартенситных марок – чрезвычайно высокая твёрдость и прочность при комнатных температурах. Марки с дисперсионным твердением обладают хорошей формуемостью при комнатной температуре и могут достигать (после термообработки) прочности 1800 МПа, при сохранении должной коррозионной стойкости.

Стали мартенситного класса применяются при изготовлении высоконагруженных узлов и деталей, однако их выплавка затруднена, поскольку после прокатки обязательно требуется отжиг.

В составе присутствует преимущественно хром, а прочие легирующие добавки – никель, хром, молибден или ванадий, имеются в весьма ограниченном количестве.

Перлитный класс

Ферритный класс

Жаропрочные стали ферритного класса немагнитны. Удовлетворительно работают при эксплуатационных температурах до 850…950⁰С. При превышении этого диапазона механическая прочность заметно снижается.

Стали данного класса характеризуются повышенной обрабатываемостью, поскольку пластичны, и имеют высокую ударную вязкость, сохраняющуюся при повышенных температурах.

Основной легирующий элемент – хром, имеется также небольшое количество титана, никеля и алюминия.

Мартенситно-ферритный класс

Наряду с мартенситом содержат некоторое количество зёрен феррита. По показателям жаропрочности (до 600⁰С) занимают промежуточное положение между сталями мартенситного и ферритного классов. Из легирующих добавок в химическом составе отмечается до 10…13 % хрома, остальное – железо, ванадий, вольфрам, ниобий, молибден и никель.

Сферы применения

Жаропрочный металл широко востребован для изготовления промышленного оборудования следующих отраслей:

1. Керамическая промышленность;
2. Стекольная промышленность;
3. Химическая и нефтехимическая промышленность;
4. Пищевая промышленность;
5. Котлостроение и энергетика;
6. Приборостроение;
7. Целлюлозно-бумажные производства.

Типовыми деталями являются печи для термообработки, мощные теплообменники, выхлопные системы автомобилей и т.п.