Применение жаропрочной стали.
Жаропрочная сталь представляет собой сплав из тугоплавких металлов, изделия из которого предназначены для эксплуатации в режиме повышенных температур и сложно напряженном состоянии.
Основное отличие от жаростойкой стали заключается в возможности сохранения заданных свойств в течении длительного времени воздействия высоких температур. Жаростойкие стали выдерживают непродолжительный высокий нагрев.
Жаропрочная сталь охватывает широкий спектр применения:
- Авиация и космонавтика;
- Морской флот;
- Нефтегазовая промышленность;
- Металлургия;
- Машиностроение;
- Пищевая промышленность и др.
Из жаропрочной стали изготовляют продукцию, работающую при воздействии высоких температур и агрессивных сред, что вызывает деградацию свойств материалов. Это детали и узлы турбин, жаровые сопла реактивных двигателей, крепежные детали, разнопрофильные трубы, теплообменные конструкции.
Классификация жаропрочных сталей.
По состоянию внутренней структуры металла жаропрочные стали условно можно разделить на четыре основных класса.
В производстве широкое применение нашли стали со смешанной структурой, такие как мартенсито-ферритные и аустенито-ферритные.
Аустениты.
Это сплавы, в основе которых содержится железо. Характеризуются высоким содержанием никеля (9-12%) и хрома (13-19%). Никель способствует увеличению жесткости и прочности сплава, а хром улучшает жаростойкие свойства, препятствуют образованию окалины при длительном воздействии высоких температур.
Дополнительно в различных дозировках в сплавы вводятся ряд других легирующих элементов – ванадий, ниобий, вольфрам, молибден, титан, кобальт и др.
Присадки из легирующих элементов существенно изменяют свойства структуры сплава, в результате чего происходит, например, увеличение температуры плавления (тугоплавкость).
Здесь необходимо иметь в виду, что тугоплавкие сплавы отливаются по индивидуальным заказам, поскольку предназначены для работы в экстремальных ситуациях с определенными нагрузками.
Металлы с аустенитной структурой широко применяются для изготовления трубопрокатной продукции, деталей турбин, клапанов двигателей внутреннего сгорания, агрегатов, работающих под давлением и в агрессивных средах.
Наиболее популярными являются легированные стали 1Х14Н16Б, 1Х14Н18В2Б, Х18Н10Т, Х23Н18. Аустенитные стали обладают высокой коррозионной стойкостью. Относятся к труднообрабатываемым материалам.
Мартенсит.
Стали с такой структурой имеют повышенное содержание никеля, марганца и хрома. Отличаются высокой стойкостью к внешнему воздействию. Перестроение кристаллической решетки происходит в результате закаливания с последующим отпуском. Структура металла получается твердая, мелкозернистая.
Являются отличным материалом для изготовления труб, крепежных элементов, клапанов ДВС в моторостроении.
Сталь характеризуется высокой твердостью и повышенной хрупкостью. Хрупкость можно понизить отжигом металла в течении нескольких часов при t = 1200 °C, но при применении такой технологии несколько снижается твердость.
Наиболее яркие представители марок сталей этого класса – 1Х8ВФ, 4Х9С2, 3Х13Н7С2, 40Х10С2М.
Мартенситные стали широко применяются в моторостроении, при изготовлении узлов и деталей паровых турбин.
Перлиты.
К этому классу металлов относятся низколегированные стали с содержанием хрома, молибдена и ванадия. Рассчитаны на работу при 550-600 °C.
Присадки хрома и молибдена обеспечивают работу в температурном режиме 450-550 °C, в то же время добавление ванадия увеличивает температурный режим до 550-600 °C.
Механические свойства стали с перлитной структурой повышаются за счет проведения таких технологических приемов как нормализация, закаливание и отпуск.
Востребованными в народном хозяйстве являются представители стали марок 20ХМЛ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф,20ХМФЛ, 12Х2МФСР. Используются при изготовлении шестерен, цилиндров, труб паронагревателей, установок высокого давления.
Ферриты.
Сталь этого класса в своем составе содержит 25-33 % хрома. При отжиге с дальнейшей термообработкой приобретает мелкозернистую структуру. С повышением температуры выше 850 °C начинает возрастать хрупкость.
Представителями ферритового класса являются такие марки сталей, как Х25Т, 1Х12СЮ, 0Х17Т, Х18СЮ. Характеризуются высокой устойчивостью к агрессивным средам. Служат для изготовления труб и емкостей, работающих в условиях взаимодействия с этими средами, пиролизных установок.
Сплавы со смешанной структурой объединяют в себе характеристики образующих классов.
Используются при изготовлении лопаток турбин, коленчатых валов, поршневых колец и др. деталей, работающих в области высоких температур.
Подбор типа стали при изготовлении оснастки и приспособлений.
Технический и организационный уровень современного машиностроения определяет уровень его оснащенности технологической оснасткой. В качестве примера рассмотрим требования к оснастке в машиностроительной отрасли.
Технологическая оснастка представляет собой совокупность технологического оснащения, дополняющая технологическое оборудование для выполнения определенного вида работ (режущий и измерительный инструмент, различные приспособления, калибры, штампы, пресс-формы и т. п.). Таким образом, технологическая оснастка – это деталь или сборочная единица, применяющаяся для изготовления конечного изделия, но сама им не является.
Оснастка изготовляется из легированных сталей. В зависимости от производства сталь может быть дополнительно и жаропрочной (применяется в литейном процессе).
Технологическая оснастка на предприятиях подбирается согласно рекомендациям ГОСТ 14.305-73 и др. руководящих документов.
Так, для каждой производственной операции выбирается нужная оснастка и режущий инструмент с указанием его типа, размера, марки материала режущей части. Дополнительно подбирается измерительный инструмент с необходимым диапазоном, точностью измерения и ценой деления. При необходимости выбирают калибры, шаблоны по их маркировке, включая номинальный размер детали с требуемым полем допуска.
Подбор материала, из которого будет изготовляться оснастка, делают с помощью табличных (см. Табл. 3) данных и требований соответствующей нормативно-технической документации. Основными руководящими документами считаются ГОСТ 5632-2014, МУ РД 50-533-85, ГОСТ 14.305-73.
Станочные приспособления – переменная часть технологического оснащения станка. Предназначены для обеспечения, замены и расширения технологических возможностей оборудования.
Приспособления условно делятся на пять основных групп:
- Станочные приспособления. К ним относятся токарные, сверлильные, фрезерные, шлифовальные и др.
- Крепежные приспособления (захваты, державки и т. п).
- Сборочные приспособления.
- Контрольно-измерительные.
- Приспособления для перемещения и переворачивания обрабатываемых деталей.
К приспособлениям применяется ряд специфических требований. Они должны быть:
- Удобными в эксплуатации;
- Экономичными в изготовлении;
- Безопасными в работе;
- Точными;
- Жесткими;
- Ремонтопригодными.
Станочные приспособления постоянно совершенствуются. Специалистами предпринимаются попытки создания универсальных приспособлений, поскольку сейчас около 75% одноразовые, т. е. обеспечивающие выполнение какой-то одной операции. Для народного хозяйства в целом это не выгодная, но пока что безальтернативная ситуация.
Для безотказной и безопасной работы приспособления на стадии проектирования должен быть осуществлен подбор материала для его изготовления.
Выбор стали для изготовления приспособлений осуществляется с помощью табличных данных:
При выборе материалов для изготовления станочных приспособлений необходимо руководствоваться методическими указаниями ГОСТ 5632-2014, РД 50-533-85, ГОСТ 14.305-73 и др. НТД.
Испытания жаропрочной стали.
Испытания на жаропрочность.
Жаропрочностью называется способность металла работать в условиях воздействия внешних нагрузок при повышенных температурах.
Оценку показателей жаропрочности определяют по механическим испытаниям на:
- Ползучесть;
- Длительную прочность;
- Релаксацию напряжений.
Кроме перечисленных легированные стали испытываются на твердость, хрупкость, соответствие заявленному химическому составу и др.
Рассмотрим испытания стали на примере оценки ее жаропрочности.
Испытание на ползучесть.
Ползучесть – свойство металла деформироваться под длительным действием постоянного напряжения. Актуально при расчете на прочность деталей и конструкций, работающих в условиях высоких температур.
Испытание проводится по ГОСТ 3248-81. Для испытания готовятся образцы цилиндрической формы ø 10 мм и длиной 100, 150 и 200 мм, либо плоские размером 15*100 мм с толщиной проката. Допускаются отклонения по величине площади поперечного сечения до ±0,5%.
Испытания проводятся на испытательных машинах, соответствующих требованиям ГОСТ 28845-90.
где: 1 — верхний захват; 2 — электропечь; 3 — термопреобразователь; 4 — образец; 5 — наружная шина; 6 — внутренняя шина; 7 — индикатор часового типа; 8 — нижний захват; 9 — грузовой рычаг; 10 —грузы.
Образец устанавливается в захваты испытательной машины при нормальной температуре. После проверки правильности установки помещается в печь, где нагревается до заданной температуры в течении восьми часов и выдерживается при ней не менее одного часа. Отклонения температуры выбираются в зависимости от ее значения и составляют от ± 1 °C при 600 °C до ± 6 °C при 1200 °C.
После нагрева и выдержки к образцу плавно прикладывается нагрузка, равная 10% от заданной. При неизменных показаниях нагрузки и температуры в течении пяти минут образец плавно нагружается до заданного значения нагрузки. Одновременно учитывается удлинение образца. Все числовые значения считываются с дисплея испытательной машины.
Предел ползучести проводят с допусками на удлинение от 0,1 до 1,0% при длительности испытания 50, 100, 300, 500, 1000, 3000, 5000 и 10000 ч при отсутствии другого допуска на деформацию.
Особые требования предъявляются к температуре помещения для испытаний. Ее колебания во время измерений удлинения не должны превышать ± 3 °C.
После проведения испытания образец разгружают и определяют величину остаточного удлинения.
Результаты, полученные во время испытания, высчитываются с использованием специальных формул и оформляются в виде графиков.
Документально процесс испытания завершается заполнением протокола испытаний.
Испытание на длительную прочность.
Длительная прочность – это сопротивление металла разрушению в условиях ползучести. Испытания проводятся на тех же машинах, но до разрушения образца. Испытывается 10 образцов.
Результатом испытаний является получение диаграммы длительной прочности.
Диаграмма позволяет оценить предел длительной прочности, т. е. напряжение, доводящее металл до разрушения за заданный промежуток времени или срок службы изделия.
Порядок проведения испытания регламентирован ГОСТ 10145-81.
Образцы изготавливаются в соответствии табличным данным (См. таблицу) в количестве не менее 10 шт.
Для испытания требования к испытательным машинам должны соответствовать ГОСТ 28845-90.
Во время проведения испытаний образец в захватах машины помещают в печь. Время нагрева не более 8 часов, с последующей выдержкой 1 час. Температура нагрева задается техническими условиями на металлопродукцию.
После нагрева образца и выдержки к нему прикладывается нагрузка до полного его разрушения.
Полученные при испытании числовые значения времени и приложенного усилия считываются с дисплея испытательной машины и анализируются. Затем по специальным формулам высчитывается длительная прочность испытываемого образца металла.
Результаты испытаний заносятся в протокол. Настоящий стандарт рекомендует следующую форму документа:
Испытания на релаксацию напряжений.
Суть релаксации напряжений заключается в самопроизвольном затухающем падении напряжений в металле с течением времени. Происходит за счет перехода упругой деформации в пластическую при постоянной общей начальной деформации. Например, изначально крепко затянутые болты с течением времени при высоких температурах начинают ослабевать.
Для определения релаксационной стойкости металла проводятся его испытания по ГОСТ 26007-83.
Для испытания отбирается не менее шести образцов определенной формы и размеров.
Длина L цилиндрического образца 206 мм. Допуски на размеры и шероховатость выбираются из таблицы.
Отклонения длины образцов не должны превышать 0,5% от заданной первоначальной величины.
При проведении испытаний применяются испытательные машины в соответствии требованиям настоящего стандарта. Силовозбудители машин должны обеспечивать заданную нагрузку с точностью до 0,5%, при этом отклонения по перемещениям образца в течении всего времени испытания не должно превышать:
- ± 0,003 мм для образцов на растяжение;
- ± 0,010 мм – равного сопротивления изгибу;
- ± 0,050 мм – для пружинных образцов.
Отклонения от заданных температур при испытании не должны превышать:
- ± 3 °C – до 600 °C;
- ± 4 °C – от 600 до 900 °C;
- ± 6 °C – от 900 до 1200 °C.
Образцы устанавливаются в захваты испытательной машины и подвергаются нагреву в печи до заданной температуры. Затем выдерживаются при этой температуре не менее двух часов. После этого образец нагружается при включенной системе автоматического поддержания постоянства деформации. Скорость нагрузки не должна превышать 700 Мпа/мин.
Далее сопоставляют замеры параметров образца и сравнивают их с полученными до испытания и после него. Используя специальные формулы, производится расчет числового значения релаксации напряжений в испытанном образце.
Конечный результат испытаний оформляется протоколом.
