Жаропрочные сплавы играют важнейшую роль в процессах термообработки. Они используются в самых разных областях, например для изготовления опорных решеток, корзин из сплавов, реторт, муфелей, излучающих трубок, подовых решеток, рециркуляционных вентиляторов и многого другого, что применяется при термообработке.
Полная справочная информация по жаропрочным сплавам на prokatmetallov.ru
Как правило, содержание хрома в таких сплавах превышает 10 %, а зачастую и намного выше. Эти сплавы предназначены для работы при температурах выше 650 °C и обладают достаточной механической прочностью и пластичностью, чтобы соответствовать требуемым свойствам при высоких температурах. Кроме того, эти сплавы должны иметь устойчивую поверхностную пленку, защищающую от окисления, и обладать химической стойкостью как в окислительных, так и в восстановительных и науглероживающих средах, которые часто встречаются при термообработке.
Существует три основные группы сплавов, используемых при термообработке и в высокотемпературных процессах. Это сплавы на основе хрома и железа; на основе хрома, никеля и железа; а также сплавы на основе никеля, хрома и железа.
Хромистые железные сплавы — это сплавы с ограниченным содержанием никеля (до 7 %), в которых хром является основным легирующим элементом. Эти сплавы в основном ферритные и обладают низкой жаропрочностью. Как правило, их можно использовать при температуре ниже 750 °C. Чаще всего они применяются в средах с высоким содержанием серы, например в нефтехимической промышленности.
Хромоникелевые сплавы обладают жаропрочностью и хорошей пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии. Эти сплавы содержат 8–22 % никеля и 18–32 % хрома. Они преимущественно аустенитные, однако некоторые сплавы представляют собой смесь феррита и аустенита. Наличие карбидов повышает жаропрочность.
Никель-хром-железные сплавы наиболее широко используются в сфере термообработки. Эти сплавы полностью аустенитные и могут применяться при температуре до 1150 °C. Они содержат от 25 до 70 % никеля и от 10 до 26 % хрома. Как правило, они не склонны к образованию сигма-фазы, которая может приводить к охрупчиванию других групп сплавов. Наибольшее количество жаропрочных отливок производится из сплава типа HT, на его долю приходится почти 15 % от общего объема производства. HT обладает хорошей устойчивостью к окислению, термостойкостью и прочностью при температурах, характерных для печей.
Эти сплавы обладают превосходной жаропрочностью, устойчивостью к науглероживанию и термической усталости. Чаще всего их используют для термообработки корзин и других деталей, подверженных большим температурным градиентам и циклическим температурным нагрузкам.
Влияние легирующих элементов
Различные химические компоненты по-разному влияют на термостойкость.
- Никель
В жаропрочных сплавах никель присутствует почти в 70-процентном количестве. Никель способствует образованию аустенита, который более стабилен при повышенных температурах, чем феррит. Никель повышает прочность матрицы, а также обеспечивает ее пластичность. Кроме того, он повышает устойчивость к науглероживанию при обработке.
- Хром
В жаропрочных сплавах содержание хрома варьируется примерно от 10 до 30 процентов. Хром повышает прочность сплава при повышенных температурах за счет образования карбидов хрома в матрице. Это способствует повышению сопротивления ползучести и разрушению при высоких температурах за счет закрепления границ зерен и предотвращения скольжения по границам зерен. Но самое главное — хром образует на поверхности детали прочную оксидную пленку.
- Другие элементы
Углерод является источником карбидов в структуре сплава. Несмотря на то, что повышенное содержание углерода может привести к сенсибилизации, оно повышает жаропрочность и устойчивость к ползучести.
Кремний повышает устойчивость к высокотемпературному окислению. Он также может образовывать субмикроскопические чешуйки кремнезема под поверхностным слоем из сложных оксидов хрома, что еще больше повышает устойчивость к окислению. Как правило, содержание кремния не превышает 1,5 %, поскольку большее его количество может негативно сказаться на характеристиках ползучести и разрушения при высоких температурах.
Влияние микроструктуры
Как правило, сплавы, предназначенные для эксплуатации при температуре до 650 °C, имеют смешанную микроструктуру, состоящую из феррита и аустенита. При эксплуатации при температуре выше 650 °C матрица является аустенитной. Присутствие феррита при температурах выше 650 °C нежелательно, так как это может привести к превращению феррита в сигма-фазу. Сигма-фаза серьезно снижает ударную вязкость при комнатной температуре. Основным источником прочности является дисперсионное твердение аустенита за счет добавления никеля и хрома.
Карбиды также повышают жаропрочность, фиксируя границы зерен и препятствуя движению дислокаций. Карбиды железа склонны к повторному растворению в матрице при рабочих температурах, но добавки никеля и хрома замедляют растворение карбидов в матрице.
Отливки прочнее кованых изделий при одинаковом составе. Это связано с тем, что в отливках обычно содержится больше углерода, чем в кованых изделиях. Кроме того, наличие дендритов в отливках препятствует скольжению по границам зерен и обеспечивает эффект взаимозацепления, снижающий ползучесть.
Высокотемпературные свойства
Как и в случае с большинством металлов, прочность материала снижается при повышении температуры. Цель создания жаропрочных сплавов — замедлить снижение свойств материала при повышении температуры.
При высоких температурах напряженные металлы подвергаются упругой и медленной пластической деформации. Время воздействия температуры — важный фактор, который не учитывается при испытаниях на растяжение при комнатной температуре. Предел ползучести и предел прочности при растяжении — это характеристики, которые используются при проектировании конструкций для эксплуатации при повышенных температурах.
Предел ползучести — это медленная деформация, возникающая под действием нагрузки при повышенных температурах. Характеристики ползучести определяются при постоянной нагрузке и температуре. Для проектирования деталей печей в качестве сравнительного показателя используется значение 0,0001 % в час. Пример сравнения предела ползучести сплавов RA330 и ACI HT (аналогичный состав) показан на рисунке.
Характеристики разрушения под напряжением определяются при постоянной нагрузке и постоянной температуре. Это позволяет приблизительно оценить время до разрушения при определенных условиях нагрузки и рабочей температуре. Обычно характеристики разрушения под напряжением указываются как напряжение, при котором происходит разрушение в течение определенного времени, например 100 или 1000 часов.