Что это несгораемый металл

Жаропрочные стали сегодня встречаются крайне часто, так как могут использоваться в условиях контакта с агрессивными средами. Типичные изделия, которые изготавливаются из жаропрочных современных сталей: камины и печи, а также котлы и дымоходы. Рассмотрим особенности подобного металла подробнее.

Жаропрочные стали

Основные характеристики

Жаропрочные стали и сплавы могут использоваться для изготовления изделий, которые могут эксплуатироваться при воздействии высоких температур. Обычные стали при воздействии агрессивной среды могут медленно деформироваться, так как воздействие повышенной температуры становится причиной повышения пластичности.

Для того чтобы определить характеристики жаропрочной стали проводятся специальные испытания, особенностями которых можно назвать нижеприведенные моменты:

1. Жаропрочные стали размещают в печи, после чего нагревают до определенной температуры.
2. На помещенный сплав оказывается растягивающая нагрузка.

Среди других особенностей отметим следующие моменты:

1. Высокую жаростойкость. Даже при длительном воздействии высокой температуры основные эксплуатационные качества сплава остаются неизменными.
2. Прочность к механическому воздействию. При этом металл может сохранять длительную прочность при температурах, которые в иных случаях становятся причиной перестроения кристаллической сетки и изменения основных качеств.
3. Химический состав сплава также остается неизменным несмотря на воздействие агрессивной среды. Некоторые жаропрочные стали способны выдерживать воздействие агрессивной среды, представленной газами, кислотами и другими веществами.
4. Низкий показатель прокаливаемости и свариваемости создает довольно много проблем при изготовлении деталей путем сварки.
5. При добавлении хрома и некоторых других легирующих элементов материал становится коррозионностойким.

Жаропрочная сталь

По тому, сколько жаропрочная сталь может выдерживать воздействие рабочей среды выделяют две категории:

1. Стали жаропрочные длительного нагрева. Подобный материал может выдерживать длительное воздействие, но при этом температура зачастую не достигает критических значений. Примером можно назвать трубы, которые применяются для транспортировки различной среды
2. Стали жаропрочные кратковременного нагрева применяются в случае стремительного скачка температуры, значение которой может составлять несколько тысяч градусов Цельсия.

Жаростойкая сталь не подвержены деформации и разрушению по причине необычного химического состава. Именно поэтому основная классификация проводится по концентрации определенных легированных элементов.

Виды жаропрочных сталей

Жаропрочная нержавеющая сталь классифицируется по состоянию внутренней структуры:

1. Перлитные.
2. Мартенситные.
3. Аустенитные.
4. Мартенситно-ферритные.

Кроме этого все жаропрочные стали марки разделяются на следующие категории:

1. Ферритные.
2. Аустеннитно-ферритные.

Рассматривая мартенситные жаропрочные стали можно выделить следующе сплавы:

1. Х5 применяется для производства трубы, которая будет эксплуатироваться для подачи среды, температура которой не будет превышать 650 градусов Цельсия.
2. Х5М или Х6СМ могут использоваться для производстве деталей, эксплуатация которых проводится при температуре от 500 до 600 градусов Цельсия. Стоит учитывать, что подобные марки жаропрочных сталей доступны для недлительной эксплуатации.
3. 4Х9С2 и 3Х13Н7С2 предназначены для эксплуатации при температуре до 950 градусов Цельсия. Стоит учитывать, что этот металл предназначен для производства клапанов двигателей внутреннего сгорания транспортных средств.
4. 1Х8ВФп представляет собой также жаропрочную сталь, которая может удачно эксплуатироваться при температуре не выше 500 градусов Цельсия на протяжении десятков тысяч часов. Подходит этот спав для производстве элементов, используемых при изготовлении паровой турбины.

Очень часто в состав добавляется хром, за счет чего получается мартенситный сплав. Наиболее распространенными вариантами подобных металлов можно назвать Х6С и Х9С2, Х7СМ и Х10С2М. Среди особенностей их производства можно отметить нижеприведенные моменты:

1. После процесса легирования проводится закалка при температуре около 1000 градусов Цельсия.
2. Придать жаропрочность можно путем последующего отпуска металла при температуре 8100 градусов Цельсия. за счет этого создается твердая структура сорбита, которая может выдерживать длительный нагрев.

Для получения подобных составов требуется специальное оборудование, при помощи которого и проводится отпуск при сильном нагреве структуры.

Особенностями ферритных сплавов можно назвать нижеприведенные моменты:

1. Прочность и жаропрочность достигаются за счет создания мелкозернистой структуры. Получается она после закалки, обжига и отпуска при определенных режимах.
2. Как правило, в рассматриваемом составе есть от 20-30 процентов хрома. Основные эксплуатационные качества позволяют использовать металл при изготовлении теплообменников.

Примерами ферритных сплавов можно назвать марки Х28 и Х17, Х18СЮ и другие. Нагрев проводится до температуры 180 градусов Цельсия, при более высоких показателях поверхность станет более хрупкой по причине мелкозернистой структуры.

Мартенситно-ферритный состав применяется при производстве машиностроительных деталей. Особенности структуры позволяют проводить ее нагрев до температуры 600 градусов Цельсия без изменения основных эксплуатационных качеств.

Наибольшей востребованностью пользуются жаростойкие сплавы двух основных групп:

1. Дисперсионно-твердеющие. Подобные составы больше всего подходят для изготовления деталей турбин или клапанов двигателя. Они подвержены длительному нагреву и частому охлаждению. Стоит учитывать, что падение и повышение температуры в большинстве случаев становится причиной перестроения структуры сплава, но дисперсионно-твердеющие могут выдерживать подобное воздействие на протяжении всего срока эксплуатации.
2. Гомогенные. Применяются они для производства труб или арматуры, которые будут подвергаться большой нагрузке. Стоит учитывать, что трубы во время эксплуатации подвергаются не только воздействию со стороны рабочей среды, но и давлению, а также ударной нагрузке.

Есть жаропрочные стали, которые могут выдерживать воздействие огромных температур. Примером назовем следующие сплавы:

1. Тантал является одним из самых жаропрочных сплавов, так как может выдерживать воздействие температуры 3000°С.
2. Вольфрам не реагирует на воздействие окружающей температуры 3410°С.
3. Ванадий применяется при воздействии окружающей среды 1900°С.
4. Ниобий не реагирует на воздействие температуры 2415°С.
5. Рений самый жаропрочный сплав, который не реагирует на воздействие среды 3180°С.
6. Цирконий можно эксплуатировать при 1855°С.
7. Гафний применяется в том случае, если на деталь будет оказываться воздействием температуры 2000°С.
8. Молибден может эксплуатироваться при 2600°С.

Столь высокая жаропрочность достигается путем добавления различных легирующих элементов. Окисление легирующих элементов приводит к защите структуры от воздействия окружающей среды.

Жаропрочные сплавы также классифицируются следующим образом:

1. 30% рения с добавкой небольшого количества вольфрама.
2. 10% вольфрама с добавлением незначительного количества тантала.
3. 10% ниобия и 60% ванадия.
4. 48% железа и 1% циркония, а также 5% молибдена и 15% ниобия.

Вышеприведенная информация определяет то, что высоко жаропрочная сталь может классифицироваться по следующим показателям:

1. Температура окружающей среды, при которой сплав не изменяет свои эксплуатационные качества.
2. Длительность нагрева.
3. Устойчивость к воздействию химической среды или повышенной влажности.

Сегодня из жаропрочной нержавеющей стали изготавливаются самые различные детали, которые могут эксплуатироваться в опасной среде. Подобная жаропрочная сталь может выдерживать не только длительный нагрев, но и не реагирует на воздействие окружающей среды.

Применение жаропрочных сталей

Область применения рассматриваемого типа сплавов весьма большая. Жаропрочные стали и сплавы предназначены для применения при условии воздействия высокой температуры или агрессивной окружающей среды. Жаропрочные стали применяют для изготовления:

1. Корпусных деталей, которые будут подвержены нагреву.
2. Деталей конструкции двигателей внутреннего сгорания.
3. Деталей и элементов, которые могут контактировать с различной агрессивной средой: жидкость, химикаты и так далее.

Изготовление деталей работающих при температурах более 400 градусов Цельсия не должно проводится с использованием обычного металла, так как из-за нагрева они потеряют свою прочность и жесткость.

Нагрев становится причиной изменения кристаллической решетки, за счет чего из состав выделяется углерод. Обезуглероживание становится причиной потери прочности и твердости поверхности.

При изготовлении деталей паровых двигателей или современных двигателей внутреннего сгорания применение обычной стали приведет к ее расширению, за счет чего линейные размеры изменяться.

Критическое изменение линейных размеров становится причиной, по которой конструкция перестает правильно работать.

Усложнение процесса производства рассматриваемого сплава становится причиной существенного повышения его стоимости. Однако в большинстве случаев снизить стоимость конструкций нельзя по причине того, что обычные стали будут быстро изнашиваться.

Деталь из жаропрочной стали

Примером применения жаропрочных сталей можно назвать нижеприведенную информацию:

1. Турбины работают в сложных эксплуатационных условиях. Для ее изготовления часто используется легированный сплав на основе хрома ХН35ВТР. Подобный материал может выдерживать постоянную нагрузку и вибрацию, а также воздействие жара без изменения своих линейных размеров.
2. При изготовлении газовых конструкций могут применять ХН35ВМТЮ. Сгорание газа приводит к нагреву рабочей среды до довольно высокой температуры.
3. Компрессоры, которые работают с нагреваемой средой, имеют в качестве подвижного элемента конструкции диски и лопатки. Для повышения КПД подобной конструкции при их изготовлении используется листовой металл небольшой толщины, что существенно снижает устойчивость к воздействию рабочей среды. Именно поэтому при их изготовлении применяется легированный сплав ХН35ВТЮ.
4. Роторы турбин также могут быть подвержены воздействию жара. При их изготовлении чаще всего применяют ХН35ВТ.

Важной особенностью рассматриваемых сплавов можно назвать сложность проведения сварочных работ. Жаропрочным сталям характерен процесс разрушения холодного шва. Для решения подобной проблемы применяется современная технология сваривания, которая имеет следующие особенности:

1. Для устранения рассматриваемого недостатка проводится общий или локальный нагрев поверхности, что повышает ее пластичность. Данная процедура также проводится для минимизации разницы между температурой на периферии и в точке сварки, что позволяет существенно снизить показатель напряжения.
2. После выполнения сварочных работ зачастую проводится отпуск готового изделия на протяжении нескольких часов и при температуре до 2000°С.

За счет отпуска проводится удаление основной части растворенного в структуре водорода, а остаточный аустенит преобразуется в мартенсит.

Сегодня насчитывается несколько десятков разновидностей жаропрочных сталей, все они обладают своими определенными особенностями. Кроме этого отметим, что довольно часто они обладают также коррозионной стойкостью, так как в состав добавляется большое количество хрома.

Коррозионная стойкость ко всему прочему существенно повышает срок эксплуатации изделия. Однако сложности, возникающие при легировании и последующем термической обработке существенно повышают стоимость изделий.

Кроме этого, жаропрочные сплавы могут иметь самое различное количество легирующих элементов, которые могут придавать материалу и другие особые эксплуатационные качества, к примеру, повышение электропроводности.

Негорючие материалы и вещества: что это, виды, классификация

По способности к возгоранию как природные, так и искусственные материалы могут быть негорючими, горючими или трудногорючими.

Что это такое НГ материалы

Какие материалы и вещества являются негорючими? Это те, что при воздействии на них источника возгорания неспособны к тлению, воспламенению, распространению огня или обугливанию.

Негорючие панели для внутренней отделки

Согласно ст. 12 «Технического регламента о требованиях ПБ», классифицирующей материалы по пожарной опасности, ГОСТ 12.1.044-89 об их взрывопожарной опасности, группа горючести является квалификационной характеристикой к горению любых по происхождению веществ, способу производства материалов, при этом:

На эту тему ▼

Треугольник огня и пожарный тетраэдр

1. К негорючим/несгораемым относят материалы и вещества, что не способны гореть в окружающей воздушной среде.
2. Некоторые негорючие вещества, что выделяют горючие пары при контакте друг с другом, водой, О2 воздуха, а также сильные окислители, относятся к взрывопожароопасным. Поэтому для установления реальной негорючести веществ, материалов, полученных из них, первоочередной задачей является определение их химического состава и свойств.

Полученные при оценке группы горючести лабораторные, сертификационные результаты испытаний материалов, веществ применяют в дальнейшем при их классификации, включают данные в ГОСТ, технические условия производства; а также используют при определении категории по взрывопожарной опасности защищаемых объектов, при разработке противопожарных мероприятий.

Где применяются

• Большинство указанных негорючих материалов используется при возведении строительных объектов, для отсыпки, облагораживания прилегающих к ним земельных участков, а некоторые вещества в качестве теплоносителей, огнетушащих средств.
• Наиболее важная область применения негорючих материалов – это строительство объектов, оснащение их наружными, внутренними инженерными коммуникациями, ведь только их использование в большем соотношении с изделиями из горючих веществ, например, древесины позволяет повысить стойкость к огню зданий, сооружений, в том числе отличающихся повышенным риском возгорания из-за особенностей технологических процессов, пожарной нагрузки.
• Если еще недавно пол в многоэтажных жилых домах, общественных объектах выполнялся из деревянных досок, то теперь им на смену пришли цементно-песчаные стяжки, покрываемые огнестойким негорючим линолеумом, а стена, потолок, перегородки помещения для выравнивания их поверхностей обшиваются огнестойким пожаробезопасным картоном на гипсовой основе.
• Дымоходы, трубы печей жилых домов, бань выполняются в основном из полнотелого кирпича, а противопожарные разделки в местах пересечении ими перекрытий, кровли строений уплотняются, отделяются от сгораемых конструкций из древесины огнезащитными мастиками, пастами, штукатурками.
• Для возведения объектов чаще всего применяются штучные строительные материалы – кирпич, блоки из пенобетона, железобетонные готовые изделия; для внешней, внутренней отделки, утепления, как листовые, так и рулонные, сыпучие отделочные, теплоизоляционные материалы.
• Учитывая холодный климат в большинстве регионов нашей страны, востребованы при возведении, ремонте строительных объектов, инженерных коммуникаций населенных пунктов негорючие волокнистые теплоизоляторы – от привычной минеральной ваты для огнезащитного базальтового материала, которые широко используют в следующих целях, для:

• теплоизоляции рулонными, полуцилиндрическими фольгированными элементами трубопроводных систем, транспортирующих воду и ее растворы, в том числе водяных, пенных установок тушения пожаров;
• утепления перекрытий верхних, технических этажей; оконных дверных проемов, пола, кровли;
• теплоизоляции конструкций мансардных этажей;
• звукоизоляции помещений, зданий, относящихся к развлекательным заведениям, предприятиям общественного питания.

Теплоизоляция трубопроводов негорючими материалами

Широка область применения различных металлов, их сплавов:

На эту тему ▼

Пожарная безопасность при строительстве

1. Сталь – для производства строительных несущих конструкций, в качестве арматуры для железобетонных сборных, монолитных конструкций строительных объектов.
2. Медь, алюминий – в качестве жил проводов, кабелей, токонесущих элементов систем электроснабжения.
3. Чугун, сталь – для изготовления корпусов промышленного, инженерного оборудования, труб различного диаметра, фасонных элементов для их соединения.

Хотя для некоторых систем водоснабжения, например, водяных, пенных установок пожаротушения, систем тушения тонко распыляемой водой, допустима замена стальной трубопроводной продукции пожаростойкими пластиковыми трубами, но в целом использованию негорючих металлических изделий пока нет альтернативы.

Классификация

Классификация, согласно ГОСТ 30244-94 о методиках огневых испытаний, используется при делении всех строительных материалов на классы по группам горючести:

• НГ – негорючие.
• Г – горючие.

К негорючим относят строительные материалы, полностью удовлетворяющие следующим условиям испытаний:

• Повышение температуры в печи – не больше 50%.
• Уменьшение массы испытуемого материала – не больше 50%.
• Период устойчивого горения открытым пламенем – не больше 10 с.

1. Те же материалы, используемые в строительстве, при утеплении, отделке объектов, что не удовлетворят, хотя бы одному показателю по результатам испытаний, относят к горючим.
2. Существует также классификация любых по назначению строительных объектов по степени огнестойкости:

На эту тему ▼

Определение предела огнестойкости строительных конструкций

• I – все элементы выполняются из негорючих материалов, при этом несущие элементы конструкций зданий, сооружений имеют предел стойкости к огню не меньше 2 ч.
• II – то же, но с пределом огнестойкости несущего конструктива 1,5 ч, при этом при создании бесчердачных покрытий объектов – ферм, балок, настилов допускается использовать элементы, выполненные из металлических сплавов, не прошедшие огнезащиту металлических конструкций.

• Именно относящиеся к этим двум классам объекты, полностью выполненные из негорючих материалов, веществ, использованных для их утепления, звукоизоляции, наиболее устойчивы не только к возникновению пожара внутри них, но и к внешним аномальным воздействиям – землетрясениям, наводнениям.
• Кроме того, существует следующая классификация негорючих материалов, веществ, используемых при возведении, ремонте объектов.
• По назначению:

• Готовые строительные конструкции, включая различные виды кирпича, бетонных блоков.
• Теплозвукоизоляционные формовые материалы; сыпучие вещества, как перлит, керамзит.
• Декоративные материалы для отделки помещений зданий, например, мраморная, керамическая плитка.

По форме выпуска готовой продукции:

• Конструктивные элементы – от железобетонных плит, ферм до металлических сэндвич-панелей с негорючим утеплителем.
• Листовые, рулонные, плитные материалы.
• Сыпучие вещества.

Виды

1. По агрегатному состоянию различают три вида негорючих веществ, как природного, так искусственного происхождения.
2. Твердые, которые могут быть в виде строительных конструкций, теплоизоляционных, звукоизолирующих, отделочных материалов, сыпучих веществ:

На эту тему ▼

Средства, способы огнезащиты

1. Горные скальные породы – гранит, диабаз, мрамор, диорит, кремень, гнейс, доломит; а также более мягкие песчаники, известняки.
2. Гравий, щебенка, отсев, песок.
3. Мел, цемент, глина.
4. Асбест, гипс, известь, строительные растворы, штукатурки.
5. Бетонные, железобетонные изделия.
6. Чугун, различные виды стального проката – от большого размера двутавровых балок, швеллеров до листов.
7. Медь, латунь, бронза, алюминий.
8. Различные виды стекольной продукции, в том числе огнестойкое стекло.
9. Текстильные материалы – противопожарная негорючая ткань, базальтовые рулонные материалы.
10. Различные виды минеральных ват.

Негорючие минераловатные маты

Жидкие:

1. Вода, используемая для питья, полива растений, а также как теплоноситель в системах теплоснабжения, огнетушащее вещество в сетях наружного, внутреннего пожаротушения.
2. Водные растворы солей, кислот, щелочей.
3. Растворы моющих веществ, пенообразователей.
4. Негорючие синтетические жидкости.

Газообразные:

1. Азот.
2. Углекислый газ.
3. Аргон.
4. Хладоны.

Требования

Они изложены во многих нормативных документах, регламентирующих пожарную опасность, стойкость к огню строительных конструкций, материалов, выполненных из негорючих материалов. Среди них:

• ГОСТ 30244-94 – о регламентах испытаний на горючесть строительных материалов, классификации по группам горючести. Стандарт не применяется в отношении лакокрасочной продукции, а также других строительных материалов, выпускающихся растворами, порошками, гранулами.
• НПБ 244-97 – о показателях пожарной опасности облицовочных, декоративно-отделочных, кровельных, тепло-, гидроизоляционных материалов, покрытий для пола.
• ГОСТ 4640-2011 – о технических условиях получения минеральной ваты из расплавов горных, осадочных пород, вулканических, металлургических шлаков, силикатных отходов, предназначенной для производства теплозвукоизоляционных строительных материалов. Полученная товарная вата используется в строительстве, а также для теплоизоляции поверхностей промышленного оборудования, трубопроводов, имеющих температуру в диапазоне от – 180 до 700 ºC.
• ГОСТ 21880-2011 – о технических условиях производства прошивных теплоизоляционных матов из минеральной ваты, предназначенных для теплоизоляции ограждающего конструктива строительных объектов, резервуаров хранения воды, углеводородного сырья, нефтепродуктов; систем водоснабжения, промышленных трубопроводов.
• ГОСТ 32313-2011 – о жестких, полужестких плитах, матах, в том числе армированных металлической сеткой, фольгированных, цилиндрах, других изделиях из минеральной ваты промышленного производства, используемых для изоляции инженерных коммуникаций строительных объектов, технологических установок, эксплуатирующихся при температуре от 0 до 1000 ºC.
• ГОСТ 32314-2012 – об изделиях из различных видов минеральных ват, используемых в строительстве.
• ГОСТ 32603-2012 – о ТУ производства металлических панелей с минераловатным утеплителем, используемых как ограждающие конструкции при возведении гражданских, промышленных строительных объектов.

Кроме стойкости к огню, для негорючих материалов, веществ нормами выдвигаются и другие технические требования к:

• прочности на изгиб, разрыв;
• влагостойкости;
• гигроскопичности;
• плотности;
• удельной вязкости;
• теплопроводности;
• деформационным изменениям при нагревании, намокании.

Многие негорючие материалы, вещества используют не только в строительстве, при отделочных работах, оснащении объектов инженерными сетями, но и в производстве огнетушителей, стационарных систем тушения пожаров, противодымной защиты, поэтому требования к ним в каждом конкретном случае регламентируются соответствующими сводами правил, стандартами.

Жаростойкие стали: состав и марки жаропрочных сплавов

Жаропрочная сталь, представленная на современном рынке большим разнообразием марок, как и сплавы жаростойкой категории, признается большинством специалистов лучшим материалом для изготовления элементов конструкций и оборудования, которые эксплуатируются в постоянном контакте с агрессивными средами и в других сложных условиях.

Типичные изделия из жаропрочной стали – печи, камины, котлы и металлические дымоходы

Жаропрочность и жаростойкость металла

Жаростойкость, которой обладают стали и другие металлические сплавы отдельной категории, имеет еще одно название – «окалиностойкость».

Это свойство, которым отдельные металлы наделяют в процессе производства, заключается в их способности длительное время в условиях повышенных температур активно противостоять такому негативному явлению, как газовая коррозия.

В отличие от жаростойких, жаропрочные стали и металлы другого типа обладают способностью не разрушаться и не деформироваться под длительным воздействием высоких температур.

Короткий экскурс в формате видео об особенностях жаропрочных сталей и их отличиях от других сплавов.

Металлы, которые отличаются жаростойкостью, применяют преимущественно для изготовления ненагруженных конструкций, эксплуатируемых в условиях постоянного воздействия на них газовой окислительной среды и температуры, не превышающей 550°. К таким конструкциям, в частности, относятся элементы нагревательных печей.

Сплавы, выполненные на основе железа, даже если их отличает жаростойкость, при таких условиях эксплуатации и при воздействии температуры, превышающей 550°, начинают активно окисляться, что приводит к появлению на их поверхности пленки, состоящей из оксида железа. Формирующееся на поверхности такого металла химическое соединение железа и кислорода – это, по сути, окалина хрупкого типа. Ее характеризует элементарная кристаллическая решетка, содержащая недостаточное количество атомов второго вещества.

Свойства оксидов элементов, увеличивающих жаростойкость железа

Чтобы улучшить такое свойство стали, как жаростойкость, в ее химический состав вводят хром, алюминий и кремний. Соединяясь с кислородом, эти элементы способствуют формированию в структуре металла плотных и надежных кристаллических структур, что и улучшает его способность безболезненно переносить воздействие повышенных температур.

Количество и тип легирующих добавок, вводимых в химический состав сплава, выполненного на основе железа, зависит от температурных условий эксплуатации изделий, которые будут из него изготовлены.

Лучшую жаростойкость демонстрируют стали, легирование которых выполнено на основе такого металла, как хром. К наиболее известным маркам таких сталей, которые называют сильхромами, относятся:

• 08Х17Т;
• 15Х25Т;
• 15Х6СЮ;
• 36Х18Н25С2.

Химический состав жаропрочных сталей марок 13Х11Н2В2МФ, 15Х11МФ, 20Х13, 20Х12ВНМФ

Что характерно, жаростойкость стали повышается с увеличением в ее химическом составе количества хрома. Используя данный металл в качестве легирующего элемента, можно создавать марки сталей, изделия из которых не будут утрачивать своих первоначальных характеристик даже при длительном воздействии на них температуры, превышающей 1000 градусов.

Особенности материалов с жаропрочными свойствами

Жаропрочные стали и сплавы, как уже говорилось выше, способны успешно эксплуатироваться в условиях постоянного воздействия высоких температур, при этом не проявляя склонности к ползучести.

Суть этого негативного процесса, которому подвержены стали обычных марок и другие металлы, заключается в том, что материал, на который воздействуют неизменная температура и постоянная нагрузка, начинает медленно деформироваться, или ползти.

Ползучесть, которой и стараются избежать, создавая жаропрочные стали и металлы другого типа, бывает двух видов:

• длительная;
• кратковременная.

Для определения ползучести сплавов в иследовательских центрах используют комплекс испытательных машин

Чтобы определить параметры кратковременной ползучести, материалы подвергают специальным испытаниям, для чего их помещают в печь, нагретую до определенной температуры, и прикладывают к ним растягивающую нагрузку. Такое испытание проводится в течение ограниченного промежутка времени.

Проверить материал на его склонность к длительной ползучести и определить такой важный параметр, как предел ползучести, за короткий промежуток времени не получится.

Для этого испытуемое изделие, помещенное в печь, необходимо подвергать длительной нагрузке.

Важность такого показателя, как предел ползучести материала, заключается в том, что он характеризует наибольшее напряжение, которое приводит к разрушению разогретого изделия после воздействия в течение определенного промежутка времени.

Марки жаропрочных и жаростойких сталей

Стали, отличающиеся жаропрочностью и жаростойкостью, по состоянию внутренней структуры подразделяются на несколько категорий:

• аустенитные;
• мартенситные;
• перлитные;
• мартенситно-ферритные.

При этом стали, относящиеся к категории жаростойких, могут быть представлены еще двумя типами:

• ферритные;
• аустенитно-ферритные или мартенситные.

Основные свойства некоторых жароупорных сталей (нажмите для увеличения)

Если рассматривать стали с мартенситной внутренней структурой, то их наиболее известными марками являются:

• Х5 (из такой жаропрочной стали производят трубы, которые предполагается эксплуатировать при температурах, не превышающих 650°);
• Х5М, Х5ВФ, Х6СМ, 1Х8ВФ, 1Х12Н2ВМФ (используются для производства изделий, эксплуатируемых при 500–600° на протяжении определенного периода времени (1000–10000 часов));
• 3Х13Н7С2 и 4Х9С2 (изделия из данных марок могут успешно эксплуатироваться при 850–950°, поэтому из таких сталей производят клапаны двигателей транспортных средств);
• 1Х8ВФ (изделия из жаропрочной стали этой марки могут успешно эксплуатироваться при температурах, не превышающих 500°, на протяжении 10000 часов и даже дольше; из данного материала, в частности, производят конструктивные элементы паровых турбин).

Листовая жаропрочная сталь используется там, где требуется хорошая стойкость к высокой температуре и к агрессивной среде

Основой мартенситной структуры стали является перлит, который меняет свое состояние в том случае, если в составе материала увеличить количественное содержание хрома.

Перлитными являются следующие марки жаропрочных и жаростойких сталей, относящихся к хромомолибденовым и хромокремнистым: Х6С, Х6СМ, Х7СМ, Х9С2, Х10С2М и Х13Н7С2.

Чтобы получить из этих сталей материал с внутренней структурой сорбита, который отличается высокой твердостью (не менее 25 единиц по шкале HRC), их сначала закаливают при 950–1100°, а затем подвергают отпуску.

Стальные сплавы с ферритной внутренней структурой, относящиеся к категории жаростойких материалов, содержат в своем химическом составе от 25 до 33% хрома, который и определяет их характеристики.

Чтобы придать таким сталям мелкозернистую структуру, изделия из них подвергают отжигу. К сталям данной категории относят марки 1Х12СЮ, Х17, 0Х17Т, Х18СЮ, Х25Т и Х28.

Следует иметь в виду, что при нагревании этих сталей до 850° и выше, зерно в их внутренней структуре начинает укрупняться, что приводит к увеличению их хрупкости.

Жаропрочная нержавеющая сталь применяется при производстве тонколистового проката, бесшовных труб и различных агрегатов пищевой и химической промышленности

Стали, основу структуры которых составляют мартенсит и феррит, активно применяются для производства изделий различного назначения, используемых в машиностроительной отрасли.

Изделия, для изготовления которых применяют такие жаропрочные сплавы, даже на протяжении достаточно длительного времени могут успешно эксплуатироваться при температуре, находящейся в пределах 600°. Наиболее распространенными марками данных жаропрочных сталей являются Х6СЮ, 1Х13, 1Х11МФ, 1Х12В2МФ, 1Х12ВНМФ, 2Х12ВМБФР.

Такие жаропрочные сплавы отличаются тем, что хром в их химическом составе содержится в пределах 10–14%, а легирующими добавками, при помощи которых улучшают их химический состав, являются вольфрам, молибден и ванадий.

Аустенитные и аустенитно-ферритные стальные сплавы

Наиболее значимые особенности аустенитных сталей заключаются в том, что их внутренняя структура формируется за счет наличия в их составе никеля, а такое свойство, как жаростойкость, связано с присутствием хрома.

В сплавах подобной категории, отличающихся незначительным содержанием углерода в своем химическом составе, в некоторых случаях могут присутствовать такие легирующие элементы, как ниобий и титан.

Стали, основу внутренней структуры которых составляет аустенит, относятся к категории нержавеющих, а при длительном воздействии высоких температур (до 1000 градусов) успешно противостоят формированию слоя окалины.

Аустенитные сплавы марок Х17Н13М2 и Х17Н13М3 оптимально подходят для конструкций, работающих под воздействием кислот

К наиболее распространенным на сегодняшний день сталям с аустенитной внутренней структурой относятся сплавы дисперсионно-твердеющей категории. Для улучшения качественных характеристик в их состав добавляют интерметаллические или карбидные упрочнители, в зависимости от чего такие материалы и относят к определенной категории.

Наиболее популярными марками жаропрочных сталей, основу внутренней структуры которых составляет аустенит, являются:

• дисперсионно-твердеющие Х12Н20Т3Р, 4Х12Н8Г8МФБ, 0Х14Н28В3Т3ЮР, 4Х14Н14В2М (из этих жаропрочных сталей, относящихся к категории нержавеющих, изготавливают конструктивные элементы турбин и клапаны двигателей транспортных средств);
• гомогенные 1Х14Н16Б, 1Х14Н18В2Б, Х18Н12Т, Х18Н10Т, Х23Н18, Х25Н20С2, Х25Н16Г7АР (из материалов данных марок преимущественно производят арматуру и трубы, эксплуатируемые под воздействием значительных нагрузок, агрегаты сверхвысокого давления, элементы выхлопных систем).

Труба жаропрочная из стали марки 20Х23Н18 (она же Х23Н18 или ЭИ417) используется для изготовления печного оборудования, поковок и бандажей

Стальные сплавы, основу внутренней структуры которых составляет смесь аустенита и феррита, отличает исключительная жаропрочность, превышающая по своим показателям аналогичный параметр даже высокохромистых материалов.

Такие характеристики жаропрочности достигаются за счет высочайшей стабильности внутренней структуры сталей данной категории. Изделия из них могут успешно эксплуатироваться даже при температурах, доходящих до 1150°.

Между тем для жаропрочных сталей с аустенитно-мартенситной внутренней структурой характерна повышенная хрупкость, поэтому их нельзя использовать для производства изделий, эксплуатируемых под высокой нагрузкой.

Из жаропрочных сталей данной категории производят изделия следующего назначения:

• пирометрические трубки (Х23Н13);
• конвейеры для печей, жаропрочные трубы, емкости для осуществления процедуры цементации (Х20Н14С2 и 0Х20Н14С2).

Стали и металлы, отличающиеся тугоплавкостью

Стальные сплавы, основу которых составляют тугоплавкие металлы, используют для производства изделий, эксплуатируемых при 1000–2000°.

Тугоплавкие металлы, входящие в химический состав таких сталей, характеризуются следующими температурами плавления (см. таблицу).

Температура плавления тугоплавких металлов

За счет того, что тугоплавкие стали данной категории характеризуются высокой температурой перехода в хрупкое состояние, при значительном нагреве они деформируются. Чтобы повысить жаропрочность таких сталей, в их химический состав водятся специальные добавки, а для увеличения жаростойкости их легируют такими элементами, как титан, молибден, тантал и др.

Наиболее распространенными соотношениями химических элементов в составе тугоплавких сплавов являются:

• основа – вольфрам и 30% рения;
• 60% ванадия и 40% ниобия;
• основа – 48% железа, 15% ниобия, 5% молибдена и 1% циркония;
• 10% вольфрама и тантал.

Сплавы на основе никеля и смеси никеля с железом

Сплавы на никелевой основе (55% никеля) или выполненные на базе смеси никеля с железом (65%) являются жаропрочными и обладают достойными жаростойкими качествами. Базовым легирующим элементом для любых сталей данной категории является хром, которого в них может содержаться от 14 до 23%.

Если говорить о стойкости и прочности, высокие показатели которых сохраняются при повышенных температурах, то такими качествами обладают стальные сплавы, выполненные на основе никеля.

К наиболее популярным из них относятся ХН60В, ХН67ВМТЮ, ХН70, ХН70МВТЮБ, ХН77ТЮ, ХН78Т, ХН78Т, ХН78МТЮ. Часть сталей данных марок являются жаропрочными, а остальные – жаростойкими.

При нагреве на поверхности изделий из сплавов данных марок появляется оксидная пленка на основе хрома и алюминия, а в твердых растворах структуры таких металлов формируются соединения алюминия с никелем или титана с никелем, что и обеспечивает устойчивость таких материалов к воздействию высоких температур. Более подробно с характеристиками жаропрочных сплавов никелевой группы можно познакомиться, изучив специальные справочники.

Роторные валы из никелевого жаропрочного сплава

Стали никелевой группы используют для изготовления:

• элементов газовых конструкций и коммуникаций (ХН35ВМТЮ; примером изделий подобного назначения является труба жаропрочная);
• конструктивных элементов турбинных устройств (ХН35ВТР);
• конструктивных элементов компрессоров – лопаток и дисков (ХН35ВТЮ);
• роторов, которыми оснащают турбины (ХН35ВТ и ХН35ВМТ).

В заключение познавательное видео о тонкостях производства и обработки стали в домашних условиях.