Жаростойкие (окалиностойкие) и жаропрочные стали

Котельные стали

В соответствии с ГОСТ 5520-79 стали применяются для изготовления деталей паровых котлов (обечайки, днища, барабаны и др.), труб пароперегревателей питательной воды, а также сосудов, работающих под давлением при комнатных, пониженных и повышенных температурах. В соответствии с ГОСТ 5520-79 стали условно разделены на три группы:

Группа 1. Углеродистые качественные стали. Применяются при рабочих температурах до 300⁰С. Марки сталей 12К, 16К, 18К, 20К, 22К (число показывает содержание углерода в сотых долях процента, буква К – принадлежность к котельным сталям).

Группа 2. Низколегированные стали, применяются при рабочих температурах до 380⁰С. Марки сталей 16ГС, 09Г2С1, 17ГС и др.

Группа 3. Легированные стали для рабочих температур до 500-580⁰С. Марка сталей 12Х1МФ, 10Х2М и др.

В зависимости от нормируемых механических свойств стали изготавливаются по категориям (от 2-й до 22-й), которые устанавливаются потребителем. Химический состав сталей соответствует ГОСТ 5520-79.

Под жаростойкими (окалиностойкими) сталями понимают стали и сплавы, обладающие стойкостью против газовой коррозии, т.е. химического разрушения поверхности в газовых средах при высоких температурах (свыше 550⁰С). Сопротивление металла окислению при высоких температурах характеризует его жаростойкость (окалиностойкость). Окалиностойкость повышают легированием элементами (Cr, Al, Si), которые образуют на поверхности стали плотные оксидные пленки (Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂) препятствующие контакту стали с газовой средой. Чем выше содержание хрома, алюминия, кремния в стали, тем выше окалиностойкость и тем выше может быть рабочая температура. Например, у стали 12Х17 окалиностойкость 900⁰С, у стали 15Х25Т – 1050⁰С. Поскольку все нержавеющие стали содержат хрома больше 13%, они являются и жаростойкими. Окалиностойкость сталей зависит от состава, но не зависит от структуры. Так, окалиностойкость ферритных и аустенитных сталей при одинаковом содержании хрома практически одинакова, например, стали 10Х23Н18 и 15Х25Т имеют одинаковую окалиностойкость 1050^оС. Составы окалиностойких сталей и сплавов соответствуют ГОСТ 5632-72.

Жаропрочными называют стали и сплавы, обладающие повышенными механическими свойствами при высоких температурах. Применяют их для многих деталей котлов, турбин, реактивных двигателей, атомных установок и др., работающих при высоких температурах. Повышение температуры влияет на все механические свойства; оно снижает пределы прочности и текучести и особенно склонность к упрочнению в процессе пластической деформации.

Если при высокой температуре металл нагружен постоянно действующим напряжением (даже ниже предела текучести при этой температуре) длительное время, то он в течение времени действия температуры и нагрузки будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило название ползучести. Развитие ползучести может привести к разрушению металла.

Напряжение, которое вызывает разрушение металла при повышенных температурах, сильно зависит от продолжительности приложения нагрузки. Оно может быть велико при кратковременном приложении нагрузки и мало, если нагрузка действует длительное время. Поэтому в общем случае при повышенных температурах прочность металла определяется двумя факторами – температурой и временем.

Повышение жаропрочности сталей достигается: 1) легированием твердого раствора (феррита или аустенита), которое приводит к увеличению энергии связи между атомами в результате чего задерживаются процессы диффузии, а температура рекристаллизации возрастает; 2) созданием термической обработкой у стали структуры, состоящей из зерен твердого раствора (аустенита или феррита) и вкрапленных в них и по границам зерен дисперсных частиц карбидов или интерметаллидов, что затрудняет пластическую деформацию при высоких температурах.

Жаропрочные стали работают при температурах 500-750⁰С. При работе до 600⁰С применяют стали, основой которых является феррит, а избыточной фазой – карбиды. К ним относятся стали перлитного, мартенситного и ферритного классов, а также промежуточных классов.

Стали перлитного класса применяются в основном в котлостроении для изготовления элементов паровых котлов (паропроводы, пароперегреватели, крепежные и др. детали, работающие длительное время) при температурах не свыше 550-580⁰С. Марки сталей и их химический состав соответствуют ГОСТ 5520-79 и ГОСТ 20072-74, например 12ХМ, 10Х2М, 12Х1МФ и др.

Мартенситно-ферритные стали используются для изготовления деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок. Стали по химическому составу сложнолегированные, в них кроме хрома (11-13 %) входят вольфрам, ванадий, молибден, ниобий и др., которые повышают жаропрочность за счет повышения температуры рекристаллизации (молибден) и образования карбидов (вольфрам, ванадий, хром и др.). Бор, цирконий, церий дополнительно повышают жаропрочность. Рабочие температуры сталей до 600⁰С. Марки некоторых сталей 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР и др.

Стали мартенситного класса. По химическому составу это стали с различным содержанием углерода (0,1-0,4%) и легирующих элементов, применяются для изготовления деталей различного назначения и работающие при температурах до 600⁰С, например: 15Х11МФ, 20Х12ВНМФ и др. Если к свариваемости не предъявляется особых требований, то применяют высокохромистые стали с высоким содержанием кремния (сильхромы), их применяют для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания. Наиболее известные марки: 40Х9С2, 40Х10С2М и др.

Высокохромистые стали, легированные никелем, молибденом, ванадием, вольфрамом, применяют для изготовления крупных деталей энергетических установок: диски, роторы паровых и газовых турбин, бандажи и др.

Стали аустенитного класса. Аустенитные стали применяются для изготовления деталей, работающих при температурах до 750⁰С. Для получения аустенитной структуры все аустенитные жаропрочные стали содержат большое количество никеля. Для достижения высокой жаропрочности стали дополнительно легируют молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием, бором, титаном. Жаростойкость сталей обеспечивается легированием хромом. По способу упрочнения стали делят на две группы:

1. Не упрочняемые термической обработкой, имеющие структуру аустенита. Температура работы до 700⁰С (стали 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР и др.)

2. Упрочняемые термической обработкой и применяемые после закалки и отпуска (старения). Закалка обеспечивает получение высоколегированного аустенита. Старение предназначено для выделения из аустенита дисперсных частиц (карбидов или интерметаллидов), упрочняющих аустенит и т.о. повышающих жаропрочность сталей.

Стали с карбидным (45Х14Н14В2М и др.) и интерметаллидным упрочнением (10Х11Н23Т3МР и др.) работают при температурах до 750^оС.

Дата добавления: 2014-01-07