Жаропрочные и жаростойкие что это за стали – 5 основных типов

Сталь, классифицирующая как жаропрочная, рекомендуется для изготовления конструкций не только находящихся под влиянием высоких температур, но и работающих в иных агрессивных условиях.

Рассмотрим, что же из себя представляют жаропрочные стали, на какие классы и марки подразделяются, и как выбрать оптимальный вариант для собственных нужд.

Жаропрочность и жаростойкость металла

Жаростойкие стали обладают таким ценным свойством как жаростойкость или если говорить простым языком, то они сохраняют свои свойства при высоких температурах. Второе название данного свойства – «Окалиностойкость». Основная ценность такой стали заключается в том, что она способна длительное время сохранять структуру своей кристаллической решетки в условиях воздействия высоких температур.

Стандартные жаропрочные стали имеют верхний температурный предел от 500 до 550 градусов и способны эффективно сопротивляться температуре только до этого предела. Далее на поверхности металла начинает образовываться оксидная пленка (окалина), что становится первым шагом к разрушению металла.

Не рекомендуется применять простые жаропрочные стали для изготовления конструкций, находящихся под сильной динамической нагрузкой.

Понятие жаропрочности

Жаропрочные стали изготавливаются методом химического взаимодействия основного состава с оксидами хрома, кремния или алюминия. Структура кристаллической решетки, полученная путем взаимодействия атомов двух элементов, сохраняет свою плотность даже в условиях воздействия открытого огня.

Количественные показатели и процентное соотношение добавок в сталях рассчитывается по формуле исходя из предполагаемых условий эксплуатации изделия. На производстве предпочтение отдается металлу, изготовленному из сплава главным компонентом, которого является хром.

Чем большее количество хрома в составе соединения, тем более жаропрочным получается сплав. Удается добиваться показателей, при которых металл переносит температуру более 1000 градусов и не теряет своих свойств.

Основные типы

Все жаропрочные и жаростойкие стали разделены на три условных группы. Группы отличаются химическим составом, способностью противостоять температуре и методикой производственного процесса.

1. К первой группе относятся все сплавы, выполненные с добавлением хрома, марганца, молибдена, титана или вольфрама. Так же к первой группе относится сталь с добавлением бора, ванадия или ниобия. Такие сплавы тоже имеют жаропрочные свойства, но из-за дороговизны производства используются редко.
2. Ко второй группе относятся сплавы на основе кальция, серия и еще ряда химических элементов сходных по структуре. Комплексное количество присадок в таких металлах может достигать 50%.
3. Третья группа характеризуется введением в консистенцию углерода, молибдена и кобальта.

Аустенитный класс

Аустенитные сплавы пользуются популярностью благодаря своим свойствам. Помимо способности эффективного сопротивления температуре вплоть до 1000 градусов, полученный жаропрочный сплав обладает ярко выраженными антикоррозийными свойствами.

Структура металла поддерживается путем добавления в сплав 10-15 процентов никеля, который удерживает атомы кристаллической решетки и не дает металлу понизить прочностные качества.

Хром придает устойчивость к температуре и не разрушает структуру, незначительные добавки стабилизирующих элементов – углерода, титана или ниобия успешно работают на поддержание антикоррозийных свойств.

Структура аустенитов

Жаропрочные аустенитные сплавы в зависимости от типа химической структуры бывают двух видов:

• гомогенный. Материалы данного типа не предназначены для высоких температур и слабо переносят длительное воздействие жара. Максимальный предел температуры – 500 градусов. Тип материалов обусловлен отказом от термообработки и малым количеством углеродных включений;
• гетерогенный. Данный тип материалов проходит две фазы термической обработки, что повышает его жаростойкость до 700 градусов. Карбидные фазы работают на сохранение устойчивости к деформациям и большим нагрузкам в период нагревания. Максимальная температура гетерогенного ряда – 1700 градусов, такой предел возможен при добавлении в сплав более 50% молибдена.

Аустенитно ферритный класс

Сплав полученный на основе смеси фаз аустенитов и ферритов является высоколегированным и стабилизированным сплавом. Чрезвычайно трудно обрабатываемый металл. Применяется для построения дымоотводных каналов, выхлопных труб автомобилей и конструкций, работающих с сильным температурным воздействием.

При производстве критически важных изделий на основе подобных сталей, используются сплавы, матрица которых усиливается дисперсионным твердением и добавлением таких элементов как карбид и его образующие. Метал подобных изделий не образует хрупкой окалины и устойчив к динамическим нагрузкам и деформации.

Мартенситный класс

Мартенситный класс жаропрочной стали характеризуется особым процессом изготовления и обработки. Суть его в том, что вначале металл закаливают высокой температурой, после которой «отпускают» в специальной камере. Итогом такого процесса является значительное повышение способности к сопротивлению температуре, но падение упругости.

На первом этапе сплав нагревают до 1200 градусов и стабилизируют его в течение 5 часов с последующим постепенным остыванием в примерно такой же временной интервал

На втором этапе процесс повторяется с тем отличием что стабилизация и «отпуск» проходит под воздействием температуры в 1000 градусов.

Перлитный класс

Перлитные стали относятся к категории низколегированных термостойких сплавов. В первую очередь они нацелены на сохранение структуры и свойств самого металла, а уже потом на его жаропрочные свойства.

Из стали перлитного класса изготавливаются детали и изделия промышленного назначения по условиям эксплуатации, не допущенные к работе при температуре свыше 400 – 500 градусов. Незначительного повышения жаростойкости можно добиться путем добавления в металл хрома и ванадия, в этом случае температурный предел поднимается до 600 – 650 градусов.

Если совместно с легированием применить технологию нормализации, то можно значительно улучшить прочность металла и его механические свойства.

Ферритный класс

Ферритные сплавы или металлы ферритного класса характеризуются высоким содержанием в своем составе хрома. Как правило, в ферритных сплавах его процентное соотношение достигает 35%.

Металлы данного класса подвергаются особому виду термической обработки – «обжигу». Такой вид подготовки позволяет получить зернистую структуру металла и значительно увеличить температурный предел работы металла.

Металлы ферритного класса способны эффективно переносить длительное нахождение под воздействием высокой (до 800 градусов) температуры. Дальнейшее повышение жаропрочности методом присадок и легирования не рекомендуется в связи с тем, что температурный предел повышается незначительно, а хрупкость изделий возрастает в несколько раз.

Полезная статья: Как варить алюминий

Мартенситно ферритный класс

Жаропрочный металл производимый из сплавов мартенситно-ферритного класса имеет среднюю устойчивость и содержит целый пакет дополнительных присадок – хром, вольфрам и ванадий.

Из него изготавливаются такие детали как лопасти паровых турбин, центрифуг, теплообменных сетей и активного оборудования ТЭЦ.

Металл хорошо подходит для изделий любого типа спланированных к эксплуатации в условиях непрерывного воздействия температур в диапазоне от 500 до 600 градусов и умеренных механических нагрузок.

В отдельных случаях, для повышения антиокислительных свойств в металл могут добавлять никель. Он способствует образованию на поверхности готовых изделий непроницаемой пленки и препятствует губительному воздействию кислорода.

Сплавы на основе никеля

Несмотря на то, что сплав легирован никелем, основным компонентом металла является все равно хром. Именно он придает смеси свойства жаропрочности и жаростойкости. В зависимости от количества базовых присадок сплавы на основе никеля могут быть как жаропрочными, так и жаростойкими.

Их устойчивость к перегреву обусловлена химическому процессу образования на поверхности металла оксидной пленки. Оксидная пленка состоит из фракций алюминия и хрома или алюминия и никеля.

Как правило такой металл применяют при изготовлении систем газовых турбин, трубопроводов и нагревательных элементов, деталей конструкции компрессоров и нагнетателей.

Полезная статья: Сварочная смесь для полуавтомата

Химический состав

Однозначной формулой сложно описать всю суть протекающего химического процесса. Все дело в том, что формула учитывает исключительно основной состав металла и легирующие его добавки.

В действительности же, жаростойкие сплавы имеют в своем составе не только то что добавляется в процессе производства, но и не учитываемые продукты протекающих внутри химических реакций, отложения и выпадающие осадки. Получающиеся в процессе контролируемой химической реакции примеси в значительной мере ухудшают свойства металла.

В особенности большой вред наносят отложения серы. Всего лишь 0,003% серы в составе сплава способны полностью свести на нет все полезные свойства.

 Структура и свойства

Не столько и не только химический состав консистенции влияет на жаростойкость полученного металла. Важную роль играет и форма, и агрегатное состояние в котором находятся легирующие примести до их включения в состав.

Химическая чистота присадок влияет на результат так же, как и ее количество. Никель и хром придают металлу жаропрочные свойства только при условии их полной очистки. Включение небольшого количества серы снижает температуру плавления металла, но и снижает его ползучесть.

«Ползучесть» – выведенный формат определения качественного состояния жаропрочности металла. Простыми словами ползучестью называется способность к разрушению структуры под действием температуры. И чем ползучесть ниже, тем качественнее считается металл.

Что влияет на жаропрочность

При стандартном производстве получить жаропрочный сплав можно только при соблюдении трех основных условий.

1. Термическая закалка, производимая в один или два этапа. Подразумевает постепенный нагрев до определенной температуры, удержание (стабилизация) в несколько часов и постепенное охлаждение. Правильное охлаждение выполняется в водяной бане или на открытом воздухе под контролем падения температуры.
2. Добавление в состав металла присадок, сохраняющих структуру металла и не допускающий возникновения интеркристаллической коррозии. Чаще всего в качестве таких присадок применяются ниобий или титан.
3. Точный расчет основного компонента. Основным компонентом является хром, от его количества зависит жаростойкость и способность к сопротивляемости окислению. В большинстве случаев хром составляет от 10 до 13% от всей массы металла.

Полезная статья: Как варить сваркой

Сферы применения

В связи с большим количеством жаропрочных сплавов, представленных на рынке, их эксплуатация и применение во многом определяется по составу входящих в сплавы присадок и дополнительных легирующих компонентов.

Рассмотрим основные сферы применения жаростойких металлов в зависимости от состава химических элементов:

• AISI-314. Основная сфера применения – стенки и корпусные элементы печных конструкций. Достоинство сплава – высокая степень тугоплавкости;
• AISI-310. Используется для производства двигателей внутреннего сгорания, нагруженных элементов моторов и турбин;
• AISI-310S. Чаще всего востребована на производстве газоотводных трубопроводов, участков системы выхлопных труб и транспортных труб инертных газов;
• AISI-309. Универсальный сплав, хорошо подходит как для изготовления печей, так и для производства других элементов, работающих в условиях повышенных температур.

Марки нержавеющей стали для изготовления дымоходов

При изготовлении или приобретении дымохода необходимо точно знать материал. Часто в свободной продаже можно встретить дымоход по цене в два, а то и три раза ниже рыночной. Стоит учитывать, что вероятнее всего такое изделие изготовлено из стали марки AISI 201 которая относительно недорогая, но при этом не отвечает всем требованиям для дымоходов.

Лучше всего для этой цели подойдет жаропрочная сталь марки AISI-309. Основное ее отличие от более дешевой 201-й версии в том, что у нее практически отсутствует риск деформации и возникновения термических трещин и разрывов.

Оба варианта стали немагнитны и неотличимы визуальным методом. Для их идентификации нужно проверять сопроводительные документы или же проводить сложный химический анализ.

Нержавеющие стали для пищевой индустрии

Жаропрочная нержавеющая сталь, имеющая свойства сопротивления коррозии, имеет массу преимуществ в изготовлении посуды и принадлежностей, контактирующих с пищей.

Разберем основные из них:

• внешний вид. Хорошо отполированная сталь имеет привлекательный внешний вид и красиво смотрится в качестве готовых изделий;
• прочность. Нержавеющая сталь трудно обрабатывается, но и трудно деформируется. Благодаря заложенной прочности можно изготавливать тонки элементы посуди и сервировки способные выдерживать большую нагрузку;
• соответствие установленным нормам гигиены и СанПиН(а). Сталь имеет настолько плотную структуру, что при должной обработке и шлифовке практически не остается раковин где может задержаться грязь;
• отсутствие эффекта коррозии. Основное преимущество нержавейки. Изготовленная из нее посуда не поддается окислению даже при длительном контакте с водой.

Основные марки стали применяемые в пищевой индустрии представлены в таблице.

Полезная статья: Как заварить чугун

Какая марка стали лучше для банной печки

Жаропрочная и коррозионностойкая сталь для печи должно не просто сопротивляться воздействия высокой температуры, но и выдерживать длительное воздействие открытого огня. Наиболее часто встречающаяся неисправность банной печи – прогорание стенок.

Для устранения проблемы можно конечно просто использовать толстостенную сталь, не вникая в ее свойства и химический состав. В принципе, это будет вполне рабочий способ, но не лишенный недостатков:

• во-первых – такая сталь все равно будет окисляться и на ее поверхности будет появляться все увеличивающийся слой окалины, что помимо неприглядного внешнего вида рано или поздно приведет к прогоранию;
• во-вторых – печь из толстого металла будет очень долго протапливаться и требовать в разы больше топлива для набора необходимой температуры.

Как показывает практика, лучше всего для банной печи подходит легированная сталь марки AISI-430, которая обладает всеми необходимыми качествами и долгим сроком службы.

Расшифровка марок

Маркировка жаропрочной стали, в том числе и металлов для печей имеет буквенно-цифровой вид. Каждый символ маркировки несет информацию о содержании в сплаве определенного химического элемента.

Двузначный числовой показатель как правило ставится в начале маркировки и дает информацию о процентном соотношении углерода. Буквенные символы указывают на находящийся в сплаве химический элемент и его процент (указан цифрами сразу после буквы).

Расшифровка буквенного обозначения представлена на таблице.

Оптимальная толщина металла для печи в баню

Для определения какую толщину металлического листа выбрать для изготовления банной печи, стоит обратить внимание на два фактора.

1. Теплопроводность стали. Чем толще сталь, тем больше энергии необходимо затратить для ее нагрева и поддержания температурного режима. Исходя из практического опыта считается, что использование для печи стальных листов толще 8 миллиметров экономически не целесообразно.
2. Огнеупорность. Если планируется эксплуатировать печь более 3 лет, то не стоит применять сталь в 4 мм. Такая печь будет очень быстро нагреваться, но прогорит менее чем через год интенсивного использования.

Исходя из вышеуказанного, специалисты понимают, что применять для печи лучше сталь марки AISI-430 с толщиной стенки 5-6 мм.

Полезная статья: Конструкции сварные – что это

Какими электродами надо варить банную печь

Если стоит вопрос о самостоятельном изготовлении банной печи, то нельзя упускать из внимания и вопросы сварки. Нержавеющая, жаропрочная сталь варится особым видом электродов марки ЦЛ11 или аналогом – Д4.

Обязательным условием работы является химическая протравка сварного шва. Если упустить данный момент, то в местах сварки возможно появление коррозии и как следствие преждевременное разрушение конструкции.

Задавайте свои вопросы в комментариях под статьей, мы постараемся Вам помочь.