ПРИМЕНЕНИЕ Ni-Al СПЛАВОВ ДЛЯ ПЕЧНЫХ РОЛИКОВ
В сообщении рассказывается об интерметаллидных аустенитных сплавов Ni-Al и их применении в металлургических печах, включая производство стали и стекла.
Главными особенностями работы элементов и их сплавов, применяемых в качестве роликов и поддерживающих конструкций для высоких температур (от 1200 до 2300 оФ) являются следующие:
- значения прочности и жесткости (toughness) уменьшаются с увеличением температуры что очень вредно при возрастающей нагрузке особенно от 1500 оФ до 2300 оФ
- сопротивление окислению уменьшается с ростом температуры экстремально до полной потери размеров, падению возможности нести нагрузку, потери сплошности поверхности и полной невозможности выполнять функции при указанных выше температурах
- сопротивление ползучести и усталости уменьшается с увеличением температуры, как по показателям прочности, жесткости, сопротивления термоудару, термоциклической усталости, усталости от циклов нагружения, трещинообразования, потери размеров, потери способности к удерживанию нагрузки, изломам
- сопротивление науглероживанию уменьшается с увеличением температуры вплоть до (embrittlement) возможности держать нагрузку,
- сопротивление абразивному износу уменьшается параллельно с ухудшением показателей прочности и жесткости и приводит к истиранию, привариваемости, схватываемости, потери соответствия размеров.
Однако, существует класс материалов, который обеспечивает основу для существенного улучшения в увеличении показателей, который дает возможность улучшить показатели при высоких температурах и создать более совершенные конструктивные элементы чем из обычно применяемых и доступных сплавов. Этот класс материалов – интерметаллические соединения и сплавы, которые состоят из 2х или более компонентов и имеющих определенную кристаллографическую структуру и определенное соотношение компонентов или их диапазона.
Объектом сегодняшнего рассмотрения являются металлургов или производителей стекла данными по интерметаллидным аустенитным сплавам типа алюминидов.
Особенно объектом рассмотрения станут ролики термических печей из интерметаллидных сплавов и имеющих повышенные требования к свойствам, как указано выше. Этими свойствами являются отсутствие прогиба при нагрузке, сопротивление окислению, сопротивление потери размеров и формы, (scalling) сопротивление износу, сопротивление науглероживанию, сопротивление ползучести и усталости, и в целом работоспособность в обычной рабочей среде.
Интерметаллидные сплавы позволяют обеспечить поддерживать предел текучести при 1600 оФ по крайней мере на уровне 75% от предела текучести при обычной температуре и в дальнейшем способной удерживать конструктивную нагрузку при температурах до 2300 оФ.
Интерметаллидные сплавы позволяют обеспечивать работоспособность и подачу листов вне зависимости от охлаждения ролика, при котором такой ролик должен обеспечивать сопротивление нагрузкам, износу, окислению, потере размеров и формы и продолжительный срок службы
Интерметаллидные сплавы позволяют обеспечить для бочек роликов сопротивление науглероживанию, которые всегда приводят к охрупчиванию, трещинообразованию и разрушению в диапазоне температур 1400-2300 оФ, где бочки роликов особенно сильно науглероживаются.
Говоря в целом, сплавы основаны на семействе аустенитных интерметаллидов где один из важных элементов выбирается из группы элементов, содержащих никель, и группы V111 таблицы Менделеева. Другие легирующие элементы выбираются из группы, содержащей алюминий, группы 111 Периодической системы. Фундаментом этого семейства сплавов является интерметаллидное соединение Ni3Al. К этой основе может быть добавлены другие элементы, особенно из группы IV, V VI, для производства интерметаллидные сплавы с определенным комплексом механических и физических свойств, требуемых при специфических условиях применения.
Изготовление, обработка стали и ее изделий часто производится при высоких температурах особенно в диапазоне 120-2300 оФ. Исторически сложилось, что при этих температурах используются литые жаростойкие сплавы, легированные железом, хромом, и никелем к которым добавляются остальные элементы. Эти сплавы имеют механические свойства, которые становятся заметно низкими при температурах выше 1400 оФ. Ролики, изготовленные из этих сплавов подвержены большим изменениям размеров, трещинам, хрупкости, (scaling) и вторичному (tramp scale adhesion) которые в свою очередь лимитируют температуры использования и ожидаемый срок службы деталей из этих сплавов.
Семейство Ni3Al сплавов показывают существенные преимущества в физических и механических свойствах, достигаемых при высоких температурах. Эти преимущества заметны при широком диапазоне высоких температур (от 1400 до 2300 оФ и включают – повышенную прочность и жесткость, выдающуюся сопротивление и стабильность к окислению, хорошую твердость, термодинамическую стабильность и однофазность по всему расширенному диапазону температур. В свою очередь, эти свойства, по всему расширенному диапазону температур могут обеспечить основу для частей, которые имеют необычно высокие размерную стабильность, сопротивление окислению, сопротивлению термоудару, сопротивление термоусталости и абразивному износу.
При использовании сплавов на основе композиции Ni3Al можно изготавливать широкий спектр изделий, которые в сравнении с жаростойкими сплавами существенно уменьшают, если не уничтожают отмеченные вредные изменения деталей и конструкций.
ОПИСАНИЕ
Материал предназначен для изделий, работающих при высоких температурах, и состоит из аустенитного интерметаллидного сплава типа алюминидов, имеющих высокое сопротивление повторяющимся термическим циклам от комнатной до температуры 1600 оФ.
Дополнительные легирующие элементы – бор, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден, вольфрам, железо, кобальт и их сплавы. Эффективное легирование достигается при введении от 0,001 до 15% по весу.
Интерметаллидный сплав содержит около 75% никеля и 25% алюминия по атомам с небольшим процентом бора, добавляемого для вязкости (ковкости).Для большей определенности следует поддерживать соотношение 75% атомов никеля и 24% атомов алюминия с минимумом 150 РРМ бора, в любом данном сплаве при замещении атомов никеля и алюминия другими элементами. Эти атомы в указанном соотношении образуют гранецентрированную решетку. По большей части много из важных свойств жаростойких сплавов обязаны факту, что большой процент входящих элементов образуют однофазную систему с гранецентрированной решеткой.
Никель-алюминиевый сплав предлагает новую комбинацию механических и физических свойств, которые особенно хорошо подходят для роликов термических печей. В целом, эти сплавы показывают хорошую работоспособность при температурах от 1200 до 2300 оФ. Особенно эти сплавы могут быть применены для условий, где рабочие температуры часто превышают допустимые.
ОСОБЕННОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НИКЕЛЬАЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ,
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ.
Теплопроводность никель-алюминиевого сплава – в два раза превышает самую высокую теплопроводность других применяемых жароупорных сплавов. Благодаря специальному легированию можно изменять теплопроводность и соответствие особенностям теплоотвода деталей.
УДЕЛЬНЫЙ ВЕС Никель- алюминиевый сплав имеет меньший удельный вес чем большинство из конкурирующих сплавов. Таким образом, одинаковые изделия могут быть изготовлены с меньшим весом при тех же показателях, чем у конкурирующих сплавов.
СОПРОТИВЛЕНИЕ ОКИСЛЕНИЮ – никель- алюминиевые сплавы показывают выдающееся сопротивление окислению благодаря высокому содержанию алюминия и образующейся пленке оксида алюминия Al2O3, образующейся на поверхности. Далее при помощи отдельного замещающего легирования или в комбинации с хромом, цирконием, гафнием и молибденом можно разработать сплавы, имеющие даже лучшее сопротивление окислению для определенных применений. Сопротивление окислению является чрезвычайно важным в том, когда требуется, чтобы сплавы были стабильны к оксидированию в воздухе при температурах до 2300 оФ.
Сплавы защищаются от оксидирования за счет образования поверхностной пленки оксида алюминия, которая как когерентна, так и адгезивна основе сплава при большинстве условий работы. При легировании эта оксидная пленка становится сложным оксидом, но основу по-прежнему составляет оксид алюминия. Эта оксидная пленка необычайно устойчивая и сопротивляется разрыхлению при высоких температурах в условиях термоциклирования и механической нагрузки.
К тому же эти сплавы имеют преимущества благодаря их однофазной основе, которая обеспечивает одинаковый коэффициент термического расширения к сплавам и частям, изготовленных из них. Таким образом, почти все зерна интерметаллидного сплава во всех частях имеют одинаковый коэффициент термического расширения и поверхность различных участков двигается в унисон. И следует добавить, что защитная оксидная пленка не подвержена разрывам и разрыхлению. Напротив, большинство сплавов, используемых при высоких температурах, многофазны и состоят обычно из 3х или более. Каждая из этих фаз имеет разный коэффициент теплового расширения. На поверхности таких многофазных сплавов под действием высокой или плавающей температуры разница в тепловом расширении этих фаз может привести к разрыву защитной оксидной пленки. По этой причине такие сплавы более склонны к высокой степени окисления по этому механизму.
Далее, упрочняющие фазы в некоторых многофазных сплавах сами способствуют процессу окисления с разрыхлением по этим фазам. Например, карбидные включения могут окисляться при высоких температурах с высокой скоростью, что в свою очередь нарушает защитную пленку, снова приводя к высокой степени окисления по приведенному механизму. В отличие от этого, интерметаллидные сплавы не подвержены окислению по такому механизму.
В добавление, некоторые из применяемых в настоящее время сплавов содержат значительное количество ниобия и вольфрама. Под воздействием особенных условий меняющейся высокой температуры эти элементы могут концентрироваться в определенных частях тела ролика, что в свою очередь приведет к значительному проценту внутреннего окисления, что приведет дополнительно к другому механизму окисления. Интерметаллидные сплавы, не легируются этими элементами и не разрушаются по механизму внутреннего окисления.
Таким образом, детали, работающие на воздухе при сложных температурных условиях до 2300 оФ, с успехом могут быть применены никель алюминиевые сплавы. И можно предположить, что такие интерметаллидные сплавы дадут более высокие ожидаемые показатели и превзойти конкурирующие сплавы.
Сопротивление абразивному износу. Никель алюминиевые сплавы показывают стойкость к абразивному износу, которая сравнима с другими сплавами. Сопротивление абразивному износу сплавов соответствует изменению и поведению прочностных характеристик и характеристикам прочности защитной оксидной пленки. Никель- алюминиевые сплавы обеспечивают большую прочность при высоких температурах, чем конкурирующие промышленные сплавы, особенно при температурах 1500 оФ и поскольку эта пленка образуется на базе оксида алюминия, то как было сказано выше, она обладает лучшей адгезией и когерентна основе сплава.
В таком сочетании высокотемпературной прочности и неразрывной и твердой и прочной оксидной пленки никель алюминиевые сплавы превосходят известные сплавы.
СОПРОТИВЛЕНИЕ НАУГЛЕРОЖИВАНИЮ Никель и алюминий не образуют стабильных карбидов. Следовательно, Основа интерметаллидного сплава не подвержена химическому воздействию углерода при высоких температурах. Интерметаллидные сплавы не содержат легирующих элементов, которые частично подвержены образованию химических соединений с углеродом при высоких температурах. Далее, слой отличной адгезивной и когерентной оксидной алюминиевой пленки обеспечивает защиту от проникновения и диффузии углерода к легирующим элементам интерметаллидного сплава.
Напротив, известно, что сплавы на основе железа, которые обычно используются для изготовления жароупорных деталей, реагируют с углеродом. Карбид Fe3C образует прочное и стабильное соединение между железом и углеродом. С возрастанием температуры возможность для диффузии углерода в любую часть детали увеличивается. Так можно наблюдать, что детали из сплавов на основе железа становятся хрупкими и разрушаются со временем, если они работают в среде, богатой углеродом.
Таким образом, детали, работающие в средах, насыщенных углеродом при температурах до 2300 оФ желательно изготавливать из никель-алюминиевых сплавов. Поскольку детали, изготовленные из никельалюминиевого сплава не разрушаются в присутствии углерода, можно ожидать, что такие сплавы превосходят известные сплавы при высоких температурах в среде насыщенной углеродом
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИКЕЛЬ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
ПРОЧНОСТЬ Прочность никельалюминиевых сплавов высока и существенно выше, чем большинства сплавов при повышенных температурах. Никель алюминиевые сплавы сравнимы со специальными сплавами серии супераллой.
Основа никель алюминиевого сплава увеличивает прочность с возрастанием температуры до 1250 оФ и хотя стабилизируется в прочности при дальнейшем увеличении температуры прочность остается высокой до 2300 оФ. От 1700 до 2300 оФ эти сплавы особенно обеспечивают повышенную прочность по сравнению с почти всеми другими и более высокую прочность, чем промышленные известные сплавы.
Поведение прочностных характеристик этих никель- алюминиевых сплавов значительно повышается при легировании и модифицировании указанными выше элементами. Сплавы отличаются высоким, но постоянным уровнем прочности до 1700 оФ и более высокий уровень при температурах 2200-2300 оФ.
Таким образом, никель- алюминиевые сплавы позволяют иметь преимущество в прочности в температурном диапазоне 1400-230 оФ, позволяющем изготавливать ролики с повышенной конструктивной прочностью при высоких температурах.
ЖЕСТКОСТЬ Жесткость сплава является результатом взаимозависимости между прочностью и удлинением. Основа никель- алюминиевого сплава демонстрирует хорошее удлинение при средне высоких температурах, но показывает значительный спад в удлинении материала, когда температура достигает 1250 оФ. И, следовательно, сплав теряет большую часть жесткости. Однако, при специальном легировании эта потеря может быть устранена и достаточные значения удлинения и жесткости будут наблюдаться для широкого спектра никель алюминиевых сплавов.
СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ Сопротивление механической усталости, сопровождаемой максимумами в термоциклах, является наиболее лучшим показателем никель алюминиевых сплавов.
В добавление к этим факторам однофазная природа сплава уже при его выплавке имеет своим следствием сверхвысокое сопротивление термоциклической усталости. Большинство применяемых сплавов, используемых при высоких температурах,являются многофазными сплавами. Разница в прочности каждой фазы, разница в прочности сцепления между фазами в сравнении с однофазной прочности сцепления границ зерен, разница в коэффициенте термического расширения по всему температурному интервалу все вместе служит основой для спада сопротивления механической усталости деталей при термоциклировании. Никель алюминиевые сплавы являются однофазными материалами с высокой прочностью и жесткостью и не имеют усталости по приведенным механизмам.
Следовательно, никель алюминиевые сплавы успешно противостоят термоциклической усталости и как результату – эффекту развития трещины, вызванной температурными напряжениями, которые известны как «горячее разрушение», разрушение из- за воздействия факела, и похожие эффекты, которые относятся к особенностям механических свойств. К тому же, там, где поддержание конструктивной сплошности деталей является важным и или поддержание сплошности поверхности частей является важным, никель алюминиевые сплавы превосходят другие сплавы.
СОПРОТИВЛЕНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ ОТ НАГРУЖЕНИЯ Никель алюминиевые сплавы имеют хорошее сопротивление усталости при конструктивных нагрузках при циклическом нагружении. Как правило, сопротивление циклической усталости зависит от прочности и жесткости сплава при любой данной температуре. Поскольку никель алюминиевые сплавы демонстрируют хорошую работоспособность по этим показателям, они также обеспечивают фундамент для хорошей работоспособности циклической усталости.
И снова, однофазная природа сплава дает преимущество перед многофазными сплавами сопротивлении усталости. Причиной этого является те причины, что и описанные выше при рассмотрении термической усталости. Высокая прочность\ жесткость, гомогенность сплава превосходит такие же значения характеристик многофазных сплавов при любой рабочей температуре.
И далее, при температурах более 1400 оФ никель алюминиевые сплавы могут быть разработаны для того, чтобы быть как более прочными, так и более вязкими, и следовательно, детали также обеспечат более высокое сопротивление усталости по сравнению с известными сплавами.
ПРИМЕНЕНИЕ НИКЕЛЬ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Сталь является одним из наиболее ранних разработанных термопластичных материалов, известных человеку и наболее часто она производится при высоких температурах. В зависимости от типа процесса, температура при которой обрабатывается твердая сталь колеблется от 1200 до 2300 оФ. Следовательно инструмент, конструкции и детали, используемые в процессе должны быть прочными и вязкими с возможностью противостоять статическим и циклическим конструктивным нагрузкам. В добавление, такие детали должны противостоять повторяющимся термоударам, окислению и окалинообразованию, абразивному износу, науглероживанию, и должны быть термодинамически и размерно стабильны. Все эти свойства должны работать во всем диапазоне рабочих температур.
Общеизвестные сплавы применяемые в процессах обработки стали являются комбинацией никеля, хрома и железа. Свойства, достигаемые при использовании этих сплавов, обычно увеличиваются при легировании углеродом, ниобием, вольфрамом, и цирконием и другими элементами. Обычно применяемые жароупорные сплавы для изготовления литых деталей это серия ASTM A-297-67 железо-хромистых и железо-хром-никелевых сплавов.
При анализе и выборе сплавов, которые должны применяться для высоконагруженных частей, необходимо выполнить следующие требования:
- прочность и toughness
- сопротивление окислению
- сопротивление науглероживанию
- сопротивление образованию окалины
- сопротивление абразивному износу
- термодинамическая и размерная стабильность образовавшихся фаз
- сопротивление разрушения от термоциклической усталости
- сопротивление разрушению от нагрузки и циклического нагружения
Типовой процесс обработки стали при изготовлении из нее изделий – следующий6
1. нагревание первичного стального слитка до формообразования другой формы, который может включать нагрева блюмов, слябов, листов, рельс, болванок, колес, осей, проволоки, сорта, труб, штрипсов, и им подобных.
2. Изменение фазового состава, включающего закалку, нормализацию, упрочнение, отпуск, цементацию, азотирование, измельчение зерна, измельчение структурных зон и т.п.
Во многих случаях, требуется физический перенос стальных изделий и полуфабрикатов и изменение их формы. Для этого служат: экструдеры, ролики печей нагрева и подогрева слябов, транспортные ролики, ролики разлома окалины, отводящие ролики, ножницы горячей резки слябов, концевики edders тяжелые ролики рольгангов, slab reducer rolls, crop end shears, finishing rolls, горячие пилы, skelp rolls, пильгерные оправки бесшовных труб и drawing оборудование transfer troughs, матрицы для экструзионного выдавливания,
Только нагрев и подогрев стальных полуфабрикатов, для которых требуются печи включает:
- печи цементации, где требуются печные трубы, ролики и конструктивные элементы
- печи нагрева слябов, требующих ролики и конструктивные элементы
- станы изготовления штрипсов, требующих ролики и конструктивные элементы
- станы прокатки сорта, требующие ролики, направляющие, и конструктивные элементы
- печи термической обработки, требующих роликов, конструктивных элементов, и которые сами могут быть различного подвида (шахтные, муфельные, с донными тележками, конвейерными, туннельными и карманными и проходного непрерывного типа (с подвижным подом, роликовым подом, толкательного типа, конвейерного, с шагающей балкой, туннельного типа, непрерывные, и др.
Исторически используются железо-хромистые и железо-хром никелевые сплавы ASTM A297-67. Однако во многих случаях свойства, которые можно достичь на этих сплавах приводят к значительным разрушениям деталей. В основном они разрушаются на следующих режимах:
- прочность и жесткость становятся все возрастающе недостаточными выше 1500 оФ, которые приводят к потере размеров деталями и гладкости поверхности, что приводит к образованию окалины и шлака, вдавливающегося в поверхность деталей и что резко снижает качество обрабатываемых деталей.
- Сопротивление окислению и образованию окалины, особенно снижается выше 1500 оФ, что приводит к абразивному износу и эрозии и нарастанию слоя окалины.
- Сопротивление науглероживанию становится особенно недостаточным выше 1400 оФ, что ведет к хрупкости частей, быстрому разрушению из-за образования трещин и излому.
- Недостаток термодинамической стабильности сплавов приводит к окислению и окалине, потере размерной точности, и уменьшению срока жизниы деталей до разрушения
- Сопротивление абразивному износу становится особенно выраженным при температурах более 1500 оФ, поскольку прочность падает быстро и степень окисления возрастает откуда можно заметить, что увеличение степени абразивного и эрозионного износа приводит к разрушению и неработоспособности деталей.
СРАВНЕНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ НИКЕЛЬ АЛЮМИНИЕВЫХ И ЖЕЛЕЗР-ХРОМ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ В ПЕЧНЫХ РОЛИКАХ
Как мы видели, никель алюминиевые сплавы обеспечивают более высокие механические и физические свойства в сопоставлении известных литых жароупорных сплавов типа НР (по ASTM глава A297-67) и легированные ниобием, вольфрамом, и или цирконием, для повышения прочности, лучшего сопротивления окислению, и уменьшения окалины.
В качестве примера, сравним печные ролики печей термической обработки изготовленные из никель- алюминиевого сплава и модифицированного сплава НР, при использовании в нормальных рабочих температурах и нормальных рабочих нагрузках, работающих при термической обработке стальных слябов. Эти сравнения проведены по следующим критериям:
- ПРОЧНОСТЬ и ЖЕСКТКОСТЬ Никель алюминиевые сплавы прочнее и жестче чем модифицированные НР сплав от комнатной температуры и до максимальной рабочей температуры 1800 оФ.
Выше 1500 оФ печные ролики изготовленные из никель алюминиевого сплава будут значительно прочнее, чем изготовленные из НР сплава. Если температура в печи возрастает, эта разница в прочности становится еще более значительной. Печной ролик, изготовленный из модифицированного сплава существенно теряет конструктивные параметры, где ролик, изготовленный из никель- алюминиевого сплава - не теряет. В добавление, поскольку никель- алюминиевый сплав значительно прочнее, меньше материала требуется для работы при тех же конструктивных нагрузках при любой рабочей температуре.
- СОПРОТИВЛЕНИЕ ОКИСЛЕНИЮ Сопротивление окислению и образованию окалины печных роликов изготовленных из никель- алюминиевых сплавов равно или больше чем изготовленного из модифицированного сплава НР
Большинство процессов металлургии, в которых могут быть использованы никель, алюминиевые сплавы для высокотемпературного применения зависят от наличия высокого содержания хрома. В свою очередь, детали, изготовленные из этих сплавов, являются стойкими к окислению благодаря формированию оксида хрома Cr2O3 на поверхности детали. В целом говоря, в высокохромистых сплавах пленка оксида хрома адгезивна и когерентна, что обеспечивает защитные свойства. Следовательно, печные ролики из модифицированного сплава НР содержат 24-28% по весу хрома. Однако, при возрастании высокой температуры хром имеет высокое значение давления пара и это приводит к постоянному истощению хрома на поверхности печного ролика и следовательно возрастающую скорость окисления приводя к постоянному и ускоряющемуся ухудшению работоспособности деталей из этих сплавов. Выше 1500 оФ никель алюминиевые сплавы более устойчивы против окисления, чем сплавы, зависящие от хрома, как своего главного ресурса сопротивления окислению.
В добавление, именно при повышенных температуры появляется оксидная пленка, образуемая на поверхности деталей никель алюминиевых сплавов, которая значительно более цепка, чем оксидная пленка, основанная на оксиде хрома.
Если температура процесса превышает 1500 оФ печные ролики из никель алюминиевого сплава не окисляются, не образуют окалины, их структура не ухудшаются и не деградируют как печные ролики, изготовленные из сплава типа НР. С возрастанием температуры, ожидаемый срок жизни печных роликов, изготовленных из никель алюминиевых сплавов значительно возрастает по сравнению с печными роликами, изготовленными из сплава НР. Для печей термообработки стальных слябов, типичная диапазон температура от 1600 до 1800 оФ.
СРАВНЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ (СТАБИЛЬНОСТИ) ФАЗ НИКЕЛЬ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ И МОДИФИЦИРОВАННОГО СПЛАВА НР.
Однофазная природа никель алюминиевого сплава при его производстве – есть ответ касательно его термодинамической стабильности.
Традиционно применяемые сплавы в основном термодинамически не стабильны при многих металлургических переделах. Как было отмечено, многие из сплавов на основе железа имеет в своем составе большое содержание хрома. При повышенных температурах (между 900 и 1500 оФ) и со временем, хром диффундирует сквозь детали и формирует хромо железное интерметаллидное соединение, которое является хрупким. Эта железо хромистая фаза известна как сигма фаза и концентрация в данной части сплава соотносится с относительной концентрацией железа и хрома, рабочей температуры детали, количества времени, которая эта деталь провела между температурами 900 и 1500 оФ.
Например, хотя печной ролик используется в печах термообработки с нормальной рабочей температурой 1600 оФ, на концах печного ролика есть большой объем металла, находящегося в диапазоне температур от 900 до 1500 оФ. Значительный период времени. Также во время остановов и пусков печи, печные ролики снова будут проводить значительный период времени в критическом диапазоне температур. И далее, если образовался интерметаллидный сплав хрома и железа обратная диффузия не происходит с той же скоростью, и покидает места, уязвимые к формированию сигма фазы.
Конструктивная прочность детали зависит от концентрации сигма фазы в любой одной зоне и в целой детали. Сигма фаза охрупчивает детали и устанавливает степень разрушения детали из –за образования трещины.
В добавление, образование сигма фазы связано с образованием карбидов поскольку такие карбиды также охрупчивают деталь. Жароупорные сплавы используют углерод в качестве упрочняющего элемента. Со временем при высокой температуре углерод диффундирует и может концентрироваться в качестве больших скоплений карбидов или коагулянтов, хрупкой вторичной фазы, которая может приводить к охрупчиванию детали и образованию трещины.
Многие из никель алюминиевых сплавов должны содержать хром, но в целом, железо не используется в качестве легирующего элемента, таким образом, сигма фаза хром- железо не может образоваться. В добавление, никель алюминиевый сплав не науглероживается, поскольку для этого должен быть углерод. Следовательно, детали изготовленные из никель алюминиевого сплава не подвержены схемам разрушения, характерным для жароупорных железо хром никелевых сплавов.
СРАВНЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОКАЛИНЫ
В основном, никель алюминиевые сплавы более устойчивы против образования окалины, потерям из зав термического spalling и потери из –за механического абразивного износа связано с адгезией и когерентностью поверхностной пленки, на основе оксида алюминия, которая формируется на поверхности деталей из этих сплавов.
Однажды сформированная такая пленка имеет тенденцию фиксироваться при любой данной температуре. Следовательно, такой сплав не будет добавлять существенно го к изначально образовавшейся защитной пленке и следовательно тенденция образования окалины будет минимизирована.
Используемые сплавы на основе железо-хром и железо хром никель формируют оксид хрома Cr2O3 в качестве основной пленки на поверхности обеспечивающей отличную защиту от образования окалины. Целый класс нержавеющих сталей основан на свойстве стабильности сформировавшейся защитной пленки. Но при возрастании температуры количество этой защиты падает, поскольку хром становится нестабильным и скорость окисление и скорость окалинообразования возрастает когда детали из этих сплавов работают в атмосфере воздуха при температуре выше 1500 оФ. Следовательно, защитная пленка на основе оксида алюминия на поверхности деталей изготовленных из никель алюминиевого сплава превосходят жароупорные сплавы на основе железо-хром и железо- хром никель.
В добавление, существует и другое рассмотрение, которое нужно принять во внимание в связи с наличием окалины на основе оксида железа.
При типичной работе печей и термообработки температурный диапазон от 1500 до 1800 оФ и поскольку зажигается факел горелок в воздухе везде в печи существует агрессивная окислительная атмосфера. Окалина оксида железа образуется на стальных обрабатываемых изделиях которые термообрабатываются также как и на всех деталях печи, находящихся в атмосфере печи. Эта окалина оксида железа аккумулируется по всему объему печи и создает проблемы в монтаже печи и качестве поверхности термообрабатываемых изделий.
Например, в типичной печи термообработки объем окалины оксида железа образуется на поверхности стальных слябов, которые термообрабатываются, также как и на поверхности печных роликов и конструктивных элементах печи. На поверхности роликов из хромистых и никель хромистых сплавов всегда можно обнаружить снижение твердости, мягкие пятна, резкое снижение прочности и поверхность таких роликов становится относительно мягкой. В свою очередь, когда такие печные ролики несут вес стальных слябов, твердая близкая по свойствам к керамике окалина стальных слябов может рифовать и проникать внутрь поверхности печных роликов. Затем, при термообработке последующих стальных слябов поверхность стальных слябов помещена теперь на грубую поверхность печного ролика и поверхность сляба будет вдавливаться и маркироваться. Gouged and marred.Н практике это искажение поверхности слябов создает продукцию низкого качества.
В противоположность хромистым и никель хромистым сплавам для печных роликов никель алюминиевый сплав имеет прочность в 6-10 раз превышающую прочность при нормальных условиях работы печи термообработки. Следовательно, поверхность никель алюминиевого ролика не будет подвергаться снижению твердости и окалина из оксида железа на поверхности ролика не будет «загрунтоваться» в поверхность ролика во время работы. Результатом такого анализа будет то, что ролики никель алюминиевый сплав имеют меньший абразивный износ поверхности и таким образом обеспечивает лучшее качество финишной обработки стальных полуфабрикатов.
СРАВНЕИНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ АБРАЗИВНОМУ ИЗНОСУ
Сопротивление абразивному износу между деталями зависят от типа оксида, который образуется на поверхности, прочность сплава, который поддерживает этот поверхностный оксид, шероховатости поверхности, легирования детали, температуры при которой абразивной воздействие имеет место и природы полуфабриката, который производит абразивное воздействие (его поверхностную шероховатость, тип защитной пленки, химическую активность между полуфабрикатом и другим сплавом также как и количеством и типом сил (относительно статических против динамических ил или циклических (которые возникают между объектами. Эта трибологическая картина очень сложна.
Однако, в целом, необходимо отметить, что количество абразивного износа между двумя металлическими элементами при любой данной температуре можно грубо отнести к зависимости от природы защитной пленки и прочности сплава, остальные факторы остаются одинаковыми.
Хромистые и хромоникелевые сплавы и другие хромосодержащие сплавы, как уже отмечено, теряют защитные свойства пленок при температурах свыше 1500 оФ и прочность этих сплавов значительно снижается. Эти факторы приводят к большому снижению сопротивления абразивному износу.
С другой стороны никель алюминиевые сплавы образуют хорошо сцепляемую, защитную, поверхность с пленкой на основе оксида алюминия и имеют сравнительно более высокую прочность при повышенных температурах свыше 1500 оФ.
Из этого следует, что детали, изготовленные из никель алюминиевого сплава способны противостоять абразивному износу лучше, чем детали из хромистых, хромоникелевых сплавов и других подобных сплавов и сталей. Более определенно, хорошо подготовленная поверхность печных роликов изготовленных из никель алюминиевого сплава будет менее подвержена воздействию абразивного износа при транспортировании слябов чем хорошо подготовленная поверхность железо хромистых и железохромоникелевых сплавов.
СРАВНЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ, МЕХАНИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ и ПОЛЗУЧЕСТИ
В целом, детали, работающие в изготовлении.и производстве горячей твердость стали имеют максимум в температуре при широком спектре нагрузок. Падение в сопротивлении этим изменчивым нагрузкам приводят к существенному ограничению в сроке службы таких деталей.
Способность деталей противостоять нагрузкам, которые ведут к разрушению от усталости зависят от механических свойств применяемого сплава, величины свойств и величины изменения нагрузки. Сопротивление этим силам зависит от нескольких факторов, таких как прочность сплава, прочности сцепления внутри зерен, теплопроводности фаз, коэффициента термического расширения, размера зерен, объема и морфологии вторичных фаз, средней времени нахождения детали при рабочей температуре, экстремумах в действующей температуре, среднему времени действия нагрузки, экстремумах в во времени приложении нагрузки.
Железохромистые, железо хромисто никелевые сплавы и другие часто применяемые сплавы жароупорные имеют боле низкую прочность и жесткость чем никель алюминиевые сплавы по всему диапазону используемых температур. И поскольку мы отметили, что никель алюминид являются однофазным материалом, в то время как другие сплавы являются многофазными по свое природе. Таким образом, в совокупности все эти факторы приводят к тому, что в деталях никель алюминиевые сплавы превосходят другие сплавы по сопротивлению ползучести и у<