В теплоэнергетическом машиностроении работает оборудование, подвижные детали которого постоянно функционируют при высоких температурах, достигающих 600…7500С. Работоспособность обычных конструкционных сталей в таких условиях ограничена: ухудшаются их эксплуатационные характеристики, происходят неблагоприятные изменения состояния макро- и микроструктуры, связанные с ростом зерен.
Учитывая это, компания ЗАО «ТФД «Брок Инвест Сервис и К» постоянно предлагает своим заказчикам обширный каталог жаропрочных сталей, обладающим повышенной стойкостью к высоким температурам.
Жаропрочная и жаростойкая сталь: в чем разница
«Жаростойкость» — это широкое понятие, тогда как жаропрочная сталь — это особый тип материала (сплава), предназначенный для сохранения прочности и устойчивости к образованию окалины/окислению при высоких температурах (выше 500…5500С). Это отличает рассматриваемый вид сталей от обычных, которые теряют часть своих механических показателей. Жаростойкие стали сами по себе являются решением для высокотемпературных применений, таких как печи или двигатели повышенной мощности.
Ключевые различия и концепции
Жаростойкость описывает любой материал, который может выдерживать высокие температуры без плавления. Такие стали обычно представляют собой сплавы на основе железа с добавленными элементами (такими как хром, никель, молибден, часто - алюминий), которые придают ему превосходную прочность и стойкость к окислению (вследствие образования защитных оксидных слоев), а также сопротивления ползучести (сопротивление медленной деформации под нагрузкой) при температурах, обычно превышающих 5500С.
Жаропрочные стали — это специализированные сплавы, предназначенные для работы при повышенных и высоких температурах, устойчивые к окислению, окалине и, в зависимости от типа, механической деформации.
Их свойства определяются высоколегированными составами, в которых используются химические элементы, облегчающие формирования защитных поверхностных слоев. Основное различие между жаропрочной сталью и тем, что обычно называют жаростойкой или, более формально, стойкой к ползучести (или высокопрочной при высоких температурах) сталью, заключается в их основной функции в условиях высоких температур: жаропрочная сталь предназначена для защиты от химического разложения (образования окалины) под воздействием газов, в то время как устойчивая к ползучести сталь предназначена для поддержания прочности конструкции и сопротивления деформации при механических нагрузках.
Вот подробное описание различий:
Термостойкая сталь (сталь, устойчивая к образованию окалины). Основное назначение: противостоит окислению, науглероживанию и коррозии в горячих окисляющих газах. Основные характеристики: образует плотный защитный и прилипающий оксидный слой (окалину) на поверхности, защищающий материал от дальнейшей коррозии. Ключевые легирующие элементы: С высоким содержанием хрома (Cr), часто с кремнием (Si) и алюминием (Al). Рабочие температуры: до 1150°C. Области применения: Компоненты, не несущие нагрузки, такие как детали промышленных печей, корпуса теплообменников, колосниковые решетки и выхлопные трубы.
Жаропрочная сталь, устойчивая к ползучести/прочная при высоких температурах). Основное назначение: противостоит ползучести — медленной деформации или провисанию материала при воздействии непрерывных, длительных механических нагрузок при высоких температурах. Ключевые характеристики: сохраняет свою структурную целостность, жесткость и форму под нагрузкой. Ключевые легирующие элементы: молибден (Mo), вольфрам (W) и ванадий (V), которые укрепляют кристаллическую решетку. Рабочие температуры: обычно от 500 ° C до 650 ° C (диапазон ограничен механическим воздействием, а не только окислением). Области применения: несущие компоненты - лопатки турбин, трубы пароперегревателей в котлах, а также температуростойкие болты и гайки.
Таким образом, если вам нужен термостойкий металл, способный выдерживать воздействие атмосферы печи при температуре 1000 ° C без разрушения, но при этом не несущий большой нагрузки, вы выбираете жаропрочную сталь. Если этот же материал должен выдерживать еще и большое давление (например, в паровой трубе) при температуре 600 ° C, вы должны выбрать сталь, устойчивую к ползучести (термостойкость).
Структурные особенности
Микроструктура жаропрочной стали специально разработана для того, чтобы выдерживать воздействие высокотемпературных сред, и обычно подразделяется на три основных типа:
- Аустенитная структура: содержит большое количество никеля (Ni) и хрома (Cr), что обеспечивает превосходную жаропрочность и стойкость к окислению. Они, как правило, немагнитны и часто используются при самых высоких температурах.
- Ферритная структура: Обычно это марки с повышенных содержанием хрома (не менее 11…17%), часто с добавками кремния или алюминия. Они ферромагнитны и обладают хорошей устойчивостью к окалине, но более низкой прочностью ползучести, чем аустенитные типы.
- Мартенситная структура: такие стали содержат 12…18% хрома и имеют более высоким содержанием углерода, что позволяет проводить термообработку - закаливать и отпускать. Они используются там, где необходимы как термостойкость, так и высокая механическая прочность (твердость).
Защитный оксидный слой
Характерной особенностью жаропрочных сталей является образование плотного, прочного и стабильного слоя оксида хрома (Cr2O3), оксида кремния или оксида алюминия на поверхности. При воздействии высоких температур, этот слой действует как барьер против дальнейшего окисления.
Высокая температуростойкость достигается за счет добавления молибдена (Mo), вольфрама (W) и ванадия (V) – элементами, усиливающими кристаллическую структуру сталей. Они обладают превосходной коррозионной стойкостью - стойкостью к горячим дымовым газам, продуктам сгорания и, в некоторых случаях, к сернистым атмосферам. Структурная стабильность этих сталей заключается в сохранении своей микроструктурной целостности в течение длительных периодов эксплуатации, противодействуя быстрому росту зерен или фазовым изменениям, которые могут снизить прочность металла.
Хорошая свариваемость и формуемость: особенно характерна для аустенитных марок, что позволяет использовать их в сложных компонентах для печей и вытяжных системах.
Ключевые легирующие элементы
Характеристики жаропрочной стали определяются ее составом, где обязательно присутствуют:
- Хром (Cr): наиболее важный элемент, образующий защитный слой, устойчивый к образованию окалины;
- Кремний (Si) и алюминий (Al): добавляются для дальнейшего повышения стойкости к окислению, особенно при очень высоких температурах;
- Никель (Ni): стабилизирует аустенитную структуру, повышая ударную вязкость и жаропрочность;
- Молибден (Mo) и вольфрам (W): имеют решающее значение для сопротивления ползучести и повышения прочности на разрыв при высоких температурах.
По сути, жаропрочные стали — это высоколегированные сплавы, разработанные с учетом жаростойкости, что делает их высокоэффективным материалом для работы в особо сложных термических условиях. Поэтому их свойства регламентируют технические требования ГОСТ 5632-2014.
Типичные области применения
Включают:
- Промышленные печи: мусоросжигательные заводы, муфели, решетки и компоненты, подвергающиеся воздействию открытого огня.
- Производство электроэнергии: котельные трубы, паропроводы и пароперегреватели.
- В автомобильной и аэрокосмической промышленности: выхлопные системы, турбокомпрессоры и лопатки турбин.
- В нефтехимической промышленности: компоненты, работающие с горячими коррозийными газами.
Примеры использования
Топ-4 жаропрочных сталей, их марки, физико-механические свойства и применение
В четверку лучших жаропрочных сталей входят, прежде всего, высоколегированные аустенитные нержавеющие стали и ферритные стали с высоким содержанием кремния, известные своими исключительными характеристиками в высокотемпературных, высокопрочных или окислительных средах.
- AISI 310/310S (российский аналог стали AISI 310 — сталь 20Х23Н18, а для AISI 310S - с пониженным содержанием углерода — 10Х23Н18). Эти стали часто считают стандартом для высокотемпературного применения. Представляют собой высоколегированные аустенитные нержавеющие стали, что делает их идеальными для непрерывной эксплуатации при температуре до 1100°C. Свойства: высокое содержание хрома (25%) и никеля (20%) обеспечивает превосходную стойкость к окислительной и науглероживающей атмосфере. Стали обладают превосходным сопротивлением ползучести, хорошей ударной вязкостью и менее подвержены охрупчиванию. Механические свойства (комнатная температура): Предел прочности: (ge ) 515 МПа; Предел текучести 205 МПа.
- 253MA (UNS S30815). Обозначение 253MA — аустенитный сорт, содержащий редкоземельные металлы (церий) и высокое содержание кремния, разработанный для обеспечения исключительной стойкости к окислению в экстремальных условиях (до 1150°C). Российского прямого аналога, полностью идентичного UNS S30815 / 253MA (EN 1.4835), нет, но ближайшими по назначению (жаропрочные, стойкие к окислению до 1150°C) является сталь 10Х23Н18, которая также используется для высокотемпературных применений. Отметим, что 253MA обладает лучшей стойкостью к циклическим нагрузкам благодаря церию и кремнию. Свойства: отличная стойкость к окислению при высоких температурах в сочетании с высокой прочностью на ползучесть. Благодаря своему уникальному составу сталь работает лучше в условиях циклических нагрузок. Механические свойства (комнатная температура): предел прочности: 600…850 МПа, предел текучести310 МПа.
- AISI 309/309S (UNS S30900/S30908). Аустенитная хромоникелевая нержавеющая сталь AISI 309 обеспечивает более высокую стойкость к окислению и коррозии по сравнению с нержавеющими сталями 304 или 316, с максимальной рабочей температурой около 1050°C. Сталь 20Х23Н13 - основной российский аналог для AISI 309, сталь 08Х23Н13 российский аналог для AISI 309S, с низким содержанием углерода. Свойства: устойчивая к образованию окалины при высоких температурах; хорошая устойчивость к серосодержащим атмосферам. Механические свойства (комнатная температура): предел прочности 515 МПа, предел текучести: 205 МПа. Применение: детали печей, камеры сгорания, футеровки печей, теплообменники и ванны для цементации.
- AISI 330 (UNS N08330). Обычно называемый RA330, это аустенитный сплав с высоким содержанием никеля (35%) и хрома (19%), обеспечивающий превосходную стойкость, как к окислению, так и к науглероживанию. Российским аналогом стали часто считается сталь 20Х23Н18 или 08Х18Н10Т. Однако важно сопоставлять химический состав, поскольку AISI 330 имеет высокое содержание никеля и хрома, для стойкости к окислению и ползучести при температурах до 1100°C, а 20Х23Н18 (аналог AISI 310/310S) хороша до 1000…1100°C.
Для точной замены всегда используют таблицы соответствия и спецификации применения. При выборе марки жаропрочной стали вам всегда помогут специалисты нашей компании.