Какие металлы называют жаростойкими
Содержание:
Под жаростойкостью (окалиностойкостью) понимают сопротивление металла окислению в газовой среде при высоких температурах. К жаростойким относят стали, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при температурах выше 550°С. Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами (хромом, алюминием и кремнием), имеющими большее сродство к кислороду, чем железо, и образующими на поверхности стали плотные оксидные пленки. В связи с тем, что диффузия (особенно кислорода) через эти пленки затруднена, наличие на поверхности указанных тонких пленок приводит к торможению процесса дальнейшего окисления. Стали, легированные Cr и Si, называют сильхромами; Cr и Al – хромалями; Cr- Al-Si – сильхромалями.
Учитывая, что высокое содержание алюминия и кремния способствует охрупчиванию и ухудшает технологическую пластичность при обработке давлением, основным легирующим элементом в жаростойких сталях является хром. Жаростойкие свойства растут с увеличением его содержания в стали. Сталь, содержащая 5 % Сr, сохраняет окалиностойкость до 600°С (15X5), 9 % (40Х9С2) — до 800°С, 17 % (08X17Т) — до 900°С. Хромистые марки сталей относятся к сталям ферритного класса.
Сталь 10Х13СЮ (сильхромаль) окалиностойка до 950С; она устойчива в серосодержащих средах.
Жаропрочные стали используются при работе под нагрузкой (в течение заданного промежутка времени) и обладают достаточной жаростойкостью при температурах выше 500°С. Легирование вносит существенный вклад в повышение жаропрочности сталей: во-первых, возрастает энергия межатомной связи в твердых растворах (следовательно, затормаживаются диффузионные процессы); во-вторых, за счет легирования и термической обработки (закалка с последующим старением) формируется специальная гетерогенная структура, состоящая из твердого раствора вкрапленных в него дисперсных карбидных или интерметаллидных фаз, когерентных с основой.
Жаропрочные стали перлитного класса — это низколегированные стали (12Х1МФ, 25Х1М1Ф, 20Х1М1Ф1БР и др.), содержащие 0,08÷0,25 % С и легирующие элементы — Сr, V, Мо, Nb. Ряд легирующих элементов (например, Мо, Сr), растворяясь в феррите, затормаживают диффузионные процессы, повышая тем самым прокаливаемость, температуру рекристаллизации и жаропрочность сталей. Роль ванадия и ниобия заключается в образовании дисперсных карбидов, упрочняющих твердый раствор. Хром повышает жаростойкость. Предельное максимальное содержание углерода 0,25 % ограничивается опасностью обеднения феррита молибденом и снижения в связи с этим уровня прочностных и технологических свойств. Лучший комплекс механических свойств обеспечива-ется закалкой в масле (или нормализацией) с 880÷1080С с последующим высоким отпуском при 640÷750С. Стали перлитного класса используются для изготовления деталей, длительно работающих в режиме ползучести при температурах до 500÷580С и малых нагрузках: это трубы пароперегрева-телей, арматура паровых котлов, детали крепежа.
Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов (15Х11МФ, 11Х11Н12В2МФ, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР и др.) используются при температурах до 580 — 600°С. Введение в высокохромистые (8÷13 % Сr) стали вольфрама и ванадия совместно с молибденом способствует существенному повышению их жаропрочности. Стали с меньшим содержанием хрома (до 11 % Сr) принадлежат к мартенситному классу, а с большим (11÷13 % Сr) — к мартенситно-ферритному. Стали закаливают на мартенсит с температур 1000÷1100°С в масле или на воздухе. В процессе нагрева под закалку происходит растворение в аустените карбидов М23С6 и М6С. После отпуска при 600÷750°С стали приобретают структуру сорбита (смесь упрочненного легированного феррита и выделившихся мелких карбидов). Стали используют для изготовления деталей газовых
турбин и паросиловых установок.
Аустенитные стали обладают большей жаропрочностью, чем мартенситные, — их рабочие температуры достигают
700÷750°С. К жаропрочным сталям аустенитного класса отно-сятся стали 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М. Из этих сталей изготовляют роторы, диски, лопатки газовых турбин, клапаны дизельных двигателей, работающие при температурах 600÷700С.
На нефтехимических предприятиях получили большое развитие процессы высокотемпературной каталической конверсии углеводородных газов с целью получения водорода или богатого водородом газа для синтеза аммиака, метанола и других. В печах конверсии высокотемпературного риформинга указанных установок при температурах 78÷850С и давлении до 40 кгс/см 2 происходит каталическое расщепление природного или нефтезаводского газа.
Осуществление этого процесса требует применения специальных жаропрочных материалов для реакционных труб, газоотводящих труб и коллекторов, способных длительно работать под давлением смеси углеводородных газов с паром и в продуктах их расщепления при температурах 750÷930С. Для изготовления узлов описанного оборудования используют стали типа 45Х25. Для изготовления узлов описанного оборудования используют стали типа 45Х2520С, 50Х25Н35В5К15С (супертерм), стали типа 10Х20Н32Б (манурит 900).
Жаростойкостью или окалиностойкостью называется способность металла сопротивляться химической коррозии в сухой газовой среде при высоких температурах.
Железо при взаимодействии с кислородом может образовать оксиды трех видов: FeO, Fe3O4, Fe2O3. До 560 – 600 о С окалина состоит преимущественно из плотного слоя оксидов Fe2O3 и Fe3O4, что затрудняет диффузию атомов кислорода и металла. Выше 600 о С происходит растрескивание этих оксидов и вместо них защита металла осуществляется лишь рыхлым оксидом FeO, что облегчает доступ кислорода к поверхности металла. Нагрев более 600 о С приводит к интенсивному окислению сплавов на основе железа.
Основным фактором, влияющим на жаростойкость, является химический состав металла, определяющий защитные свойства оксидной пленки. В таблице 5.1 приведена сравнительная оценка жаростойкости ряда чистых металлов, определенная по 5-бальной шкале скорости окисления в воздушной среде в интервале рабочих температур.
Рыхлый оксид магния практически не защищает металл при нагреве. Магний не только быстро окисляется, но и легко воспламеняется при нагреве, благодаря чему используется в пиротехнике.
Оксиды металлов второй группы при нагреве разрушаются как за счет сублимации в случае Мо и W, так и благодаря растворению в металле входящего в них кислорода (Ti, Zr).
При повышении температуры сверх определенного предела возрастает дефектность оксидов металлов третьей группы. Для технического железа предельная рабочая температура нагрева в воздушной среде составляет 560 о С.
Металлы четвертой группы, благодаря плотной оксидной пленке с высокими защитными свойствами при нагреве, имеют хорошую жаростойкость. Поэтому хром и алюминий, наряду с кремнием, широко используют для повышения жаростойкости легированных сталей. Для достижения высокой жаростойкости стали оксид легирующего элемента должен быть плотным, не подверженным растрескиванию при нагреве, иметь высокие температуры сублимации и плавления.
Учитывая, что высокое содержание алюминия и кремния способствует охрупчиванию и ухудшает технологическую пластичность при обработке давлением, основным легирующим элементом в жаростойких сталях является хром. Жаростойкие свойства растут с увеличением его содержания в стали. Сталь, содержащая 5 % Cr, сохраняет окалиностойкость до 600 о С (15X5), 9 % (40Х9С2) – до 800 о С, 17 % (08X17Т) – до 900 о С. Хромистые марки сталей относятся к сталям ферритного класса.
Для изготовления деталей печного оборудования применяют стали 20Х23Н18, 20Х25Н20С2, имеющие окалиностойкость до 1100 о С. Эти марки относятся к аустенитному классу и характеризуются не только высокой жаростойкостью, но и высокой жаропрочностью. Хотя уровень жаростойкости стали и ее максимальная рабочая температура в основном определяются содержанием хрома, повышение температуры эксплуатации обусловливает одновременный рост концентрации никеля, что связано с необходимостью стабилизации аустенитной структуры.
| Жаростойкая сталь |
|---|
| Фазы железоуглеродистых сплавов |
| Структуры железоуглеродистых сплавов |
Отправить ответ