Жаропрочные стали и сплавы. Стали и сплавы

Материаловедение. Занятие №20.

 с особыми физическими свойствами.

Прежде чем говорить о свойствах и применении жаропрочных сталей и сплавов, дадим определения терминам «жаростойкость» и «жаропрочность».

Жаростойкость (окалиностойкость) – это устойчивость металлов и их сплавов к газовой коррозии в условиях повышенной температуры.

Жаропрочность – это устойчивость металлов и их сплавов к пластической деформации при механических нагрузках в условиях повышенной температуры.

Жаростойкие сплавы применяются при изготовлении ненагруженных конструкций, таких как элементы нагревательных печей, эксплуатируемых в условиях газовой окислительной среды при температуре порядка +550 ºC. При температуре свыше +550 ºC сплавы на основе железа активно окисляются, что приводит к формированию оксида железа на поверхности. Таким образом появляется окалина хрупкого типа.

Жаростойкость стали увеличивают введением в состав сплава легирующих добавок ― кремния, хрома, алюминия. Эти элементы, в отличие от железа, под воздействием кислорода образуют соединения с плотными кристаллическими решетками.

Сплавы на основе никеля (сильхромы) обладают максимальной жаростойкостью. К ним относят такие марки, как:

· 36Х18Н25С2;

· 15Х25Т;

· 08Х17Т;

· 15Х6СЮ.

Жаростойкость стали и сплава зависит от количества хрома в них – чем его больше, тем выше жаростойкость. Что касается температурных пределов, то необходимо отметить, что некоторые марки стали работают без ухудшения своих начальных свойств даже при температурах около +1150 °С.

Жаропрочные стали используются при производстве изделий, при условиях «ползучести» и при повышенных температурах. Ползучестью называют склонность металлов или их сплавов к медленной пластической деформации при постоянных температурах и нагрузке. Она может быть двух видов:

· длительной;

· кратковременной.

Жаростойкие и жаропрочные марки сталей классифицируют следующим образом.

По состоянию структуры:

· мартенситно-ферритные;

· перлитные;

· аустенитные;

· мартенситные.

При этом жаростойкие сплавы дополнительно подразделяют на:

· аустенитно-ферритные или мартенситные;

· ферритные.

Таблица 1. Некоторые марки мартенситных сталей и их применение.

Марки стали	Применение
3Х13Н7С2, 4Х9С2	Эксплуатируются при температурах 850–950 ºC, применяются при изготовлении клапанов автодвигателей
Х5М, 1Х12H2ВМФ, 1Х8ВФ, Х6СМ, Х5ВФ	Эксплуатируются при температурах от 500 до 600 ºC, применяются при изготовлении узлов и разнообразных деталей, работающих в течение 1000–10000 часов
Х5	Эксплуатируются при температурах не более 650 ºC, применяются при изготовлении труб.
1Х8ВФ	Эксплуатируются при температурах при температуре до 500 ºC, применяются при изготовлении компонентов паровых турбин, функционируют без потери свойств в течение 10000 часов и более

Мартенситные стали получают из перлитных путем добавления большего количества хрома, закалки при температурах 950–1100 ºC и последующем отпуске стали. К перлитным маркам стали относят такие жаростойкие и жаропрочные стали хромомолибденового и хромокремнистого состава, как:

· Х13Н7С2;

· Х7СМ;

· Х9С2;

· Х10С2М;

· Х6СМ;

· Х6С.

Жаростойкие ферритные стали проходят процедуру отжига и термообработки, после которых их структура становится мелкозернистой. В составе таких сталей содержится от 25 до 33 % хрома. Жаростойкие ферритные стали используются при изготовлении пиролизного оборудования и теплообменников.

К жаростойким ферритным сталям относят такие марки, как:

· Х28;

· Х18СЮ;

· Х17;

· Х25Т;

· 0Х17Т;

· 1Х12СЮ.

Мартенситно-ферритные стали в качестве легирующих добавок содержат молибден, вольфрам, ванадий. Содержание хрома в составе мартенситно-ферритных сталей, значительно меньше, чем в ферритных – от 10 до 14 %. Мартенситно-ферритные стали используются при производстве машиностроительных деталей, длительное время эксплуатируемых при температуре около 600 ºC. К мартенситно-ферритным сталям относятся такие марки, как:

· 1Х13;

· 1Х12В2МФ;

· 1Х12ВНМФ;

· Х6СЮ;

· 2Х12ВМБФР;

· 1Х11МФ.

Жаростойкие аустенитные стали наиболее востребованы в промышленности. Содержание углерода в таких сталях очень незначительно. Структура жаростойких аустенитных сталей обеспечивается наличием никеля в химическом составе, а жаростойкость – наличием хрома. Кроме того, в состав этих сталей в качестве легирующих добавок входят такие химические элементы, как ниобий, титан. Жаростойкие аустенитные стали устойчивы к появлению окалины при температурах до 1000 ºC и обладают антикоррозионными свойствами.

На настоящий момент в промышленности для изготовления клапанов двигателей транспортных средств и деталей турбин чаще всего используются аустенитные стали, относящиеся к категории дисперсионно-твердеющих сплавов:

· 0Х14Н28В3Т3ЮР;

· Х12Н20Т3Р;

· 4Х12Н8Г8МФБ;

· 4Х14Н14В2М.

Для изготовления труб и трубопроводной арматуры, эксплуатируемых в условиях больших нагрузок, элементов выхлопных систем, агрегатов сверхвысокого давления применяют гомогенные аустенитные сплавы:

· 1Х14Н16Б;

· Х25Н20C2;

· Х23Н18;

· Х18Н10T;

· Х25Н16Г7АР;

· Х18Н12T;

· 1Х14Н18В2Б.

Аустенитно-ферритные стали обладают уникальной стабильностью строения, в связи с чем их жаропрочность значительно больше, чем у обычных высокохромистых сплавов. При этом хрупкость у таких сплавов повышена. Аустенитно-ферритные стали используют при изготовлении ненагруженных деталей, эксплуатируемых при температуре около 1150 ºC. Например, марка Х23Н13 применяется при изготовлении пирометрических трубок, а марки Х20Н14С2 и 0Х20Н14С2 – при изготовлении печных конвейеров, труб, емкостей для цементации.

При необходимости изготовить детали, которые будут выдерживать температуры от 1000 до 2000 ºC, применяют тугоплавкие металлы и их сплавы (см. Таблицу 2).

Таблица 2. Температура плавления некоторых тугоплавких металлов.

Металл	Температура плавления, ºC
Вольфрам	3410
Тантал	≈3000
Ниобий	2415
Ванадий	1900
Цирконий	1855
Рений	3180
Молибден	≈2600
Гафний	≈2000

Переход тугоплавких металлов в хрупкое состояние происходит при очень высоких значения температур, поэтому при нагреве такие металлы пластически деформируются. Когда температура достигает точки рекристаллизации, тугоплавкие металлы начинают формировать волокнистую структуру и наклеп. Свойство жаропрочности сплавов из таких металлов достигается внесением специальных добавок. Легирующие добавки в виде молибдена, тантала, титана и других элементов использую и для того, чтобы защитить сплавы от окисления при температурах свыше 1000 ºC.

Наиболее часто используемые тугоплавкие сплавы имеют такие химические составы в процентном соотношении:

· 30 % рения + вольфрам;

· 40 % ниобия + 60 % ванадия;

· 48 % железа + 1 % циркония + 5 % молибдена + 15 % ниобия;

· 10 % вольфрама + тантал.

Стали на основе никеля и стали системы «железо-никель» содержат 55 % никеля и 65 % комплекса «железо-никель», при этом в своем составе они содержат от 14 до 23 % хрома.

Стали на основе никеля имеют одни из самых высоких показателей стойкости и прочности при повышенных температурах, что обусловлено формированием на поверхности сплава оксидной алюминиевой и хромовой пленки, а также соединений алюминия и никеля, титана и никеля. Среди жаропрочных сталей это:

· ХН60В;

· ХН75МБТЮ;

· ХН60Ю;

· ХН78Т.

А среди жаростойких:

· ХН77ТЮ;

· ХН70МВТЮБ;

· ХН70ВМЮ;

· ХН70;

· ХН67ВМТЮ.

Стали на основе никеля и стали системы «железо-никель» широко используются в промышленности.

Таблица 3. Некоторые марки стали на основе никеля и системы «железо-никель» и их применение.

Марка стали	Применение
ХН35ВМТЮ	Применяются при изготовлении элементов газовых конструкций
ХН35ВТР	Применяются при изготовлении элементов турбин
ХН35ВТЮ	Применяются при изготовлении дисков и лопаток компрессоров
ХН35ВТ, ХН35ВМТ	Применяются при изготовлении роторов турбин

Жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы поставляются в виде различного проката: сортового (круг, квадрат, шестигранник, полоса, арматура), фасонного (балка, швеллер, уголок), листового, трубного.

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами.

Магнитные стали и сплавы. Ферромагнетизмом (способностью в значительной степени сгущать магнитные силовые линии) обладают железо, кобальт и никель. Эта способность характеризуется магнитной проницаемостью. У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость достигает десятков и сотен тысяч единиц, для других материалов она близка к единице. Магнитные свойства материала характеризуются остаточной индукцией и коэрцитивной силой. Остаточной индукцией называют магнитную индукцию, остающуюся в образце после его намагничивания и снятия внешнего магнитного поля. Размерность остаточной индукции Тл (тесла). 1Тл=1Н/(А∙м). Коэрцитивной силой Нс называют значение напряженности внешнего магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферромагнитного вещества. Размерность коэрцитивной силы А/м. Она определяет свойство ферромагнетика сохранять остаточную намагниченность.

Магнитные стали и сплавы в зависимости от коэрцитивной силы и магнитной проницаемости делят на магнитно-твердые и магнитно-мягкие.    Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов; имеют большую коэрцитивную силу. Это высокоуглеродистые и легированные стали, специальные сплавы. Углеродистые стали (У10-У12) после закалки имеют достаточную коэрцитивную силу (Нс=5175 А/м), но, так как они прокаливаются на небольшую глубину, их применяют для изготовления небольших магнитов. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми прокаливаются значительно глубже, поэтому из них изготовляют более крупные магниты. Магнитные свойства этих сталей такие же, как и углеродистых. Хромокобальтовые стали (например, марки ЕХ5К5) имеют более высокую коэрцитивную силу – Нс=7166 А/м. Магнитные сплавы, например ЮНДК24 (9% А1, 13,5% Ni; 3% Си; 24% Со; остальное железо), имеют очень высокую коэрцитивную силу – Нс=39 810 А/м, поэтому из них изготовляют магниты небольшого размера, но большой мощности.

Магнитно-мягкие стали и сплавы имеют малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницаемость. К ним относят электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои). Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) содержит менее 0,04% С, имеет высокую магнитную проницаемость μ=(2,78-3,58)∙109 ГГн/м и применяется для сердечников, полюсных наконечников электромагнитов и др. Электротехническая сталь содержит менее 0,05% С и кремний, сильно увеличивающий магнитную проницаемость. Электротехническую сталь по содержанию кремния делят на четыре группы: с 1% Si – марки Э11, Э12, Э13; с 2% Si – Э21, Э22; с 3% Si – Э31, Э32; с 4% Si – Э41-Э48. Вторая цифра (1-8) характеризует уровень электротехнических свойств. Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45-80% Ni, их дополнительно легируют Сг, Si, Mo. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая. Например, у пермаллоя марки 79НМ (79% Ni; 4% Mo) μ=175,15∙109 ГГн/м. Применяют пермаллои в аппаратуре, работающей в слабых электромагнитных полях (телефон, радио).

Ферриты – магнитно-мягкие материалы, получаемые спеканием смеси порошков ферромагнитной окиси железа Fe203 и окислов двухвалентных металлов (ZnO, NiO, MgO и др.). В отличие от других магнитно-мягких материалов у ферритов очень высокое удельное электросопротивление, что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот.

Сплавы с высоким электрическим сопротивлением. Их применяют для изготовления электронагревателей и элементов сопротивлений (резисторов) и реостатов. Сплавы для электронагревателей обладают высокой жаростойкостью, высоким электрическим сопротивлением, удовлетворительной пластичностью в холодном состоянии. Указанным требованиям отвечают железохромоалюминиевые сплавы, например, марок Х13Ю4 (≤0,15% С; 12-15% Сг; 3,5-5,5% А1), 0Х23Ю5 (≤0,05% С; 21,5=23,5% Сг; 4,6-5,3% А1), и никелевые сплавы, например, марок Х15Н60 – ферронихром, содержащий 25% Fe, Х20Н80 – нихром. Стойкость нагревателей из железохромоалюминиевых сплавов выше, чем у нихромов. Сплавы выпускают в виде проволоки и ленты, применяют для бытовых приборов (сплавы Х13Ю4, Х15Н60, Х20Н80), а также для промышленных и лабораторных печей (0Х23Ю5).

Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения. Они содержат большое количество никеля. Сплав 36Н, называемый инваром (≤0,05% С и 35-37% Ni), почти не расширяется при температурах от -60 до +100°С. Его применяют для изготовления деталей приборов, требующих постоянных размеров в интервале климатических изменений температур (детали геодезических приборов и др.). Сплав 29НК, называемый коваром (≤0,03% С; 28,5-29,5% Ni; 17-18% Со), имеет низкий коэффициент теплового расширения в интервале температур от -0° до +420°C. Его применяют для изготовления деталей, впаиваемых в стекло при создании вакуумноплотных спаев. Сплавы с заданными упругими свойствами К таким сплавам относят сплав 40КХНМ (0,07-0,12% С; 15-17% Ni; 19-21% Сг; 6,4-7,4% Мо; 39-41% Со). Это высокопрочный с высокими упругими свойствами, немагнитный, коррозионностойкий в агрессивных средах сплав. Применяют его для изготовления заводных пружин часовых механизмов, витых цилиндрических пружин, работающих при температурах до400°С.

Задание: 1. Подготовить конспект лекции в печатном word-документе.

2. Предоставить способы производства жаропрочных сталей и сплавов, магнитных сталей.

Срок выполнения 02.05.2020.