Жаропрочные стали

Виды нержавеющих сталей и их свойства

Уникальные характеристики нержавейки проявляются благодаря химическому составу и строению материалов.

Стали, входящие в группу нержавеющих, делятся на четыре группы в зависимости от указанных параметров:

1. Хромистые или ферритные.

Свое название данная группа сталей получила из-за 20%-ного содержания хрома. Он сильно повышает сопротивляемость металла агрессивным средам. Ферромагнитные свойства нержавеющей стали данной группы достаточно высоки.

Хромистые стали используются на промышленных предприятиях, относящихся к химической и тяжелой промышленности. Из них изготавливают, например, отопительные приборы и их части. Данная группа нержавеющих сталей востребована на рынке в значительной мере, уступая только категории, имеющей аустенитную структуру. Однако стоимость их существенно ниже.

2. Аустенитные стали.

В химическом составе нержавеющих сталей этой группы содержание никеля и хрома не более 33 %. Покупатели ценят в этом материале значительную прочность и практически абсолютную стойкость к коррозии.

Стали, относящиеся к аустенитной группе подразделяются на следующие типы:

• А1 – в составе данного материала в значительном количестве присутствует сера, что снижает антикоррозийную стойкость, в отличие от остальных сталей.
• А2 – самая востребованная марка. Этот материал отлично подходит для сварки, не теряя при этом теплофизические свойства нержавеющей стали. Он стоек к воздействию минусовых температур, однако кислая агрессивная среда способна сломить его антикоррозийную защиту.
• А3 – это марка А2 с добавками разных стабилизирующих компонентов. Устойчива как к кислой среде, так и к повышенной температуре.
• А4 – в данный сплав добавляют не более 3 % молибдена. Его влияние на свойства нержавеющей стали заключается в повышении ее сопротивляемости кислой среде. Данная марка широко применяется при строительстве судов.
• А5 – подобна марке А4, отличаясь только количеством стабилизирующих добавок. Изготавливается она для увеличения сопротивляемости к повышенным температурам.

3. Ферритно-мартенситные и мартенситные.

Особая структура таких сплавов дает им чрезвычайно высокую прочность – самую лучшую из всех сталей. Помимо вышеуказанного, они содержат в составе минимум вредных примесей и отличаются прекрасной износостойкостью. К данной категории относится сталь жаропрочная коррозионностойкая. Она активно сопротивляется процессам окисления и может постоянно использоваться при высоких температурах окружающей среды, сохраняя изначальные состав и свойства нержавеющей стали.

4. Комбинированные.

Структура сталей данной группы имеет комбинированный тип: аустенитно-мартенситный и аустенитно-ферритный. Инновационные материалы этой группы сочетают все самые лучшие свойства нержавеющей стали, описанные ранее, в том числе и магнитные.

Указанные выше типы сталей не являются всеми видами нержавеек. Причина в том, что даже незначительное изменение соотношения компонентов сплава может очень сильно изменить свойства нержавеющей стали. Данные о принадлежности марки сплава к той или иной группе дает возможность оптимального выбора материала, который поможет в решении поставленных технологических задач.

Характеристики нержавейки AISI по назначению.

Правильный выбор марки нержавеющей стали – залог того, что ваше оборудование или конструкция будут долговечны, надежны, соответствовать всем требованиям санитарных норм и стандартам, и, что немаловажно, иметь адекватную стоимость. Различные технологические процессы производства предъявляют особые требования к оборудованию, и выбор надлежащей марки нержавеющей стали (aisi или российского аналога) является главным критерием при проектировании

Различные технологические процессы производства предъявляют особые требования к оборудованию, и выбор надлежащей марки нержавеющей стали (aisi или российского аналога) является главным критерием при проектировании.

Назначение коррозионностойких марок стали AISI (по стандартам США)

Посмотреть химический состав нержавеющей стали марок aisi и найти российские (ГОСТ) и европейские (EN) аналоги сталей aisi можно здесь, в статье об аналогах нержавеющей стали.

Характеристики физических свойств пищевой нержавейки (веса и плотности) можно посмотреть в статье о физических свойствах марок нержавеющей стали.

4 Магнитные свойства антикоррозионных сплавов – от чего они зависят?

Магнитные свойства нержавеющей стали характеризуются основной структурой, составом и характеристиками сплава. Как уже упоминалось выше, в составе всех промышленных типов есть ферриты, аустениты и мартенситы, а также различные комбинации этих составляющих. Таким образом, от количества и комбинации и будет зависеть, магнитная ли та или иная марки стали.

Антикоррозионные сплавы

Антикоррозионные стали с сильной магнитной составляющей, то есть те марки, которые по умолчанию являются ферромагнетиками, имеют либо ферритную, либо мартенситную фазовую составляющую. Они магнитятся так же, как обычная углеродистая сталь. К ним относятся хромоникелевые и никелевые марки 20Х13, 30Х12 и более мягкие стали ферритного типа с меньшим содержанием углерода. Такая магнитная сталь хорошо поддается штамповке, различным видам сварки, из нее чаще всего изготавливают режущие инструменты, столовые приборы, детали для машиностроения.

Сферы применения изделий

К наиболее популярным маркам высоколегированных сплавов, относящихся к различным классам по своей структуре, следует отнести:

• мартенситные, которые характеризует следующий химический состав: хром — 8-19%, марганец — не более 1,2%, кремний — 0,6-3%, углерод — 0,12–0,7%; это 07Х16Н4Б, 20Х17Н2, 65Х13, 13Х11Н2В2МФ, 25Х13Н2, 20Х17Н2, 11Х11Н2В2МФ, 40Х10С2М, 30Х13, 15Х11МФ, 40Х9С2 и др.;
• ферритные сплавы, отличающиеся следующим составом: хром — 12–30%, марганец — до 0,8%, кремний — 0,8–2%, углерод — 0,07–0,15%; это 08Х18Тч, 12Х17, 15Х28, 10Х13СЮ, 15Х25Т, 08Х17Т, 08Х13 и др.;
• мартенситно-ферритные, имеющие следующий химический состав: хром — 11–18%, марганец — 0,5–0,9%, кремний 0,4–0,8%, углерод — 0,12–0,22%; это 12Х13, 14Х17Н2, 15Х12ВНМФ и др.;
• аустенитно-мартенситные, состав которых содержит: хром — 14–18%, марганец и кремний — до 0,8%, углерод — 0,05–0,9%; это 07Х16Н6, 08Х17Н5М3, 08Х17Н6Т, 09Х15Н8Ю1 и др.;
• аустенитно-ферритные, содержащие в своем составе следующие элементы: хром — 19–25%, марганец — 0,5–9%, кремний — 0,8–4,5%, углерод — 0,08–0,2%; это 15Х18Н12С4ТЮ, 12Х21Н5Т, 03Х22Н6М2, 03Х23Н6 и др.;
• аустенитные, в состав которых входят: хром — 10–19%, никель — 2,8–25%, марганец — 0,6–15%, кремний — 0,4–0,8%, углерод — 0,05–0,21%; это 12Х18Н12Т, 20Х25Н20С2, 31Х19Н9МВБТ, 45Х14НМВ2М, 08Х10Н20Т2, 12Х25Н16Г7АР и др.

Для понимания того, насколько большое значение в современной промышленности имеют стали с высоким содержанием легирующих элементов, можно привести примеры сфер применения отдельных марок таких сплавов.

Сталь популярной марки 12Х17 широко используется для производства кухонной посуды и предметов домашнего обихода. Ограничением использования такой стали является то, что изделия из нее нельзя соединять при помощи сварки.

Физические характеристики стали марки 12Х17

Из высоколегированных сталей марок 12Х13, 08Х13 и 20Х13 изготавливают детали гидравлических устройств, изделия, подвергающиеся в процессе эксплуатации ударным нагрузкам и работающие в условиях слабоагрессивных сред.

Сталь марки 95Х18 отлично противостоит износу, поэтому из нее производят элементы шарикоподшипников для ответственных установок, втулки, ножи и другие инструменты.
30Х13 и 40Х13 — марки высоколегированных сталей, из которых изготавливают компрессорные клапанные пластины, детали автомобильных карбюраторов, пружины различного назначения, измерительный и медицинский инструмент.

Жаропрочная нержавеющая сталь

К категории жаропрочных материалов относятся сплавы, способные под воздействием температур свыше 550º С сохранять свою структуру и не менять качественных характеристик. Химический состав и маркировка данного вида регламентирует ГОСТ 5632 — 2014. По способу производства такая нержавейка бывает литейной и деформируемой.

Металлы различаются по способности выдерживать определенные нагрузки при высоких температурах. В соответствии с этими показателями выделяют три вида нержавейки.

• Теплоустойчивая нержавеющая сталь. Не поддается коррозии при 600°С.
• Жаростойкая. Проявляет инертность к агрессивным средам при температурах свыше 550°С.
• Жаропрочная. Противостоит механическим нагрузкам при 400 — 850°С.

По составу материалы с повышенной жаропрочностью бывают:

• Мартенситные. Марки, произведенные с применением перлитных добавок. Смесь металлов подвергается закалке при 950 — 1100 ºС. Полученные сплавы содержат более 0,15 % углерода, 11-17 % хрома и небольшое количество никеля, вольфрама, молибдена, ванадия. Они не вступают в реакцию со щелочами и кислотами. Продолжительное нахождение во влажной среде не отражается на их технических характеристиках.
• Аустенитные. Стали имеют гомогенную или гетерогенную структуру. В гомогенном составе, не подвергаемом закалке, содержится повышенное количество углерода и максимум легирующих элементов: Ni, Сг, Мп, Mo, V, Nb. Такие сплавы устойчивы к температурам до 500°С. К данному классу относятся: 06Х14Н6Б, 08Х18Н12Т, 20Х23Н18, 07XI6H9M2. Гетерогенные марки в процессе производства проходят закалку и старение. Это необходимо для образования карбидных, карбидно-нитридных и интерметаллидных соединений. Они упрочняют границы матрицы и придают необходимую жаростойкость сплаву при температурах от 700 до 750°С. Представителями данного вида являются стали: 08Х17Н13М2Т, 20Х25Н20С2, 45Х14Н14В2М.
• Никелевые и кобальтовые. Это одни из лучших жаропрочных материалов, способных сохранять в неизменном виде все технические параметры при температурных режимах до 900°С. Эти марки делятся на гомогенные и гетерогенные сплавы. К ним относятся: ХН77ТЮ, ХН55ВМТФКЮ, ХН70МВТЮБ.

Применение жаропрочных сталей

Легированные металлы, устойчивые к высоким термическим нагрузкам, используются для производства труб, изготовления деталей, составных частей машин, агрегатов, промышленного оборудования. В этот список входят:

• детали термических печей;
• детали конвейерных лент транспортеров печей;
• установки для термообработки;
• камеры сжигания топлива;
• моторы, газовые турбины;
• аппараты для конверсии метана;
• печные экраны;
• выхлопные системы; нагревательные элементы.

Жаропрочный нержавеющий металл – лучший материал для производства деталей и механизмов, эксплуатация которых будет проходить в агрессивных средах, при повышенных температурах.

Таблица соответствия зарубежных и российских марок

Характеристика сплавов на основе хрома и никеля

Сплавы, обладающие большой жаропрочностью, очень востребованы в энергетическом машиностроении (лопатки паровых турбин, части двигателей летательных аппаратов и так далее). Причем потребность в подобных материалах постоянно растет. Более того, производство требует от ученых получения все более и более совершенных материалов, способных сохранять свою работоспособность при очень высоких температурах. Поэтому постоянно ведутся работы по увеличению показателей жаропрочности. Никель, точнее легирование этим элементом стали, способствует этому.

Все жаростойкие стали легируются никелем (не менее 65 %). В обязательном порядке имеется и хром. Содержание этого элемента не должно быть менее 14 %. В противном случае поверхность металла будет интенсивно окисляться.

Стали, дополнительно легируются алюминием, ванадием и другими тугоплавкими элементами. Алюминий, например, даже при комнатной температуре покрывается тонкой окисной пленкой, которая препятствует проникновению коррозии вглубь металла. То есть не образуется окалина.

Жаропрочный металл и жаростойкость

Ненагруженные конструкции, эксплуатируемые при температуре порядка 550°С в окислительной газовой атмосфере, изготавливаются обычно из жаростойкой стали. К данным изделиям часто относятся детали нагревательных печей. Сплавы на базе железа при температуре больше 550°С склонны активно окисляться, из-за чего на их поверхности образуется оксид железа. Соединение с элементарной кристаллической решеткой и нехватка атомов кислорода приводит к появлению окалины хрупкого типа.

Для улучшения жаростойкости стали в химический состав вводятся:

• хром;
• кремний;
• алюминий.

Данные элементы, соединяясь с кислородом, способствуют формированию в металле надежных, плотных кристаллических структур, благодаря чему и улучшается способность металла спокойно переносить повышенную температуру.

Тип и количество легирующих элементов, вводимых в состав сплава на базе железа, зависит от температуры, в которой эксплуатируется изделие из него. Лучшая жаростойкость у сталей, легирование которых выполнялось на основе хрома. Наиболее известные марки этих сильхромов:

• 15Х25Т;
• 08Х17Т;
• 36Х18Н25С2;
• Х15Х6СЮ.

С повышением количества хрома в составе жаростойкость увеличивается. С хромом могут создаваться марки металлов, изделия из которых не утратят первоначальных характеристик и при долгом воздействии температуры больше 1000°С.

Особенности жаропрочных материалов

Жаропрочные сплав и стали успешно эксплуатируются при постоянном воздействии больших температур, причем склонность к ползучести не проявляется. Суть данного процесса, которому подвержены стали обыкновенных марок и прочие металлы, в том, что материал, испытывающий воздействие постоянной температуры и нагрузку, медленно деформируется, или ползет.

Ползучесть, которой стараются избежать при создании жаропрочных сталей и металлов другого типа, бывает:

• длительной;
• кратковременной.

Для определения параметров кратковременной ползучести материалы подвергаются испытаниям: помещаются в печь, нагретую до нужной температуры, а к ним на определенное время прикладывается растягивающая нагрузка. За короткое время проверить материал на склонность к длительной ползучести и выяснить, каков ее предел, не удастся. С этой целью испытуемое изделие в печи подвергается длительной нагрузке.

Важность предела ползучести в том, что он характеризует наибольшее напряжение, ведущее к разрушению разогретого образца после воздействия определенное время

Примерные расшифровки

Чтобы было понятно, как расшифровываются разные виды сталей, приведем несколько примеров, которые дают знания о маркировке.

• Р6М5Ф2К8. Данная маркировка указывает, что это сталь быстрорежущая, в ней содержатся компоненты в процентном отношении: молибден 5, ванадий 2, кобальт 8. Такой элемент, как хром есть во всех сталях данного вида, поэтому его не вносят в маркировку. Также здесь есть вольфрам, но его количество может изменяться. В данной маркировке его 6 процентов.
• У10ГА. Маркировка относится к инструментальному стальному сплаву, содержит 10 процентов углерода. Сталь качественная, имеет в своем составе марганец.
• 20ХГСА расшифровывается: углерод – 0,2 % (цифра впереди аббревиатуры). Затем в состав входит хром – Х, марганец – буква Г, кремний с полуторапроцентным содержанием (С). Буква «А» в любом сплаве обозначает высокое качество.

Зная условные обозначения можно легко определить марку стали.

• Теоретические основы и технология восстановительной плавки металлов из неокускованного сырья / С.В. Дигонский. — М.: Наука, 2007.
• Московский институт стали и сплавов. Фрагменты истории / В.А. Роменец. — М.: МИСИС, Руда и металлы, 2004.
• Справочник теплоэнергетика предприятий цветной металлургии. — М.: Металлургия, 1982.
• Статья на Википедии

Нержавеющие стали для пищевой индустрии

Коррозионностойкие стали незаменимы для отраслей промышленности, производящих оборудование, инструменты и посуду, предназначенные для контакта с пищевой продукцией. Их преимущества:

• Сопротивление различным видам коррозии – химической и электрохимической. В каждом конкретном случае необходимо подбирать марки, устойчивые к средам, с которыми они будут соприкасаться во время эксплуатации. Это – нормальные атмосферные условия, вода, соленая вода, кислые, щелочные, хлористые растворы.
• Хорошая обрабатываемость. Современные инструменты позволяют сваривать, резать, формовать и обрабатывать на токарных, фрезерных и сверлильных станках коррозионностойкие сплавы так же, как и «черные» стали.
• Соответствие санитарно-гигиеническим стандартам. Благодаря различным способам обработки – шлифованию, полировке до зеркального блеска – получают поверхность практически без пор и трещин, в которые могут проникать грязь и патогенные микроорганизмы.
• Хорошие механические характеристики. Благодаря ним, можно изготавливать изделия и конструкции меньшей толщины и массы без ухудшения технических свойств. Аустенитные стали более устойчивы к низким температурам, по сравнению с металлами общего назначения.
• Эстетика. Электрополировка, сатинирование и другие способы поверхностной обработки обеспечивают стильный вид продукции из «нержавейки».

Таблица свойств и областей применения нержавеющих сталей пищевых марок

Таблица сталей нержавеющих марок, применяемых в пищевой индустрии

Related Posts via Categories

• Бесшовные трубы ГОСТ 8734-75 – сортамент и все характеристики и особенности
• Температура плавления и использования нержавеющей стали – что важнее?
• Плотность нержавеющей стали – отечественные марки и стандарт AISI
• Марки коррозионностойких сталей – Как улучшается прочность и свойства металла?
• Легированные конструкционные стали – специальные сплавы для особых случаев
• Состав нержавеющей стали – какие типы антикоррозийных сплавов существуют
• Нержавеющая сталь – проведем классификацию без избытка цифр
• Углеродистая сталь – свойства и сферы применения
• Низколегированные стали – востребованные современной промышленностью сплавы
• Термообработка нержавеющей стали – особенности сложного процесса!

Химическая основа коррозионностойких сплавов

Нержавеющие сплавы железа основаны на правиле, в соответствии с которым при добавлении к неустойчивому к коррозии металлу другой металл, который образует с ним твердый раствор, то стойкость к процессам ржавления возрастает скачкообразно, а не пропорционально.

Легирование стали хромом, то есть добавление порядка 12-30% этого элемента, значительным образом повышает защитные характеристики материала. Это выражается в характеристиках сопротивляемости различным средам:

• При наличии 13% хрома и выше сплавы не ржавеют в обычных условиях и в средах, которые принято относить к слабоагрессивными.
• Если в составе хрома 17% и больше, коррозионностойкие качества проявляются в агрессивных окислительных, щелочных и др. растворах.

Химическая основа сопротивляемости коррозии заключается в образовании на поверхности предмета из нержавеющей стали пассивирующей пленки окислов благодаря хрому. Эта пленка не пропускает кислород и останавливает окислительные процессы от проникновения внутрь. Эффективность защиты зависит от состояния поверхности металла, отсутствия дефектов и внутренних напряжений в материале.

Элементы., которые сопутствуют железу в стальных сплавах: С – углерод, Si – кремний, Mn – марганец, S – сера, P – фосфор и другие

Легирование стали, то есть улучшение её физико-механических характеристик, проводится и другими химическими элементами, помимо Cr. К таким элементам относятся металлы различных групп.
В нормативной документации условные обозначения элементов даются на русском языке: Ni – никель (Н), Mn – марганец (Г), Ti – титан (Т), Co – кобальт (К), Mo – молибден (М), Cu – медь (Д).

Для стабилизации аустенитной структуры стали, то есть укрепления кристаллической решетки железа, добавляется никель. Прочность закрепляется добавками углерода. Устойчивость к перепадам температуры  обеспечивается присадками титана. В особенно агрессивных средах, к примеру – кислотных, действуют сложнолегированные сплавы с присадками никеля, молибдена, меди и других компонентов.

Маркировка нержавеющих видов стали

В маркировке металлов используются буквы и цифры.

Существует российская классификация марок стали, которая используется в технических и нормативных документах. Параллельно бытует распространенная в мире группа стандартов, разработанных институтом Американским институтом стали и сплавов – AISI (American Iron and Steel Institute) для легированных и нержавеющих сталей.

Российские стандарты используют следующую схему. Для примера приведена аустенитная сталь 12Х15Г9

В системе AISI материалы обозначаются тремя-четырьмя цифрами: две первые – группа сталей, две другие — среднее содержание углерода. Буквы могут находиться после второй цифры, впереди или за цифрами.

Примеры: 410, 410S, 1045.