Pod odolnost vůči teplu (odolnost proti vodnímu kameni) označuje odolnost kovu vůči oxidaci v plynném prostředí při vysokých teplotách. Mezi žáruvzdorné oceli patří ty, které pracují v nezatíženém nebo málo zatíženém stavu při teplotách nad 550 °C. Pro zvýšení odolnosti proti okují je ocel legována prvky (chróm, hliník a křemík), které mají větší afinitu ke kyslíku než železo a na povrchu oceli vytvářejí husté oxidové filmy. Vzhledem k tomu, že difúze (zejména kyslíku) těmito vrstvami je obtížná, vede přítomnost těchto tenkých vrstev na povrchu k inhibici procesu další oxidace. Oceli legované Cr a Si se nazývají silchromy; Cr a Al – kulhání; Cr-Al-Si – silchromály.
Vzhledem k tomu, že vysoký obsah hliníku a křemíku podporuje křehnutí a zhoršuje technologickou tažnost při tlakovém zpracování, je hlavním legujícím prvkem žáruvzdorných ocelí chrom. Žáruvzdorné vlastnosti se zvyšují s jeho obsahem v oceli. Ocel obsahující 5 % Cr si zachovává odolnost proti okují do 600 °C (15X5), 9 % (40X9S2) – do 800 °C, 17 % (08X17T) – do 900 °C. Třídy chromové oceli patří k ocelím feritické třídy.
Ocel 10Х13СУ (silchromal) je odolná vůči vodnímu kameni do 950С; je stabilní v prostředích obsahujících síru.
Žáruvzdorné oceli se používají při práci pod zátěží (po danou dobu) a mají dostatečnou tepelnou odolnost při teplotách nad 500°C. Legování významně přispívá ke zvýšení tepelné odolnosti ocelí: za prvé se zvyšuje energie meziatomových vazeb v pevných roztocích (proto jsou inhibovány difúzní procesy); za druhé, díky legování a tepelnému zpracování (kalení s následným stárnutím) se vytváří zvláštní heterogenní struktura, sestávající z pevného roztoku dispergovaného karbidu nebo intermetalických fází v něm uložených, koherentních se základnou.
Žáruvzdorné oceli perlitické třídy jsou nízkolegované oceli (12Kh1MF, 25Kh1M1F, 20Kh1M1F1BR aj.), obsahující 0,08÷0,25 % C a legující prvky – Cr, V, Mo, Nb. Řada legujících prvků (např. Mo, Cr), rozpustných ve feritu, inhibuje difúzní procesy, čímž zvyšuje prokalitelnost, teplotu rekrystalizace a tepelnou odolnost ocelí. Úlohou vanadu a niobu je tvořit rozptýlené karbidy, které zpevňují pevný roztok. Chrom zvyšuje tepelnou odolnost. Maximální maximální obsah uhlíku 0,25 % je omezen nebezpečím vyčerpání feritu v molybdenu a v souvislosti s tím snížením úrovně pevnosti a technologických vlastností. Nejlepší komplex mechanických vlastností je zajištěn kalením v oleji (nebo normalizací) od 880÷1080C následovaným vysokým popouštěním na 640÷750C. Perlitické oceli se používají k výrobě dílů, které pracují dlouhou dobu v režimu tečení při teplotách do 500÷580C a při nízkém zatížení: jedná se o trubky přehřívačů páry, armatury parních kotlů a spojovací prvky.
Oceli martenzitických a martenziticko-feritických tříd (15Х11МФ, 11Х11Н12В2МФ, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР atd.) se používají při teplotách do 580 С. Zavádění wolframu a vanadu spolu s molybdenem do vysokochromových (600÷8 % Cr) ocelí přispívá k výraznému zvýšení jejich tepelné odolnosti. Oceli s nižším obsahem chromu (do 13 % Cr) patří do martenzitické třídy a oceli s vyšším obsahem chromu (11÷11 % Cr) do martenziticko-feritické třídy. Oceli jsou kaleny na martenzit při teplotách 13÷1000°C v oleji nebo na vzduchu. Během ohřevu na kalení se karbidy M rozpouštějí v austenitu23С6 jim6C. Po popuštění na 600÷750°C ocel získává sorbitolovou strukturu (směs zpevněného legovaného feritu a vysrážených malých karbidů). Oceli se používají k výrobě plynových dílů
turbíny a parní elektrárny.
Austenitické oceli mají větší tepelnou odolnost než martenzitické oceli – jejich provozní teploty dosahují
700÷750°С. Mezi žáruvzdorné oceli austenitické třídy patří oceli 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М. Z těchto ocelí jsou vyrobeny rotory, kotouče, lopatky plynových turbín a ventily dieselových motorů pracujících při teplotách 600÷700C.
V petrochemických podnicích byly široce rozvinuty procesy vysokoteplotní katalytické přeměny uhlovodíkových plynů za účelem výroby vodíku nebo plynu bohatého na vodík pro syntézu čpavku, metanolu a dalších. Ve vysokoteplotních reformovacích konverzních pecích těchto zařízení dochází ke katalytickému štěpení zemního nebo rafinérského plynu při teplotách 78÷850C a tlacích až 40 kgf/cm2.
Realizace tohoto procesu vyžaduje použití speciálních tepelně odolných materiálů pro reakční potrubí, výfukové potrubí a kolektory schopné dlouhodobého provozu pod tlakem směsi uhlovodíkových plynů s párou a v jejich štěpných produktech při teplotách 750÷ 930C. Pro výrobu součástí popisovaného zařízení se používá ocel typu 45X25. Pro výrobu součástí popsaného zařízení jsou oceli typu 45Х2520С, 50Х25Н35В5К15С (supertherm), typ oceli 10Х20Н32Б (Manourit 900).
Existuje více druhů, než by se mohlo laikovi zdát. Jsou rozděleny do kategorií a typů a každý typ může mít také interní klasifikaci. O žáruvzdorných a žáruvzdorných ocelích se tedy můžeme bavit dlouho, protože druhů a značek těchto kovů jsou desítky. Mimochodem, tepelná odolnost a tepelná odolnost nejsou vůbec totéž.
Vlastnosti
Stojí za to projít si pojmy. Tepelná odolnost je odolnost kovů a slitin vůči plynové korozi při zvýšených teplotách. Jiný název pro tento termín je odolnost proti vodnímu kameni. Tepelná odolnost je odolnost kovů a slitin proti plastické deformaci v podmínkách mechanického zatížení a zvýšených teplot. Požadavky na takové materiály jsou uvedeny v GOST 5632-2014.
Základními vlastnostmi tepelné odolnosti jsou tečení a dlouhodobá pevnost. V prvním případě mluvíme o spojité deformaci při konstantním napětí. Jeho charakteristikou bude mez dotvarování, která se vyznačuje podmíněným tahovým napětím. S ním dosáhne rychlost dotvarování a deformace za určitý čas dané hodnoty. Pokud je tolerance uvedena specificky pro rychlost, je limit tečení označen sigma. Pokud je zadáno prodloužení, pak se v označení objeví tři indexy – jeden o testovací teplotě, další dva o deformaci a času.
Díly, které musí fungovat roky, mají mez tečení s nízkou deformací při dlouhodobém zatížení.
Další charakteristikou tepelné odolnosti je dlouhodobá pevnost. Charakterizuje odolnost oceli vůči destrukci při dlouhodobém působení teploty. Dlouhodobou pevností se rozumí podmíněné napětí, při jehož působení se ocel po určité době zbortí. Nyní o tepelné odolnosti. Již bylo řečeno, že žáruvzdorná ocel snese korozivní povrchové deformace v plynném prostředí. V tomto případě by teplota měla být nad 550 stupňů. Předpokládá se, že ocel pracuje v nezatíženém nebo lehce zatíženém stavu. Tepelná odolnost oceli jinými slovy znamená také odolnost proti oxidaci.
Pro zvýšení tohoto indikátoru kovu je legován. To znamená, že obsahují speciálně vybrané přísady, které mění složení a strukturu stupnice. Například, do kompozice se přidávají chrom nebo křemík, které se vážou na kyslík lépe než železo. Při procesu oxidace se proto na povrchu objeví husté oxidy na křemíku nebo chrómu. A vytvořený tenký film nedovolí, aby proces oxidace trval.
Stanovení chemického složení žáruvzdorných materiálů je však úkol, protože se budou brát v úvahu nejen legující přísady, ale také různé nečistoty a to, co může vzniknout v důsledku reakcí během procesu tavení. Ukazatele tepelné odolnosti jsou nejvíce ovlivněny titanem a niobem – zabraňují interkrystalické korozi, chrómu – pokud je 13% nebo více, slitina se nebojí koroze ani kalení. Ten lze provádět na vzduchu nebo ve vodě: tím se zvýší pevnost nerezové oceli a její odolnost proti nárazu.
Typy a značky
Je jich mnoho, je třeba se zaměřit na největší skupiny.
austenitické
Tato třída zahrnuje kovy, které obsahují vysoké procento chrómu a niklu. Chcete-li získat stabilní austenit, musíte legovat ocel s niklem, ale přísada chrómu ovlivní tepelnou odolnost. Všechny austenitické slitiny jsou vysoce legované: niob a titan v oceli odolávají korozi, což je pomáhá spojit se stabilizovanou skupinou. Ale žáruvzdorné oceli s odolností proti korozi budou považovány za obtížně řezatelné kovy.
Když teplota stoupne na 1000 stupňů a je dlouhodobě udržována, zůstává austenitická nerezová ocel odolná a nehrozí u ní tvorba okují. Ve výrobě se můžete častěji setkat se slitinami austenitického typu, které se řadí mezi slitiny disperzně kalené. A pro zlepšení kvality takové oceli se přidávají karbidová nebo intermetalická tužidla. Žáruvzdorné austenitické oceli jsou podle své struktury:
- homogenní – takový materiál obsahuje málo uhlíku a mnoho legujících složek, které poskytují vynikající odolnost proti tečení;
- heterogenní – v tomto materiálu, který již prošel tepelným zpevněním, budou získány karbonitridové a intermetalické fáze.
Kovy této třídy se používají k výrobě konstrukcí turbín, ventilů pro letecké konstrukce a armatur. Homogenní austenitické oceli se také používají k výrobě dílů pro pece a takové jednotky, které mohou pracovat pod vysokým tlakem.
Austeniticko-feritické
Jedná se o materiály, ve kterých je směs feritické a austenitické fáze. Vyznačují se speciální tepelnou odolností. V některých parametrech jsou lepší než materiály s vysokým obsahem chrómu obsahující železo. Jde o stabilní matricovou strukturu, která umožňuje použití materiálu při tepelných teplotách 1150 stupňů.
Perlit
Tyto materiály jsou považovány za nízkolegované. Molybden a chrom se v těchto ocelích používají jako přísady a jejich provozní teplotní okno je 450-550 stupňů. Tyto oceli mohou obsahovat i vanad a molybden, materiály pak mohou pracovat v rozmezí 550-600 stupňů. Proč dochází k legování chromem: tepelná odolnost materiálu se pouze zvyšuje a zvyšuje se také odolnost vůči oxidačním procesům. A pokud se do slitiny přidá molybden, zvýší se i její pevnostní charakteristiky. Vanad v kombinaci s uhlíkem také zvyšuje pevnostní charakteristiky, s přihlédnutím ke skutečnosti, že to dělají vysoce rozptýlené karbidy.
Pomocí technologie normalizace slitin jsou optimalizovány jejich vlastnosti. A technologie kalení a následně tepelného popouštění jen přidává pokrok v optimalizaci vlastností. Výsledkem je strukturní matrice s disperzní feritovo-karbidovou texturou. Ozubená kola, válce a příčná pouzdra jsou vyrobena z perlitické oceli (např. jakost 20ХМЛ). Vyrábí také potrubí pro přehřívání páry a vysokotlaké kolektory (12Х1МФ).
Martenzitické
Kalení, jak známo, je metoda, při které se jeden typ oceli stává jiným. A otužování předchází dovolené. Výsledkem je přeměna krystalové mřížky a také zvýšení tvrdosti. Ale materiál se stává křehčím. Žíhání zahrnuje teplotu 1200 stupňů, která bude udržována několik hodin. Poté musí materiál vychladnout, což také zabere více než jednu hodinu. To vše je nutné, aby byly plechy pružnější, i když bude třeba obětovat určitou tvrdost.
Při použití metody dvojitého kalení je třeba se připravit na dvoustupňový proces. Nejprve se pevný roztok materiálu normalizuje, zahřeje na 1200 stupňů, poté se fáze opakuje, ale při 1000 stupních. Pomocí této technologie se jistě zvýší tažnost kovu a následně se zvýší jeho tepelná odolnost. Potrubí se vyrábí z martenzitických materiálů, např. z X5. Vyrábí také ventily pro letecké motory a ventily pro dieselová vozidla. A od značky 1Х8ВФ – parní turbíny.
feritický
Materiály, které mají feritickou strukturu, obsahují alespoň 25 % chrómu. Ale ne více než 33 %. Takový materiál lze získat žíháním a tepelným zpracováním, což vede k vytvoření jemnozrnné struktury v něm. A když teplota stoupne na 850 stupňů, roste i křehkost – na to je třeba pamatovat.
Oceli této skupiny se aktivně používají ve strojírenství. A např. Třída OX17T je vhodná pro vytváření produktů, které mohou fungovat v oxidačním prostředí (jedná se o výměníky tepla nebo stejné trubky). Potrubí se vyrábí z feritických ocelí a stávají se součástí pyrolýzních zařízení.
Svařované systémy jsou také vyrobeny z feritické oceli. Mohou být použity při 1100 stupních a mohou čerpat agresivní média.
Martenziticko-feritické
Tento typ oceli bude obsahovat až 14 % chrómu. Může být legován vanadem a molybdenem. Například, Označení X6SYU je vynikající volbou pro výrobu kotlových systémů pro stejná potrubí. Lopatky turbíny a upevňovací prvky jsou vyrobeny z martenziticko-feritické oceli. A to může být zaměřeno na výrobu dílů a systémů, které jsou vystaveny dlouhodobému zatížení při teplotách až 580 stupňů.
Ostatní
Za zmínku stojí také kovy, jejichž rozdílem je žáruvzdornost. Právě z nich se často vyrábějí produkty, které budou fungovat při teplotách od 1000 do 2000 stupňů. Takové oceli mají vysoké tepelné indexy přechodu do křehkého stavu a při vysokém přehřátí se deformují.
Pro zvýšení tepelné odolnosti těchto materiálů se do nich zavádějí přísady. Základem může být wolfram nebo vanad, železo. A například žáruvzdorná ocel odolná proti relaxaci 35ХМ je vhodná pro výrobu čepů, vřeten, ozubených kol, přírub, pneumatik a tak dále.
přihláška
Rozsah použití výše popsaných slitin je skutečně velký. Vzhledem k tomu, že ze samotné podstaty jejich tvorby musí být používány v prostředí s vysokou teplotou, stejně jako v agresivním prostředí, jsou aktivně používány k vytváření dílů krytu, které se budou pravidelně zahřívat. Používají se také k vytváření konstrukčních dílů pro spalovací motory. Aktivně se také používají k výrobě dílů a prvků, které mohou interagovat s agresivním prostředím – chemikáliemi a kapalinami.
Konkrétní příklady použití žáruvzdorných ocelí.
- Turbínové rotory mohou interagovat s vysoce tepelnými zdroji, a proto jsou často vyráběny od značky, jako je XN35VT.
- Plynové konstrukce také vyžadují speciální kovy, protože spalování plynu může vést k ohřevu pracovního prostředí na vysoké hodnoty. Jedním příkladem vhodných typů oceli je KhN35VMTYu.
- Turbíny jsou také nuceny pracovat ve ztížených podmínkách, a proto mohou být vyrobeny z legované slitiny s chromem jako základem – KhN35VTR. Materiál vydrží konstantní zatížení, vibrace a teplo bez deformace lineárních rozměrů.
- Kompresory, které také musí pracovat s ohřátým médiem, mají ve své konstrukci lopatky a disky. Aby byl výkon takového systému vyšší, při jejich výrobě se používá listový materiál s malou tloušťkou. Tím se sníží odolnost vůči vlivu pracovního prostředí. V takové situaci se často používá slitina KhN35VTYu.
Takové oceli se používají v raketovém a kosmickém průmyslu, v elektrárnách a v petrochemických zařízeních. Vyrábějí se z nich části kamen, saunových kotlů a dokonce i grilů. Pro potravinářský průmysl jsou nerezové oceli vynikající volbou. Hlavní věc je, že splňují hygienické a hygienické požadavky. Brousí se, leští a získá se povrch, kde nejsou vidět žádné póry ani praskliny. To znamená, že patogenní organismy nemohou proniknout do takového nádobí nebo náčiní, které splňuje standardní požadavky na potravinářské vybavení. Konečně takové nerezové výrobky vypadají také velmi esteticky, k čemuž samozřejmě napomáhá saténování a elektrolytické leštění.
Vyrábíme potravinářské obaly na uchování šťáv, obaly na bezpečné skladování mléčných výrobků a také cisterny na přepravu těchto výrobků. A pro pečení chleba je zařízení vyrobeno z nerezové oceli s vysokou tepelnou odolností a tepelnou odolností.
Zpracování
Svařovací práce s takovými materiály není a priori snadné. Žáruvzdorné oceli se vyznačují porušením svaru za studena. Proto lze svařování provádět s vlastními vlastnostmi: nejprve se povrch zahřeje (obecně nebo lokálně), aby se stal plastickým. Stejná manipulace je nutná pro snížení rozdílu mezi obvodovou teplotou a indikátory v místě svařování. To se provádí za účelem snížení napětí. Po dokončení svařování lze hotový díl temperovat několik hodin při udržování teploty 2000 stupňů.
Temperování pomáhá odstranit většinu rozpuštěného vodíku, zatímco zbývající austenit se přemění na martenzit. Mohou být vyžadovány různé elektrody, často wolframové. Dnes existují desítky druhů žáruvzdorných a žáruvzdorných ocelí, z nichž každá má své vlastní vlastnosti. Legováním různých prvků je možné dosáhnout požadovaných ukazatelů tepelné odolnosti a to je nejjistější cesta k rozšíření výrobních možností v nejrůznějších oblastech. Ale samotný proces legování kovů zvyšuje náklady na výrobu, a tudíž vysoké náklady na materiál. Přesto se tyto technologie staly perspektivními a v průmyslu se o nich stále více uvažuje.
