Жаростійкі і жароміцні сталі і сплави.

 

1. Властивості жаростійких і жароміцних матеріалів.

2. Види жароміцних сталей і сплавів.

 

1. Для матеріалів, що використовуються при високих температурах, основними характеристиками є жаростійкість (окалиностійкість) і жароміцність.

Здатність металу чинити опір хімічній дії навколишнього газового середовища при високих температурах називається жаростійкістю або окалиностійкістю. При нагріванні вище 600°С відбувається інтенсивне окислення сплавів на основі заліза, крихка плівка оксиду FeO, що утворюється на поверхні металу, не здатна запобігти дифузії кисню в метал. Такі легуючі елементи, як Cr, Si, A1 покращують склад і будову оксиду плівки. Вона стає щільною, добре прилеглою до металу, що утруднює дифузію кисню.

Щільні захисні оксидні плівки частіше за все одержують при введенні у сталь достатніх кількостей хрому. Тому корозійностійкі сталі одночасно є жаростійкими сталями. При цьому жаростійкі властивості ростуть із збільшенням вмісту хрому в сталі. Сталь, що містить 5 % Сг зберігає окалиностійкість до 600°С (15X5), 9 % (40Х9С2) —до 800°С, 17 % (08Х17Т) – до 900°С. Для виготовлення деталей газових турбін і пічного устаткування застосовують сталь 20Х23Н18, має окалиностійкість 1050—1100°С.

Іншою найважливішою характеристикою високотемпературних матеріалів є жароміцність.

Здатність матеріалу чинити опір пластичній деформації і руйнуванню при високих температурах називається жароміцністю. При температурах, близьких до початку рекристалізації, прикладення навантаження, навіть меншої межі текучості, приводить до повільної пластичної деформації, метал ніби «повзе». Це явище називається повзучістю або крипом. Враховуючи, що розвиток високотемпературної повзучості збігається з початком рекристалізації, зростання жароміцності сплаву може бути досягнуто при підвищенні температури його рекристалізації.

Жароміцність сталі й інших металевих сплавів залежить від величини міжатомних зв´язків, а також від їх структурного стану. Підвищення жароміцності досягається легуванням, створенням сплавів спеціальної структури внаслідок гартування від високих температур і подальшого старіння.

Жароміцні сплави за умов служби можна розділити на 3 групи:

- сплави, які піддаються значним, але короткочасним механічним навантаженням при високих температурах;

- сплави, які знаходяться під навантаженням при високих температурах десятки і сотні годин;

- сплави, які призначені для роботи в умовах великих навантажень і високих температурах протягом десятків тисяч, а іноді сотні тисяч годин.

Жароміцні сплави класифікують за їх основою: нікелеві, залізні, титанові, берилієві і ін. Жароміцні сплави для роботи при температурах 700 – 900^оС створюють на основі заліза, нікелю, кобальту, а для роботи при температурах 1200 – 1500^оС – на основі нікелю, молібдену й інших тугоплавких металів.

 

2. Розрізняють такі види жароміцних сталей і сплавів:

Перлітні сталі. Сталі перлітного класу використовують
для виготовлення кріплення, труб, паропроводів, пароперегрівачів і колекторів енергетичних установок, тривало працюючих при температурах 500—550°С. Перлітні сталі містять відносно малу кількість вуглецю і звичайно леговані хромом, молібденом і ванадієм (маркування 12ХМ, 12Х1МФ). Сталі цього класу використовують у загартованому або нормалізованому і високовідпущеному стані.

Мартенситні сталі. Сталі мартенситного класу використовують для виготовлення деталей енергетичного устаткування (лопатки, діафрагми, турбінні диски, ротори), тривало працюючі при температурах 600—620°С. Сталі значно більш леговані хромом, а також леговані вольфрамом, молібденом, ванадієм (маркування 15X11МФ, 15Х12ВНМФ). Висока жароміцність цих сталей досягається при загартовуванні від 1000—1050°С в маслі на мартенсит з подальшою відпусткою на сорбіт або тростит.

Клапани вихлопу двигунів внутрішнього згорання невеликої і середньої потужності виготовляють з сильхромо-хромо-крем'янистих сталей мартенситного класу типу 40Х9С2, 40Х10С2М. Клапани потужних двигунів виготовляють з аустенітних сталей.

Аустенітні сталі. З них виготовляють ротори, диски, лопатки газових турбін, клапани дизельних двигунів, працюючі при температурах 600—700 °С. Хромонікелеві аустенітні сталі для збільшення жароміцності додатково
легують вольфрамом, молібденом, ванадієм, ніобієм, бором й іншими елементами. Прикладом жароміцних сталей аустенітного класу є марки 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М.

Термообробка цих сталей складається з гартування і старіння при температурах вище експлуатаційних. При старінні відбувається виділення з аустеніту дрібнодисперсних надмірних фаз, що додатково збільшує опір сталі повзучості.

Сплави на нікелевій основі. Ці сплави працюють при температурах до 700—900 °С. До сплавів на нікелевій основі відносять:

- ніхроми, що містять нікель і хром, що використовуються як жаростійкі матеріали для нагрівальних елементів;

- німоніки — старіючі сплави на основі нікелю, що містять хром, титан і алюміній. Прикладом німоніку може служити сплав ХН77ТЮР, що містить: 19—22% Сг, 2,4—2,8% Ti, 0,6— 1,0% А1, інше Ni. Максимальна жароміцність німоніків досягається після гартування від 1100—1200 °С і старіння при 700— 750 °С протягом 15—20 ч.

Керамічні матеріали. Матеріали на основі SiC, Si₃N₄, системи Si—Al—О—N починають застосовувати як жароміцні для виготовлення поршнів, головок блока циліндрів двигунів внутрішнього згорання. Керамічні матеріали мають низьку густину, вони міцні, стійкі проти спрацювання, добре чинять опір корозії і ерозії. Деталі з цих матеріалів здатні працювати при температурах більше 1500—1700 °С, витримуючи перегрівів і не вимагаючи примусового охолоджування.

Недоліками керамічних матеріалів є крихкість і відносна технологічна складність виготовлення деталей.

Тугоплавкі матеріали. Для роботи при температурах більше 1000°С застосовують тугоплавкі метали і сплави на їх основі.

Тугоплавкими називаються метали, що мають температуру плавлення вище, ніж у заліза. Найбільше застосування в техніці знаходять тугоплавкі метали, що мають такі температури плавлення: Сг - 1900°С, Nb - 2415°С, Mo - 2620°С, Та - 3000°С, W - 3410 °С.

Розширення виробництва і застосування тугоплавких металів і сплавів пов'язано з розвитком атомної теплоенергетики і ракетно-космічної техніки.

Сплави на основі ніобію і молібдену мають задовільні технологічні властивості. Крім того, вони крихкі при порівняно низьких температурах (+100) — (-100) °С. Вольфрам переходить у крихкий стан при температурі 600 °С. Завдяки порівняно високій пластичності сплави ніобію і молібдену мають більш широке розповсюдження.

Всі тугоплавкі метали мають низьку жаростійкість. Для захисту їх від окислення застосовують різні покриття. Для молібденових і вольфрамових сплавів застосовують різні термодифузійні силіцидні покриття.

Як матеріал для вкладишів сопел у реактивних двигунах, працюючих на твердому паливі, застосовують графіт, що має температуру плавлення 3900 °С. Температура полум'я в таких двигунах досягає 3500 °С. Недоліком графіту є низька ерозійна стійкість, що приводить до зносу сопла через тверді частинки, що містяться в газах, які відходять.

Для виготовлення сопел можна використовувати пористий спечений вольфрам, просочений матеріалами з високою теплопровідністю — міддю або сріблом.

 

7.2 Матеріали для нагрівальних печей опору.

 

1. Вимоги, що пред'являються до матеріалів нагрівальних елементів.

2. Види матеріалів для нагрівальних елементів.

 

1. До сплавів для електронагрівальних елементів пред'являються такі вимоги:

- високий коефіцієнт питомого електричного опору;

- малий температурний коефіцієнт питомого електричного опору ;

- тривала робота на повітрі при високих температурах (іноді до 1000^оС і навіть вище);

- технологічність;

- невисока вартість;

- доступність компонентів.

До нагрівостійких сплавів відносять сплави на основі заліза, нікелю, хрому і алюмінію. Висока нагрівостійкість цих сплавів досягається завдяки введенню в їх склад достатньо великої кількості металів, які утворюють при нагріванні на повітрі суцільну оксидну плівку.

 

2. Ніхроми є тверді розчини нікель-хром (Ni-Cr) або потрійні сплави никель-хром-залізо (Ni-Cr-Fе).

Залізо вводиться до сплаву для забезпечення кращої оброблюваності і зниження вартості, але на відміну від нікелю і хрому залізо легко окислюється, що приводить до зниження нагрівостійкості сплаву; вміст хрому додає високу тугоплавкість оксидам. Близькість значень температурних коефіцієнтів лінійного розширення ТКl цих сплавів і їх оксидних плівок підвищує стійкість хромонікелевих сплавів при високій температурі повітря. Розтріскування оксидних плівок відбувається при різких змінах температури. В результаті кисень повітря проникає у тріщини, що утворилися, і продовжує процес окислення. Тому при багатократному короткочасному включенні електронагрівального елемента з ніхрому він перегорає значно швидше, ніж у разі безперервної роботи при тій же температурі.

Для збільшення терміну служби трубчастих нагрівальних елементів ніхромовий дріт поміщають у трубки із стійкого до окислення металу і заповнюють їх діелектричним порошком з високою теплопровідністю (магнезії Mg). Такі нагрівальні елементи застосовують, наприклад, в електричних кип'ятильниках, які можуть працювати тривалий час.

Ніхромовий дріт застосовується для виготовлення дротяних резисторів, потенціометрів, паяльників, електропечей і нічних резисторів інтегральних схем.

Плавка ніхромових сплавів здійснюється у високочастотних вакуумних печах. Отримані після плавки відливання обтискаються до 12 мм, а потім на волочильних верстатах виготовляють дріт діаметром до 0,12 мм.

Ніхроми містять велику кількість дорогого дефіцитного нікелю.

Хромоалюмінієві сплави фехраль і хромалъ набагато дешевше ніхромів, оскільки хром і алюміній порівняно дешевші і менш дефіцитні. Проте вони менш технологічні, більш тверді і крихкі. З них одержують дріт більшого діаметра і стрічки з великим поперечним перетином, тому їх використовують в електронагрівальних пристроях більшої потужності і промислових електричних печах.

3. Нагрівальні елементи (нагрівачі).Для електропечей опору нагрівачі виготовляються з жароміцних матеріалів, стійких до окислювання киснем повітря при високих температурах, з високим питомим електроопором і малим температурним коефіцієнтом електроопору. Вони не повинні мати помітне старіння, тобто зміну електричних властивостей у часі.

 

Найбільше поширення одержали дротові та стрічкові нагрівачі із хромонікелевих і хромоалюмінієвих сплавів, які виготовлені у вигляді секцій. Дротяні нагрівачі виконують зиґзаґоподібними (рис. 7.1, а)і спіральними (рис. 7.1, в – д), стрічкові – зиґзаґоподібними (рис. 7.1, б). Дротяні зиґзаґоподібні нагрівачі навішують на стінках і склепінні печі на жароміцних гачках, подові нагрівачі укладають вільно на фасонні цегли. Спіральні нагрівачі в низькотемпературних печах підвішують на фасонних керамічних втулках 1 (рис. 7.1, в), на керамічних трубках 2 (рис. 7.1, г) або на поличках футеровки. В середньотемпературних печах спіральні нагрівачі укладають також у пазах 3 футеровки (рис. 7.1, д). Стрічкові нагрівачі (виготовлені зі стрічки або литі) кріплять на стінках і склепінні на спеціальних керамічних гачках; на поді їх укладають на керамічних опорах.

Звичайно застосовують такі сплави для дротяних і стрічкових нагрівачів: залізохромоалюмінієві Х13Ю4 – для низькотемпературних печей, ОХ23Ю5А та ОХ27Ю5А – для печей з температурами до 1000°С; залізохромонікелеві (ніхроми): Х23Н18, Х25Н20 – для печей з температурами до 1050°С, Х15Н60 і Х15Н80Т – для печей з температурами до 1150°С. У таблиці 7.1 наведені рекомендовані температури нагрівачів із цих сплавів. В зоні, обмеженій рекомендованими температурами, термін служби нагрівачів становить не менше 10 000 год. Під безперервним режимом у таблиці 2.1 мається на увазі цілодобова безперервна робота (методичні печі), під переривчастим режимом – робота із вмиканням і вимиканням печі кілька разів на добу з істотним остиганням її у відключеному стані.

 

Таблиця 7.1 – Рекомендовані температури нагрівачів

 

Матеріал нагрівача	Рекомендована температура, °С, для режиму
безперервного	переривчастого
Х20Н80 та Х20Н80Т
Х15Н60
Х25Н20, Х23Н18
Х13Ю4
ОХ23Ю5А
ОХ27Ю5А
Карборунд
Дисиліцид молібдену

 

Примітка – Для металевих нагрівачів дані стосуються нагрівачів з діаметром дроту d = 4мм або товщиною стрічки а = 2мм при d = 7...10 мм та а = 3мм величини температур можуть бути збільшені на 50° С.

 

У печах з електрокалориферами та соляних ваннах (при температурах до 600 °С) часто застосовують трубчасті електронагрівачі (ТЕН). Нагрівач (рис. 7.2) складається з металевої трубки 1, по осі якої розташована ніхромова спіраль 2, яка приварена до вивідних кінців 5 нагрівача. Трубка заповнена кристалічним оксидом магнію (периклазом) 3. У кінцях трубки закріплені вивідні ізолятори 4. Трубка легко згинається, тому ТЕН випускаються різної форми (у тому числі ребристими – для електрокалориферів).

Для печей з робочими температурами вище 1100 … 1150°C застосовують неметалеві нагрівачі у вигляді стрижнів: карборундові, основу яких складає карбід кремнію (до 1300…1400°С), та з дисиліциду молібдену (до 1400 … 1500°С). Рекомендовані температури таких нагрівачів наведені у таблиці 2.1. Застосовуються також графітові та вугільні нагрівачі (до 2000 … 2500°С). Найпоширеніші у високотемпературних печах нагрівачі з молібдену (до 2000°C у захисному середовищі) та вольфраму (до 2500 °C у захисному середовищі).

Електрична потужність, споживана нагрівачами, становить для невеликих потужностей одиниці кіловатів, а для великих печей може сягати тисячі кіловатів і більше. Наприклад, встановлені (номінальні) потужності деяких видів печей опору: від 8 до 160 кВт – камерні печі загального призначення; від 25 до 160 кВт – шахтні печі; від 20 до 1000 кВт – камерні печі для сушіння електротехнічних виробів; від 10 до 150 кВт – барабанні печі; від 90 до 270 кВт – штовхальні печі (від 750 до 1100 кВт – з камерами охолодження); від 6 до 800 кВт – конвеєрні печі (до 1400 кВт – з камерами охолодження).

 

 

Контрольні питання.

 

1. Які матеріали відносять до теплоізоляційних? Які властивості вони повинні мати?

2. Назвіть основні параметри, що характеризують роботу теплоізоляційних матеріалів.

3. За якими ознаками прийнято класифікувати теплоізоляційні матеріали?

4. Приведіть галузі застосування основних видів теплоізоляційних матеріалів.

5. Які матеріали називають жароміцними матеріалами?

6. Приведіть основні властивості жароміцних матеріалів і способи їх покращення.

7. Які матеріали називають жаростійкими?

8. Приведіть основні властивості жаростійких матеріалів і способи їх покращення.

9. Яким вимогам повинні відповідати матеріали для нагрівальних печей опору?

10. Назвіть основні матеріали для нагрівальних печей опору і які властивості вони мають.