Нержавеющие жаростойкие стали

Содержание

1.Нержавеющая сталь	2
1.1. Химический состав	2
1.2. Классификация	2
1.3. Производство и применение	4
2. Жаропрочная сталь	5
2. 1 Характеристика	5
2. 2 Характеристика химического состава	5
3. Жаростойкая сталь	6
3.1 Характеристика	6
3.2 Маркировка	6
3.3 Классификация	7
4.Литература	8

 

 

 

1. Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь — легированная сталь, устойчивая к коррозии в атмосфере и агрессивных средах.

В 1913 году Гарри Бреарли (Harry Brearley), экспериментировавший с различными видами и свойствами сплавов, обнаружил способность стали с высоким одержанием хрома сопротивляться кислотной коррозии.

 

1.1. Химический состав

При выборе химического состава  коррозионностойкого сплава руководствуются так называемым правилом  : если к металлу, неустойчивому к коррозии (например, к железу) добавлять металл, образующий с ним твердый раствор и устойчивый против коррозии (к примеру хром), то защитное действие проявляется скачкообразно при введении   моля второго металла (коррозионная стойкость возрастает не пропорционально количеству легирующего компонента, а скачкообразно). Основной легирующий элемент нержавеющей стали — хром Cr (12-20 %); помимо хрома, нержавеющая сталь содержит элементы, сопутствующие железу в его сплавах (С, Si, Mn, S, Р), а также элементы, вводимые в сталь для придания ей необходимых физико-механических свойств и коррозионной стойкости (Ni, Mn, Ti, Nb, Co, Mo).

Сопротивление нержавеющей стали к коррозии напрямую зависит от содержания хрома: при его содержании 13 % и выше сплавы являются нержавеющими в обычных условиях и в слабоагрессивных средах, более 17 % — коррозионностойкими и в более агрессивных окислительных и других средах, в частности, в азотной кислоте крепостью до 50 %.

Причина коррозионной стойкости  нержавеющей стали объясняется, главным образом, тем, что на поверхности  хромсодержащей детали, контактирующей с агрессивной средой, образуется тонкая плёнка нерастворимых окислов, при этом большое значение имеет  состояние поверхности материала, отсутствие внутренних напряжений и  кристаллических дефектов.

В сильных кислотах (серной, соляной, фосфорной и их смесях) применяют сложнолегированные сплавы с высоким содержанием Ni и присадками Mo, Cu, Si.

1.2. Классификация

По химическому составу  нержавеющие стали делятся на:

• Хромистые, которые, в свою очередь, по структуре делятся на;
• Мартенситные;
• Полуферритные (мартенисто-ферритные);
• Ферритные;
• Хромоникелевые;
• Аустенитные
• Аустенитно-ферритные
• Аустенитно-мартенситные
• Аустенитно-карбидные
• Хромомарганцевоникелевые (классификация совпадает с хромоникелевыми нержавеющими сталями).

Различают аустенитные нержавеющие стали, склонные к межкристаллитной коррозии, и стабилизированные — с добавкамиTi и Nb. Значительное уменьшение склонности нержавеющей стали к межкристаллитной коррозии достигается снижением содержания углерода (до 0,03 %).

Нержавеющие стали, склонные к межкристаллитной коррозии, после  сварки, как правило, подвергаются термической  обработке.

Широкое распространение  получили сплавы железа и никеля, в  которых за счёт никеля аустенитная структура железа стабилизируется, а сплав превращается в слабо-магнитный материал.

Мартенситные и мартенсито-ферритные стали

Мартенситные и мартенситно-ферритные  стали обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах (в слабых растворах солей, кислот) и имеют  высокие механические свойства. В  основном их используют для изделий, работающих на износ, в качестве режущего инструмента, в частности, ножей, для  упругих элементов и конструкций  в пищевой и химической промышленности, находящихся в контакте со слабоагрессивными  средами. К этому виду относятся, стали типа 30Х13, 40Х13 и т. д.

Ферритные стали

Эти стали применяют для  изготовления изделий, работающих в  окислительных средах (например, в  растворах азотной кислоты), для  бытовых приборов, в пищевой, легкой промышленности и для теплообменного оборудования в энергомашиностроении. Ферритные хромистые стали имеют  высокую коррозионную стойкость  в азотной кислоте, водных растворах  аммиака, в аммиачной селитре, смеси  азотной, фосфорной и фтористоводородной кислот, а также в других агрессивных  средах. К этому виду относятся, стали 400 серии.

Аустенитные стали

Основным преимуществом  сталей аустенитного класса являются их высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Поэтому аустенитные коррозионностойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения. К данному классу относятся стали 300 серии.

Аустенито-ферритные и аустенито-мартенситные стали

Аустенито-ферритные стали. Преимущество сталей этой группы — повышенный предел текучести по сравнению с аустенитными однофазными сталями, отсутствие склонности к росту зёрен при сохранении двухфазной структуры, меньшее содержание остродефицитного никеля и хорошая свариваемость. Аустенито-ферритные стали находят широкое применение в различных отраслях современной техники, особенно в химическом машиностроении, судостроении, авиации. К этому виду относятся, стали типа 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т, 08Х18Г8Н2Т.

Аустенито-мартенситные стали. Потребности новых отраслей современной техники в коррозионностойких сталях повышенной прочности и технологичности привели к разработке сталей аустенито-мартенситного (переходного) класса. Это стали типа 07Х16Н6, 09Х15Н9Ю, 08Х17Н5М3.

Сплавы на железоникелевой  и никелевой основе.

При изготовлении химической аппаратуры, особенно для работы в  серной и соляной кислотах, необходимо применять сплавы с более высокой  коррозионной стойкостью, чем аустенитные стали. Для этих целей используют сплавы на железноникелевой основе типа 04ХН40МТДТЮ и сплавы на никельмолибденовой основе Н70МФ, на хромоникелевой основе ХН58В и хромоникельмолибденовой основе ХН65МВ, ХН60МБ.

1.3. Производство и применение

Согласно данным ISSF, мировой объем выплавки нержавеющей стали в 2009 году составил 24,579 млн тонн^[1]

• Хромистые нержавеющие стали:
• Клапаны гидравлических прессов;
• Турбинные лопатки;
• Арматура крекинг-установок;
• Режущий инструмент;
• Пружины;
• Бытовые предметы;
• Хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые нержавеющие стали:
• Бытовые предметы, в частности, столовая посуда (пищевые марки стали)
• Стабилизированные аустенитные нержавеющие стали:
• Сварная аппаратура, работающей в агрессивных средах
• Изделия, работающие при высоких температурах — 550—800 °C
• Пищевая промышленность;

Нержавеющие стали используются как в деформированном, так и  в литом состоянии.

2Жаропрочная сталь

Жаропро́чная сталь — это вид стали, который используется в условиях высоких температур (от 0,3 части от температуры плавления) в течение определённого времени, а также в условиях слабонапряжённого состояния.

Главной характеристикой, определяющей работоспособность стали, является жаропрочность.

2.1 Характеристика

Жаропрочность — это способность стали работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения. Основными характеристиками жаропрочности являются ползучесть и длительная прочность.

Ползучесть

Явление непрерывной деформации под действием постоянного напряжения называется ползучестью. Характеристикой  ползучести является предел ползучести, характеризующий условное растягивающее  напряжение, при котором скорость и деформация ползучести за определённое время достигают заданной величины. Если допуск даётся по скорости ползучести, то предел ползучести обозначается σ(сигма) с двумя индексами: нижний соответствует заданной скорости ползучести в %/ч (проценты в час), а верхний - температуре испытания. Если задаётся относительное удлинение, то в обозначение предела ползучести вводят три индекса: один верхний соответствует температуре испытания, два нижних — деформации и времени. Для деталей, работающих длительный срок (годы), предел ползучести должен характеризоваться малой деформацией, возникающей при значительной длительности приложения нагрузки. Для паровых турбин, лопаток паровых турбин, работающих под давлением, допускается суммарная деформация не более 1 % за 100000 часов, в отдельных случаях допускается 5 %. У лопаток газовых турбиндеформация может быть 1-2 % на 100—500 часов.

Длительная прочность

Сопротивление стали разрушению при длительном воздействии температуры  характеризуется длительной прочностью.

Длительная прочность — это условное напряжение, под действием которого сталь при данной температуре разрушается через заданный промежуток времени

2.2 Характеристика химического  состава

Жаропрочные свойства в первую очередь определяются температурой плавления основного компонента сплава, затем его легированием и режимами предшествующей термообработки, определяющими структурное состояние сплава. Основой жаропрочных сталей являются твёрдые растворы или пересыщенныё раствор, способные к дополнительному упрочнению вследствие дисперсионного твердения.

Для кратковременной службы применяются сплавы с высокодисперсным распределением второй фазы, а для  длительной службы — структурно-стабильные сплавы. Для длительной службы выбирается сплав несклонный к дисперсионному твердению.

Самым распространённым легирующим элементом в жаропрочных сталях является хром (Cr), который благоприятно влияет нажаростойкость и жаропрочность.

Высоколегированные жаропрочные  стали из-за различных систем легирования  относятся к различным классам:

• ферритные (08Х17Т, 1Х13Ю4, 05Х27Ю5),
• мартенситные (20Х13, 30Х13),
• мартенситно-ферритные (15Х12ВН14Ф),
• аустенитные (37Х12Н8Г8МФБ).

Внутри каждого класса различаются стали с различным  типом упрочнения:

карбидным,

интерметаллидным,

смешанным (карбидно-интерметаллидным).

Для котельных установок, работающих длительное время (10 000—100 000 часов) при температурах 500—580 °C, рекомендуются стали перлитного класса, введение молибдена в которые повышает температуру рекристаллизации феррита и тем самым повышает его жаропрочность.

Однако бо́льшую часть жаропрочных сталей, работающих при повышенных температурах, составляют аустенитные стали на хромоникелевой и хромомарганцевой основах с различным дополнительным легированием. Эти стали подразделены на три группы:

• гомогенные (однофазные) аустенитные стали, жаропрочность которых обеспечивается в основном легированностью твёрдого раствора;
• стали с карбидным упрочнением;
• стали с интерметаллидным упрочнением.

 

3.1Жаростойкая  сталь

Жаросто́йкая (окалиносто́йкая) сталь - это сталь, обладающая стойкостью против коррозионного разрушения поверхности в газовых средах при температурах свыше 550 °C, работающая в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

3.1 Характеристика

Жаростойкость (окалиностойкость) стали характеризуется сопротивлениемокислению при высоких температурах. Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами, которые изменяют состав и строение окалины. В результате введения в сталь необходимого количества хрома (Cr) или кремния(Si), обладающих бо́льшим родством с кислородом (O), чем железо (Fe), в процессе окисления на поверхности образуются плотные оксиды на основе хрома или кремния. Образовывающаяся тонкая плёнка из этих оксидов затрудняет процесс дальнейшего окисления. Чтобы обеспечить окалиностойкость до температуры 1100 °C в стали должно быть не менее 28% хрома (например сталь 15Х28). Наилучшие результаты получаются при одновременном легировании стали хромом и кремнием.

3.2 Маркировка

Пример: 20Х25Н20С2.

Цифры вначале  маркировки указывают на содержание в стали углерода в сотых долях  процента.

Буква без  цифры - определённый легирующий элемент  с содержанием в стали менее 1%:

Х - хром;

Н - никель;

С - кремний;

Т - титан;

М - молибден.

Буква и цифра  после неё - определённый легирующий элемент с содержанием в процентах (цифра).

 

3.3 Классификация

Жаростойкие стали подразделяются на несколько групп:

• хромистые стали ферритного класса;
• хромокремнистые стали мартенситного класса;
• хромоникелевые стали аустенитно-ферритного класса;
• хромоникелевые аустенитные стали.