Первым фактором при выборе жаропрочного сплава для конкретного применения является его температурный предел. Однако для достижения желаемого срока службы необходимо учитывать множество дополнительных факторов, чтобы добиться успеха в вашем приложении. Игнорирование этих факторов может привести к преждевременным отказам и, в некоторых случаях, к серьезным рискам для безопасности ваших сотрудников. Эта статья познакомит с более широким пониманием многих факторов, которые следует учитывать при выборе конструкционного сплава для жаропрочного применения.
Окисление
Первая и самая важная переменная, которую следует учитывать, — это предел окисления конкретного сплава. Непрерывный слой оксида хрома на поверхности аустенитных сплавов отвечает за повышение стойкости к окислению. Кремний и алюминий при достаточно высоком содержании в сплаве позволяют образовывать субчешуйки кремнезема или оксида алюминия, что дополнительно повышает стойкость к окислению. Наконец, добавление редкоземельных и других тяжелых металлов добавит еще один уровень стойкости к окислению за счет добавления оксида, который будет связываться с другими оксидами, создавая более прочный, тонкий и более прочный оксид, который труднее разрушить. Более тонкий оксид менее склонен к растрескиванию и отслаиванию, чем более толстый оксид.[1]
Поверхностный оксид любого стойкого к окислению сплава отвечает за его стойкость к окислению, но он также находится в условиях, которые могут в конечном итоге разрушить оксид. Термическое циклирование может со временем удалить оксидный слой с основания. Чешуйки могут разрушаться локально, образуя бородавки или узелки.[1] Когда шкала ломается в каком-то месте, она может либо восстановиться, либо стать начальным прицелом для более серьезной поломки шкалы.
Лабораторные испытания проводятся для определения пределов окисления и сравнения сплавов с конкурирующими материалами. Такие испытания можно проводить при любой температуре до 2250°F (1232°C) включительно. Измерением выбора является увеличение веса из-за образования оксида (и нитрида). Образцы нагревают в фарфоровых тиглях для содержания отколовшегося оксида. Образцы удаляются еженедельно. После применения процедур, гарантирующих отсутствие потери отколотого оксида, образцы охлаждают, взвешивают, а затем снова помещают в печь до тех пор, пока образцы не продержатся при температуре в течение 3000 часов. Прибавка в весе указывается в мг/см2.
Такие испытания полезны в качестве ориентира, но они не адекватно имитируют все условия, которые могут возникнуть для всех сплавов при фактическом использовании в производстве, включая более частые термоциклы, ползучесть, застойные атмосферы, различия в окислительных атмосферах (например, содержание влаги) и реальное время. . Конструкционные сплавы могут использоваться годами, а не месяцами, а экстраполяции могут быть точными, а могут и нет.
Несмотря на все эти ограничения, испытание на окисление полезно для сравнений. В этих лабораторных испытаниях результаты с потерями менее 20 мг/см2 позволяют предположить, что сплав в форме пластин не должен терять структурную целостность из-за потерь при окислении. С учетом всех этих соображений на Рисунке 1 показаны пределы окисления ассортимента коррозионно-стойких сплавов Rolled Alloys. Рисунок 2 представляет собой иллюстрацию реального эксперимента, показывающего легко наблюдаемые различия в стойкости к окислению нескольких сплавов.
Воздействие других атмосфер
В мире термообработки конструкционные материалы могут подвергаться воздействию других атмосфер, включая науглероживание, азотирование (и их комбинации), вакуум, водород, инертный газ и многое другое. В вакууме и в значительной степени в атмосфере инертного газа стойкость к окислению менее важна, поскольку целью этих атмосфер является создание бескислородной атмосферы. Также следует понимать, что продукты сгорания содержат как углерод, так и азот при высоких температурах, что может привести к азотированию и науглероживанию. При промышленной термообработке цементация и нитроцементация обычно выполняются в диапазоне температур 871-954°C, а азотирование и ферритная нитроцементация обычно выполняются при 530-565°C .
Науглероживание, азотирование и сочетание этих двух процессов охрупчивают жаропрочные сплавы. Следовательно, в какой-то момент времени материалы больше нельзя выпрямлять или сваривать. Охрупчивание происходит как из-за изменений химического состава поверхности из-за атмосферы, которая диффундирует в основной металл при длительном воздействии, так и, если температура достаточно высока, из-за роста зерен. Стойкость к науглероживанию (или азотированию) зависит от содержания никеля, целостности окалины и размера зерна. Никель снижает растворимость углерода в сплаве, так что он просто не диффундирует в металл.[1,2,3]
В жаропрочных сплавах соединения хрома, кремнезема и глинозема находятся на поверхности и также являются защитным слоем от науглероживания. Даже если атмосфера восстанавливается до железа, она все же может окисляться до хрома, кремния или алюминия. Это можно определить по диаграмме Эллингема. Достаточно сказать, что склонность отложений к окислению или восстановлению термодинамически сложна, но ее можно оценить путем тщательного анализа диаграмм Эллингема.[4]
RA330® очень часто используется для крепления в этих условиях и обычно служит в течение года. RA333®, 600, 601 и RA 602 CA® более устойчивы к науглероживанию, но требуют более высоких затрат. Сплав 800HT, несмотря на химический состав, аналогичный RA330, с меньшим содержанием кремния и добавкой алюминия, демонстрирует пониженную стойкость к науглероживанию в значительной степени из-за большого размера зерна и меньшего количества кремнезема.
Из-за сложных атмосфер испытания на науглероживание более сложны и должны быть адаптированы к конкретной среде, в которой будет работать реальная печь. Это включает углеродный потенциал, температуру и содержание кислорода в атмосфере. Этот последний параметр не может быть подчеркнут достаточно, потому что формирование сопоставимой шкалы защиты имеет решающее значение для получения достоверного сравнения.[1]
Вакуумная цементация представляет собой уникальную проблему. При парциальных давлениях кислорода, участвующих в этом процессе, отложения кремнезема и хрома не являются термодинамически стабильными. Поэтому их нет. Стойкость к науглероживанию в основном обеспечивается глиноземом, требующим не менее 2,5%, или комбинацией алюминия и кремния не менее 3%. Текущая практика заключается в проведении испытаний на науглероживание новых сплавов для сравнения в реальной печи науглероживания — с образцами, приваренными или иным образом прикрепленными к креплению, — чтобы получить сравнение яблок с яблоками.
Есть еще одна последняя форма науглероживания, которую следует рассмотреть, и это явление угольной пыли. Чаще всего это происходит при более низких температурах 800-1200°F (427-650°C). Это происходит, когда компонент вводится через печь через изолированную стенку. Металл в изоляции имеет гораздо более низкую температуру, а металл вдали от стены имеет температуру печи. В зоне, близкой к стене, существует резкий температурный градиент. Поверхность металла выглядит изъеденной червями.[1] RA333 десятилетиями был предпочтительным сплавом для термообработки, чтобы противостоять углеродной пыли. Один производитель капитального оборудования показал, что как RA 602 CA, так и 625 являются приемлемыми альтернативами RA333 для нанесения металлической пыли.
Ползучесть и прочность на разрыв
Прочность на растяжение больше нельзя использовать в качестве расчетного параметра при температуре выше 538°C. Вместо этого двумя очень важными факторами при выборе жаропрочного сплава являются способность сплава сопротивляться провисанию и разрушению при приложенной нагрузке при температуре. Эти два параметра известны как сопротивление ползучести при высоких температурах и сопротивление разрыву соответственно. Проще говоря, ползучесть — это явление растяжения металла под действием собственного веса или под действием приложенной нагрузки при повышенной температуре.
Простой визуальный образ, созданный для понимания явления ползучести, идеальные концентрические круглые образцы привариваются к приспособлению, помещаются в печь на определенный период времени, а затем охлаждаются на воздухе. Некоторые образцы сильно провисли, а другие практически не деформировались. Те, которые не деформировались, имеют лучшее сопротивление ползучести. Скорость ползучести выражается в % в час и увеличивается с повышением температуры.
Библиографический список
- Гайдук, Сергей Жаропрочные никелевые сплавы / Сергей Гайдук. – М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2012. – 196 c.
- Каблов, Е.Н. Жаропрочность никелевых сплавов / Е.Н. Каблов. – М.: ВИАМ, 1998. - 709 c.
- Kelly, J., Heat Resistant Alloys, Art Bookbindery, Canada, 2013.
Количество просмотров публикации: Please wait