Жаропрочные стали и сплавы — это материалы, которые работают при высоких температурах в течение заданного периода времени в условиях сложнонапряженного состояния. Главной характеристикой, определяющей работоспособность стали или сплава, является жаропрочность.
Под жаропрочностью понимают напряжение, вызывающее заданную деформацию, не приводящую к разрушению, которое способен выдерживать металлический материал в конструкции при определенной температуре за заданный отрезок времени. Если оговариваются напряжение и время, то эта характеристика называется пределом длительной прочности.
Если оговариваются напряжение, время и деформация, то такая характеристика называется пределом ползучести.
Надежность работы металла оценивается не только прочностью, но и пластичностью, которую он сохраняет до конца службы. Поэтому второй важной характеристикой жаропрочного материала является запас пластичности, который определяется такими показателями, как и при испытаниях на длительную прочность, KCU после длительного старения и чувствительность к надрезу при испытании образцов с надрезом на длительную прочность. Для жаропрочных материалов хорошими показателями являются и при испытаниях на длительную прочность, если значения составляют соответственно 10 и 10%. Значение KCU оговаривается, исходя из условий работы материала.
Чувствительность к надрезу определяется как отношение времен до разрушения надрезанного и гладкого образцов, испытанных при одной и той же температуре и напряжении. Считается, что сплав нечувствителен к надрезу, если это отношение больше или равно единице.
Поскольку подъём температуры до рабочей протекает во времени, а начало работы, как правило, соответствует климатической температуре окружающей среды, важно также, чтобы и значения прочности и пластичности, свойственные материалу при комнатной температуре, были бы достаточно высокими. Для дисперснотвердеющих никелевых и железоникелевых сплавов значения прочности составляют σВ>1200 МПа, σ0,2> 800 МПа. Несмотря на то, что подавляющее число жаропрочных сплавов не имеет температурного порога хрупкости, или имеет его ниже рабочей температуры или температуры технологического передела, наличие различных концентраторов напряжений в реальных конструкциях неизбежно ставит вопрос о низкой чувствительности сплавов к наличию надрезов или острых трещин. С этой целью значение KCU должно быть как можно выше.
Поскольку жаропрочные сплавы работают в условиях сложнонапряженного состояния, характеризующегося постоянными изменениями величины и знака нагрузок, высокое сопротивление усталости при высоких температурах также важно, как и характеристики усталостной прочности для материалов, работающих при обычных климатических условиях.
Сложность современных технических решений конструкций обусловливает необходимость иметь материалы с высокими технологическими свойствами. Например, при изготовлении лопаток газотурбинных двигателей применяют такие операции, как ковка или точная штамповка, механическая обработка прутков и готовых изделий, шлифовка, полировка, прецизионное литье. При изготовлении камер сгорания из листовых жаропрочных материалов широко применяют холодную штамповку, прессовку, гибку, точечную сварку, клепку. Широкое распространение в последние годы получили сварка электродом, диффузионная сварка, сварка трением, пайка изделий.
Не следует упускать из вида и тот факт, что жаропрочные стали и сплавы по своей природе сохраняют высокие значения прочности не только до рабочих, но и до технологических температур, что накладывает свой отпечаток на всю технологию передела металла, начиная от деформации слитка и кончая конечными операциями доводки изделий до необходимых размеров и требуемой чистоты поверхности.
Что такое жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы?
Под жаростойкими (окалиностойкими) сталями и сплавами понимают стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550° С и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.
Жаростойкость (окалиностойкость) характеризуется сопротивлением металла окислению при высоких температурах. Как происходит окисление? Начальная стадия окисления стали — чисто химический процесс. Но дальнейшее течение окисления — уже сложный процесс, заключающийся не только в химическом соединении кислорода и металла, но и в диффузии атомов кислорода и металла через многофазный окисленный слой. При плотной окисной пленке скорость нарастания окалины определяется скоростью диффузии атомов сквозь толщину окалины, что в свою очередь зависит от температуры и строения окисной пленки.
Железо с кислородом образует ряд химических соединений: FeO (вюстит), Fe3O4 (магнетит) и Fе2O3(гематит). Строение диффузионного слоя соответствует изотермическим разрезам соответствующей диаграммы состояния при температуре диффузии.
|
 |
|
При температурах ниже эвтектоидной (570° С) окисленный слой состоит из двух зон окислов:
Fe2O3 и Fe3O4. Кристаллическая структура этих окислов сложна, и скорость диффузии, в них мала. При температурах выше 570° С структура окалины состоит трех зон окислов: Fe2O3, Fe3O4 и FeO, причем основным слоем окалины является окись FeO. Скорость окисления возрастает при переходе через эвтектоидную температуру (570°С), что является следствием более ускоренной диффузии атомов сквозь простую кристаллическую решетку вюстита, кристаллизующегося как и фазы внедрения, с дефицитом в неметаллических атомах (кислорода). Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами, которые благоприятным образом изменяют состав.
Так в результате введения в сталь соответствующих количеств хрома, алюминия или кремния, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, в процессе окисления на поверхности образуются плотные окислы Сг2O3, Аl2O3 или SiО2, диффузия сквозь которые происходит с трудом. Образовавшаяся тонкая пленка из этих окислов затрудняет процесс дальнейшего окисления.
Чем выше содержание хрома, алюминия или кремния в стали, тем выше окалиностойкость стали, и тем выше может быть рабочая температура. Минимальное содержание хрома, обеспечивающее окалиностойкость при разных температурах, можно определить из рис.1. При рабочей температуре 900° С для достаточной окалиностойкости сплав (сталь) должен содержать не менее 10% Сг, а при рабочей температуре 1100° С — не менее 20—25% Сг.
|
Сплавы для нагревателей традиционно разделяют на две группы:
1) нихромы и ферронихромы, имеющие аустенитную структуру;
2) Fе-Сг-Аl сплавы (хромали, фехрали), имеющие ферритную структуру. Безникелевые сплавы заметно отличаются от никелевых по уровню свойств и особенностям поведения нагревателей в эксплуатации, хотя области применения сплавов в определенной степени совпадают. Хромали и фехрали превосходят нихромы по жаростойкости во многих атмосферах: воздушной, углеродсодержащих, серосодержащих, в водороде, вакууме. Особо следует отметить их нечувствительность к примесям в атмосфере серы и сернистых соединений, которые губительны для нихромов вследствие образования низкоплавкой эвтектики.
Fe-Сг-Аl сплавы имеют, в сравнении с нихромами, ряд недостатков, которые ограничивают область их применения и усложняют их эксплуатацию. Среди этих недостатков необходимо отметить низкое сопротивление ползучести, обусловленное ферритной структурой и приводящее при температурах выше 1100°С к провисанию нагревателей под действием собственной массы.
К нихромам относятся следующие производимые сплавы марок Х20Н80-Н и ХН70Ю, к фехралям: Х15Н60-Н, Х15Н60ЮЗА, ХН60ЮЗ, ХН20ЮС. К хромалям относятся сплавы марок: Х23Ю5 (0Х23Ю5А), Х23Ю5Т (0Х23Ю5ТА), Х27Ю5Т (0Х27Ю5А), 0Х24Ю5Т-ВИ с иттрием; Также большой интерес представляют экономнолегированные нихромы, типа Х20Н30.
Сплавы Х23Ю5Т и Х27Ю5Т предназначены для изготовления нагревателей высокотемпературных промышленных и лабораторных электропечей, сплавы Х23Ю5 и Х15Ю5 - для нагревателей средне- и низкотемпературных электропечей, бытовых приборов и других аппаратов теплового действия. Сплав 0Х24Ю5Т-ВИ c иттрием обладает повышенной прочностью сцепления окалины с металлом, менее склонен к провисанию и рекомендуется для применения в устройствах, работающих в режиме частых теплосмен. Нихромы и ферронихромы имеют более высокое сопротивление ползучести.
Сплавы, легированные алюминием, могут работать в воздушной среде, вакууме и атмосферах, содержащих примесь серы и сернистых соединений. Их используют в основном для изготовления нагревателей промышленных электропечей. Сплавы, легированные кремнием, жаростойки в воздушной и азотсодержащих средах. Они применяются для изготовления нагревателей промышленных и лабораторных электропечей, бытовых приборов и других аппаратов. Наличие нескольких марок сплавов в составе каждой группы объясняется особенностями поведения нагревателей в эксплуатации, разным уровнем технологической пластичности сплавов, дефицитностью никеля, а также традицией применения сплавов в серийных конструкциях электропечей и электронагревательных устройств. Наиболее важными эксплуатационными характеристиками сплавов являются предельная рабочая температура, срок службы и величина удельного электрического сопротивления. Понятие предельной рабочей температуры не является строго определенным. Это рекомендуемая максимальная температура, при которой еще обеспечивается экономически эффективный срок службы нагревателей толстого сечения. Значения предельной рабочей температуры, указываемые в справочниках и каталогах, являются в определенной степени условными, и вопрос сравнительной стойкости сплавов-аналогов может быть надежно решен пока только путем испытания нагревателей в одинаковых условиях.
|
Расчет электронагревательных элементов
из нихромовой проволоки
Длину нихромовой проволоки для
изготовления спирали определяют исходя из
необходимой мощности.
Пример:
Определить длину проволоки из нихрома для
нагревательного элемента плиткимощностью
P=600 Вт при Uсети=220 В.
Решение:
1) I = P/U = 600/220 = 2,72 A
2) R = U/I = 220/2,72 = 81 Ом
3) По этим данным (см. таблицу) выбираем
d=0,45 ; S=0,159
тогда длина нихрома
l = SR/ρ = 0,159·81 /1,1 = 11,6 м
, где l - длина проволоки (м); S - сечение
проволоки (мм²); R - сопротивление
проволоки (Ом);
ρ - удельное сопротивление (для нихрома
ρ=1.0÷1.2 Ом·мм²/м).
|
 |
Допустимая сила тока
(I), А |
Диаметр (d) нихромапри 700 °C, мм |
Сечение проволоки (S), мм² |
| 1 |
0,17 |
0,0227 |
| 2 |
0,3 |
0,0707 |
| 3 |
0,45 |
0,159 |
| 4 |
0,55 |
0,238 |
| 5 |
0,65 |
0,332 |
| 6 |
0,75 |
0,442 |
| 7 |
0,85 |
0,57 |
|
|
Ремонт
… навив концы перегоревшей спирали из нихрома на кусок медной проволоки и загнув оба конца этой проволоки пассатижами, вы обеспечите спирали вторую жизнь. Медная проволока должна иметь диаметр не менее 1 мм.
… присоединяя новую спираль, необходимо непосредственно у контакта конец спирали скрутить вдвое, а колечко зажать между шайбами. Большая масса шайб и гаек способствует отводу тепла.
Пайка нихрома
… пайка нихрома (нихром с нихромом, нихром с медью и ее сплавами, нихром со сталью) может быть осуществлена припоем ПОС 61, ПОС 50 с применением флюса следующего состава, г: вазелин технический - 100, порошкообразный хлористый цинк - 7, глицерин - 5. Компоненты тщательно перемешивают до получения однородной массы. Соединяемые поверхности хорошо зачищают шлифовальной шкуркой и протирают тампоном, смоченным в 10%-ном спиртовом растворе хлористой меди, обрабатывают флюсом, лудят и только после этого паяют.
… при лужение нихромового провода возникает проблема обеспечения надежного электрического соединения нихромового провода с медным проволочным выводом — ведь нихром плохо поддается лужению с обычным канифольным флюсом. Значительно легче облудить конец нихромового провода, если в качестве флюса использовать обычную лимонную кислоту в порошке. На деревянную подставку насыпают очень немного (в объеме двух спичечных головок) порошка лимонной кислоты, кладут на порошок зачищенный конец провода и с некоторым усилием водят по нему жалом горячего паяльника. Порошок плавится и хорошо смачивает провод. Залуженный проводник кладут на канифоль и еще раз облуживают — это необходимо для того, чтобы удалить с провода остатки лимонной кислоты. Описанным способом можно лудить мелкие предметы из стали и других металлов.
|
Часто возникает проблема расчета веса проволоки необходимой длины. Предлагаем Вам воспользоваться нашим "калькулятором":
|
|
