По определению, термостойкие изделия обычно используются при температурах выше 1200°F/670°C и требуют использования материалов с повышенной стойкостью к окислению и другим газам, характерным для окружающей среды, а также к ухудшению механических свойств. Работоспособность в этих высокотемпературных средах определяется приемлемыми уровнями прочности на растяжение, прочности на разрыв и сопротивления ползучести, которые соответствуют требуемому сроку службы.
Как правило, свойства материала ухудшаются при повышении температуры. Особенно это заметно в углеродистой стали. За прошедшие годы металлургические компании разработали легированные стали, содержащие никель и хром, которые, среди прочего, значительно улучшили прочность и пластичность. Исторически наиболее часто используемыми материалами в этих областях являются сплавы, соответствующие литейным нержавеющим сталям ASTM A297 «серии H», хотя в последние годы предпочтение отдается многим запатентованным сплавам.
Основными группами жаропрочных сплавов являются аустенитные сплавы с высоким содержанием хрома и никеля, также известные как жаропрочные нержавеющие стали, сплавы на основе никеля, сплавы на основе кобальта, хрома и никеля и молибден-титановые сплавы.
В случае высоких требований к прочности при повышенной температуре, циклическом термическом воздействии или агрессивной углеродистой атмосфере (а углерод является врагом в некоторых высокотемпературных применениях, таких как нефтехимические печи), обычно выбирают сплавы на основе никеля. Однако можно также использовать сплавы на основе кобальта. Основной компромисс обычно экономический. Сравнение высокой первоначальной стоимости со стоимостью жизненного цикла обычного жаропрочного сплава поможет определить наилучшую долгосрочную ценность.
В промышленности часто встречаются высокотемпературные применения, требующие жаростойких материалов. Эти приложения включают электростанции, пиропереработку минералов (например, цемента, извести и железной руды), сжигание отходов, нефтехимическую переработку, сталелитейные и цветные металлургические комбинаты, металлообработку, включая термообработку, и производство/формовку стекла.
Часто первым соображением при выборе сплава для высокотемпературного применения является его прочность при повышенных температурах. Тем не менее, прочность не является единственным ключевым фактором, поскольку многие высокотемпературные применения происходят в суровых коррозионных средах, таких как химические заводы. (По этой причине модуль коррозии в этой серии информационных бюллетеней может быть ценным ресурсом при оценке выбора материалов для повышенных температур.)
Относительная прочность сплавов демонстрируется на краткосрочной основе с помощью обычных испытаний на растяжение при повышенных температурах. Для характеристик сплава в долгосрочной перспективе разработчик должен учитывать дополнительные свойства, включая прочность на разрыв при напряжении, сопротивление ползучести и / или термическую усталостную прочность.
Компромиссы для жаропрочных сплавов
При обсуждении применения жаропрочных отливок существует очевидный компромисс между стоимостью жизненного цикла более дорогих запатентованных сплавов и более традиционных сплавов, которые могут встречаться в полевых условиях. Может оказаться полезным классифицировать сплавы по пяти часто используемым категориям. Следующее введение дает некоторую перспективу и общую структуру, которую можно использовать для классификации сплавов, рассматриваемых для применения.
Стресс разрыв
Как правило, первое, на что следует обратить внимание при выборе сплава, — это прочность на разрыв при напряжении. Прочность на разрыв — это минимальное напряжение, которое может привести к отказу оборудования в течение расчетного срока службы. Например, в нефтехимии это 100,000 11.4 часов (XNUMX года). Эти значения обычно экстраполируются из тестов меньшей продолжительности.
Ползать
Ползучесть – это деформация, определяемая в единицу времени, возникающая под нагрузкой при повышенных температурах. Ползучесть возникает во многих областях применения жаростойких отливок при рабочих температурах. Со временем ползучесть может привести к чрезмерной деформации, что в дальнейшем может привести к разрушению при напряжениях значительно ниже тех, которые вызвали бы разрушение при испытании на растяжение при той же температуре.
Термическая усталость
Компоненты, которые будут подвергаться термоциклированию или тепловому удару во время эксплуатации, требуют учета термической усталости. Усталость – это состояние, при котором переменные нагрузки приводят к отказу в более короткие сроки и при меньших напряжениях, чем можно было бы ожидать при постоянной нагрузке. Термическая усталость – это состояние, при котором напряжения в основном возникают из-за затрудненного расширения или сжатия. Они могут быть вызваны либо внешними ограничениями, либо температурными градиентами внутри компонента. Выбор сплавов для этого вида работ по-прежнему основывается главным образом на опыте и является одной из областей, в которых технический совет по металлургии будет полезен для пользователей.
Тепловое расширение
Еще одним важным фактором при выборе является тепловое расширение. Например, соседние части должны расширяться и сжиматься с одинаковой скоростью, иначе одна из них может треснуть. Инвар, например, испытывает очень низкое тепловое расширение и поэтому используется в штампах для высокоточного литья. Есть много других примеров подбора материалов друг к другу или к спецификациям приложения. Ваш консультант по металлургии также может помочь в этом.
сварка
Не во всех приложениях требуется, чтобы компонент был сварным, но особое внимание следует уделить, когда приложение требует сварного узла. Например, некоторые сплавы никеля и кобальта очень трудно сваривать, поэтому первостепенное значение имеет компромисс между свойствами, которые могут обеспечить эти материалы, и способностью создавать конечный продукт.
Желательные характеристики жаропрочных сплавов
- Низкие затраты на материалы и обработку согласуются с приемлемым сроком службы при высоких температурах.
- Низкое содержание кислорода, азота и водорода.
- Высокая пластичность, усталостная прочность и ударная вязкость при комнатной температуре.
- Высокая стойкость к окислению в применениях, требующих воздействия воздуха или пара при повышенных температурах.
- Небольшое снижение прочности при повышенной температуре.
- Высокая стойкость к продуктам горения или газообразным химическим продуктам при повышенных температурах.
- Высокая устойчивость к тепловому удару при нагреве или охлаждении.
- Высокая усталостная прочность при повышенных температурах.
- Высокая прочность на ползучести при динамической нагрузке при повышенных температурах.
- Высокий модуль упругости при температуре применения и/или низкое тепловое расширение.
- Адекватная свариваемость.
- Умеренно крупный размер зерна для повышения прочности на разрыв при напряжении.
Заключение
Высокотемпературные приложения и среды различаются. Понимание нагрузок, с которыми будут сталкиваться компоненты, и балансировка этих нагрузок со свойствами материалов различных сплавов обеспечат рентабельную производительность.
Жаропрочные нержавеющие стали – производство, сплавы, характеристики
Один определяет жаростойкие нержавеющие стали как сплавы, которые используются при температурах от 500 до 1150 градусов Цельсия. На техническом языке их еще называют жаростойкий и устойчивый к ползучести.
По микроструктуре и соответственно химическому анализу жаропрочные стали можно разделить на группы ферритный и аустенитный стали и сплавы на основе никеля.
Плавка этих сплавов лишь незначительно отличается от обычных ферритных и аустенитных сталей и сплавов на основе никеля.
Однако некоторые элементы играют существенную роль при плавке жаропрочных нержавеющих сталей. Например, более высокий углерод (C) применимо содержание стандартных сортов. В зависимости от конкретных разрядов алюминий (ИИ), кремний (Си), азот (N), но и металлы редкоземельные элементы как церий (Ce) принадлежат этим элементам. В сплавах на основе никеля также медь (медь), кобальт (Ко) и борную (B) можно найти в композиции.
Химический анализ жаропрочных нержавеющих сталей
В следующем обзоре вы найдете несколько примеров:
Ферритный
| EN-№. | ASTM | С макс. | Cr | Ni | Ti | N | Al | Si | Ce | Другое | Макс. температура (*) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.4713 | 0.12 | 6.0-8.0 | – | – | – | 0.5-1.0 | 0.5-1.0 | – | – | 800 ° C | |
| 1.4724 | 0.12 | 12.0-14.0 | – | – | – | 0.7-1.2 | 0.7-1.4 | – | – | 850 ° C | |
| 1.4742 | 0.12 | 17.0-19.0 | – | – | – | 0.7-1.2 | 0.7-1.4 | – | – | 1000 ° C |
аустенитный
| EN-№. | ASTM | С макс. | Cr | Ni | Ti | N | Al | Si | Ce | Другое | Макс. отн.(*) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.4948 | 304H | 0.2 | 17.0-19.0 | 8.0-11.0 | Максимум 0.10 | – | Максимум 0.50 | – | – | 750 ° C | |
| 1.4878 | 321H | 0.1 | 17.0-19.0 | 9.0-12.0 | Мин. 4x (C+N); Макс. 0.70 | Максимум 0.10 | – | Максимум 0.75 | – | – | 850 ° C |
| 1.4828 | – | 0.2 | 19.0-21.0 | 11.0-13.0 | – | Максимум 0.11 | – | 1.5-2.5 | – | – | 1000 ° C |
| 1.4883 | 309S | 0.08 | 22.0-24.0 | 12.0-15.0 | – | Максимум 0.11 | – | Максимум 0.75 | – | – | 1000 ° C |
| 1.4845 | 310S | 0.1 | 24.0-26-0 | 19.0-22.0 | – | Максимум 0.11 | – | Максимум 1.5 | – | – | 1050 ° C |
| 1.4818 | – | 0.08 | 18.0-20.0 | 9.0-11.0 | – | 0.12-0.20 | – | 1.0-2.0 | 0.03-0.08 | – | 1050 ° C |
| 1.4835 | – | 0.12 | 20.0-22.0 | 10.0-12.0 | – | 0.12-0.20 | – | 1.4-2.5 | 0.03-0.08 | – | 1150 ° C |
| 1.4841 | 314 | 0.2 | 24.0-26.0 | 19.0-22.0 | – | – | – | 1.5-2.5 | – | 1150 ° C |
Сплавы на основе никеля
| EN-№. | ASTM | С макс. | Cr | Ni | Ti | N | Al | Si | Ce | Другое | Макс. отн.(*) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2.4816 | Сплав 600 | 0.05-0.10 | 14.0-17.0 | Мин, 72 | Максимум 0.3 | – | Максимум 0.3 | Максимум 0.5 | – | Co, Cu, B | 600-900 ° C |
| 2.4851 | Сплав 600 | 0.03-0.01 | 21.0-25.0 | 58.0-63.0 | Максимум 0.5 | – | 1.0-1.7 | Максимум 0.5 | – | Cu, Б | 550-1200 ° C |
(*) Максимальная рекомендуемая рабочая температура относительно воздуха
К этим сталям предъявляются не только жаропрочные, но и Высокая прочность и коррозионная стойкость при разные рабочие температуры.
Очень важны критерии усталостной прочности/сопротивления ползучести при высоких температурах.
Точно так же и в других секторах так называемые издержки жизненного цикла (LCC) играют существенную роль при выборе материала.
Характеристика жаропрочных нержавеющих сталей
В отличие от обычных ферритных, аустенитных и никелевых сплавов, в этих конкретных сталях основное внимание, несомненно, уделяется напряжениям, вызванным высокими температурами, как упоминалось ранее. Наиболее важными критериями являются:
Высокая усталостная прочность/сопротивление ползучести в желаемом диапазоне температур
Устойчивость к высокотемпературной коррозии
Стойкость к образованию накипи путем создания оксидного слоя
Особая характеристика против стресса, вызванного постоянно меняющиеся температуры и связанный с этим риск охрупчивания (в зависимости от используемого материала)
Стабильная микроструктура
Высокая механическая нагрузка
Широкое применение жаропрочных нержавеющих сталей
Жаропрочные нержавеющие стали имеют широкий спектр применения. После некоторых отраслей:
Химическая и нефтехимическая промышленность
Различные применения в приборостроении
Цементная промышленность (например, для вращающейся цилиндрической печи)
Строительство промышленных печей (печи колпакового типа для термической обработки рулонов и проволоки, системы накаливания для стали, нержавеющей стали и цветных тяжелых металлов), толкательные печи и т.д.
Теплообменник для различных применений в более высоких диапазонах температур
Выхлопные системы, например, в автомобильной промышленности для выхлопных патрубков
Жаропрочные нержавеющие стали в основном используются в виде листов, как в виде тонких листов, так и в виде толстых листов. Самый распространенный поверхности исполнения 2В (холоднокатаный, отожженный и травленый), 2С (холоднокатаный, отожженный и без удаления окалины), 2Е (механически очищенный от окалины и травленый), 1С (горячекатаный, отожженный и не очищенный от окалины) и 1D (горячекатаный, отожженный и маринованные). Прецизионные листы также доступны в исполнении 2R (холоднокатаный и светлый отжиг).
Поверхность со шкалой или без нее
В этом контексте следует отметить, что не каждый производитель имеет возможность предложить непротравленный материал. Однако многие производители используют комбинированное оборудование для прокатки, травления и термообработки (например, RAP = прокатка, маринование, отжиг), но также широко распространены комбинированные производственные линии для отжига и травления.
Что касается использования протравленных или непротравленных поверхностей, мнения на международных рынках расходятся. Многие производители оборудования отдают предпочтение протравленным поверхностям. По ним дефекты поверхности видны сразу. Обработка сварочных кромок и сам процесс сварки должны быть проще, а конструкция оборудования визуально безупречна.
Кроме того, на различных станках отсутствуют остатки окалины, что важно для предотвращения проблем при дальнейшей обработке стандартных нержавеющих сталей.
Наоборот, есть производители, которые видят значительные преимущества в использовании непротравленных поверхностей, так как накипь уже существует.
Сварка жаропрочных нержавеющих сталей
Свариваемость жаропрочных нержавеющих сталей значительно различается из-за различных сплавов.
Ферриты можно рассматривать как условно свариваемые.
аустениты обычно поддаются сварке с отличными результатами.
В любом случае следует использовать присадочный материал из аналогичных базовых материалов, и рекомендуется обращаться к имеющимся листам данных конкретного производителя стали и присадочного материала. Обычно можно использовать все распространенные методы сварки, такие как MIG/MAG, TIG или электродная сварка.
Лазерная сварка является стандартным методом производства профилей в Montanstahl. Условием является отсутствие на поверхности окалины во избежание ухудшения качества сварного шва.
В Монтанстале в основном балки, Т-образные профили и уголки для высокотемпературного применения сварные.
Профили изделий из жаропрочных нержавеющих сталей
Жаропрочные нержавеющие стали не относятся к повседневному применению на рынке стали. Тем не менее, почти все компоненты и формы изделий для производства соответствующих конструкций, например простыни, трубы, длинные бары, арматура, материал наполнителя и так далее доступны на рынке нержавеющей стали; в зависимости от класса даже в короткие сроки от разных складов или через новое производство.
В Montanstahl можно приобрести конструкции из жаропрочных нержавеющих сталей. Они изготавливаются точно в срок для конкретных проектов. В дополнение к стандартным профилям, также есть возможность получить индивидуальные профили, включая предварительное изготовление.
