Жаропрочная сталь

1. Жаропрочные сплавы на основе железа. Это хромистые, хромоникелевые, а также хромомарганцевые стали с молибденовыми, титановыми и вольфрамовыми присадками. Также производят сплавы с такими легирующими элементами, как алюминий, ниобий, ванадий, бор, но в меньших количествах. В большинстве случаев процент добавления присадок в сталь достигает от 15 до 50 %.
2. Жаропрочные металлы на никелевой основе. В качестве присадки используется хром. Жаропрочность также повышают добавки титана, церия, кальция, бора и сходных по составу элементов. В отдельных технологических комплексах востребованы сплавы на основе никеля с молибденом.
3. Термостойкие сплавы на кобальтовой основе. Легирующими элементами для них служат углерод, вольфрам, ниобий, молибден.

Основным свойством жаропрочных сталей является жаропрочность — способность стали работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения. Основными характеристиками жаропрочности являются ползучесть и длительная прочность^[2].

Явление медленной непрерывной пластической деформации под действием постоянного напряжения или нагрузки 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 турбин деформация может быть 1—2 % на 100—500 часов.

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

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 перенасыщенные растворы, 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 не склонный к дисперсионному твердению.

Самым распространённым легирующим элементом в жаропрочных сталях является хром (Cr), который благоприятно влияет на жаростойкость 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)^[3].

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.

Жаропрочные стали и сплавы предназначены для применения при условии воздействия высокой температуры или агрессивной окружающей среды. Есть разные виды, например, инструментальная сталь, которая используется за режущих изделий (резка металлов и прочих). Жаропрочные стали применяют для изготовления, прежде всего компонентов оборудования, которые будут работать в условиях высоких температур и высокого давления, а также в агрессивных средах (например, двигатели внутреннего сгорания, теплообменники, компрессоры, дефлекторы, роторные конструкции, дымоходы и т. п.).

Технологическая платформа «Материалы и технологии металлургии» предусматривает разработку нового поколения жаропрочных материалов и энергоэффективных, ресурсосберегающих технологий их производства, совершенствование компьютерных методов конструирования составов и моделирования технологий производства жаропрочных сплавов, реконструкцию и техническое перевооружение предприятий современным автоматизированным оборудованием, максимально использующим весь спектр современных информационных технологий.

Сегодня созданы сертифицированные производства, которые могут с успехом обеспечить поставку литейных жаропрочных и интерметаллидных сплавов, катодов для нанесения покрытий, порошковых припоев на основе никеля, а также порошков для наплавки и фритт защитных эмалей для штамповки и термической обработки, а также штамповок дисков из жаропрочных и титановых сплавов для малоразмерных двигателей и вспомогательных силовых установок, полученных в условиях изотермии^[4].