Шамотный лист для камина. Жаропрочность и жаропрочные материалы

Ряд деталей печей, находящихся в рабочем пространстве, т. е. в зоне высоких температур, испытывает большие механические нагрузки. Это подовые плиты, тигли, муфели, различные экраны, загрузочно-разгрузочные устройства, транспортирую­щие устройства, крепления нагревателей и т. д.

К материалам, из которых изготовляются эти детали, предъявля­ются определенные требования:

1. Достаточная жаростойкость (окалиностойкость). Под жаростой­костью понимается способность материалов сопротивляться коррозион­ному воздействию газов при высоких температурах;

2. Достаточная жаропрочность. Жаропрочность характеризуется сопротивлением ползучести, определяющейся пределом ползучести , т. е. тем напряжением, которое вызывает заданную деформацию за срок службы детали при рабочей температуре, и длительной прочностью, определяющейся пределом длительной прочности , т. е. напряже­нием, при котором в результате ползучести материал разрушается за определенное время при данной температуре;

3. Достаточная технологичность. Материал должен волочиться,кататься, свариваться, подвергаться механической обработке;

4. Достаточная дешевизна и недефицитность. В зависимости от свойств стали и сплавы, применяемые в печестроении, подразделяют на следующие группы:

1. Коррозионностойкие (нержавеющие), к которым относятся стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой, морской и др.);

2. Окалиностойкие (жаростойкие), к которым относятся стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения по­верхности в газовых средах при температурах выше 550°С, работаю­щие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии;

3. Жаропрочные, к которым относятся стали и сплавы, работаю­щие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной окалиностойкостью.

Самыми распространенными в электропечестроении являютсяхро-моникелевые стали и сплавы. Эти металлы имеют высокие жаростой­кость и жаропрочность, хорошо обрабатываются.

До 800°С целесообразно применять стали с содержанием хрома около 18 %, а никеля 9 – 10 %. Это стали 08Х18Н10, 12Х18Н9, 17Х18Н9 и 12Х18Н9Т, которые отличаются друг от друга содержанием углерода, а также титана.

Для 1000 - 1100°С применяются стали 20Х23Н18, 20Х25Н20С2. На эти же температуры имеются литейные стали 40Х24Н12СЛ и 20Х25Н19С2Л.

Для 1100 - 1200°С применяются высоколегированные сплавы ХН77ТЮ, ХН60Ю, ХН70Ю и Х28Н48В5Л.

Теплопроводность хромоникелевых сталей и сплавов ниже, чем хромистых и углеродистых сталей: она, так же как теплоемкость, за­висит от температуры.

Эти стали и сплавы хорошо свариваются и обрабатываются.Они нашли широкое применение при изготовлении деталей печей, работаю­щих при высоких температурах и механических нагрузках. Недостатком их в сравнении с хромистыми сталями является большой температурный коэффициент линейного расширения, т. е. склонность к короблению, а также значительно большая стоимость.

Наряду с жаропрочными сталями и сплавами некоторое примене­ние нашли более дешевые жаропрочные чугуны с содержанием хрома до 10 %, никеля - до 20 % и кремния 2 – 3 %.. Эти чугуны могут работать до 800°С, не коробясь. Увеличение в составе чугуна хрома до 25 -30 % дает возможность работать до 1000°С в ненагруженном со стоянии.

Кроме того, имеются хромоалюминиевые чугуны, которые можно, например, использовать при изготовлении подовых плит, работающих до 900°С.

Для увеличения жаростойкости сталей используется их алитирование, т. е. насыщение поверхности алюминием, что позволяет применять простые и малолегированные стали при достаточно высоких температурах в деталях, имеющих малые нагрузки.

В высокотемпературных печах с окислительной атмосферой при 1000 - 1350°С применяются карборундовые детали. Карборунд имеет достаточную теплопроводность, близкую к теплопроводности стали, но значительно меньшую прочность. Из карборунда изготовляют на пример, подовые плиты, направляющие толкательных печей.

В высокотемпературных вакуумных печах и в печах с контролируе­мыми атмосферами для изготовления жаропрочных деталей применя­ются графит, молибден, вольфрам. Из этих материалов делают экраны, различные крепежные детали.

К атегория:

Черные металлы

Жаропрочность и жаропрочные материалы

Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться при высоких температурах деформации и разрушению от воздействия рабочих напряжений.

Жаропрочные сплавы способны длительное время сопротивляться ползучести и разрушению. Ползучесть металлов объясняется в настоящее время как суммарный результат многих видов деформации, являющейся следствием относительного перемещения атомов.

Академик А. А. Бочвар указывает на возможность свести любой тип пластической деформации к процессам диффузии, определяемым температурой.

Если температуры низки, то под действием напряжений преобладающее значение приобретают виды деформации с ограниченным развитием диффузионных процессов, т. е. деформации сдвига или двойникования, проходящие по зерну.

По мере повышения температуры преимущественное развитие приобретают виды деформации, связанные с диффузией, особенно легко протекающей в зонах, расположенных по границам зерен.

Поскольку пластической деформации и разрушению способствуют диффузионные процессы, удовлетворительное решение проблемы жаропрочного сплава связано с подавлением (замедлением) в нем диффузии. Ослабление диффузионных процессов ведет к торможению фазовых превращений, стабилизации микроструктуры и, следовательно, к обеспечению наиболее длительного сохранения механических свойств при воздействии высоких температур и напряжений.

При компоновке жаропрочного сплава полезно соблюдать ряд условий:
1. В качестве основы сплава выбирать металл с высокой прочностью межатомной связи и с высокой температурой рекристаллизации.
2. Путем рационального легирования увеличивать прочность межатомной связи и поднимать температуру рекристаллизации сплава.
3. Соблюдая необходимые режимы обработки, придавать сплаву структуру, в наибольшей степени препятствующую протеканию диффузии и способствующую росту сопротивления пластической деформации и разрушению.

О прочности межатомной связи в металле можно косвенно судить по температуре его плавления, так как с ростом межатомного сцепленйя обычно увеличивается и температура плавления. Температура рекристаллизации также связана прямой зависимостью с температурой плавления. Поэтому в качестве основы для жаропрочных сплавов следует выбирать наиболее тугоплавкие металлы.

Лучшие жаропрочные сплавы на железной, никелевой и кобальтовой основе способны удовлетворительно работать до 100 °С. С большими ограничениями их можно использовать до 1000 °С. Если оценить предельную рабочую температуру современных жаропрочных сплавов, то окажется, что она равна примерно 60-75% абсолютной температуры плавления. Возможный рост рабочей температуры ограничивается для этих сплавов несколькими десятками градусов ввиду все большего приближения к температуре плавления и все более значительной потери прочности.

В переводе на шкалу Цельсия такие металлы, как никель, кобальт и железо, имеют близкие температуры начала рекристаллизации, лежащие в пределах 420-450 °С. В то же время современные жаропрочные сплавы на основе названных металлов имеют порог рекристаллизации около 1000 °С. Таков эффект легирования, замедляющего диффузионные процессы и тормозящего процесс рекристаллизации. Замедление разупрочнения при высоких температурах, вызываемое легированием, должно обезопасить сплав от чрезмерной ползучести и разрушения. Между тем процесс ползучести и характер разрушения зависят от температуры и условий нагружения. Разрушение, как известно, может носить межкристаллитный и внутрикристаллитный характер. Разрушение металлических материалов при низких температурах и больших скоростях деформации обычно протекает по зерну, а при высоких температурах и малых скоростях деформации - по границе зерна. Это указывает на необходимость упрочнения границ и пограничных зон. При этом задача правильного легирования состоит в том, чтобы упрочнить и тело зерна и его границы, придав им равнопрочность в условиях длительного нагружения при высоких температурах. Теория и практика легирования говорят о том, что возможности для этого имеются.

Различные элементы по-разному легируют тело зерна и пограничные его области. Так, например, вольфрам в никелевых сплавах располагается главным образом внутри зерна, а молибден - по его границе. Поэтому способом воздействия на границы зерен является легирование сплавов примесями (молибден, ниобий, цирконий и др.), способными обогащать пограничные области и границы зерна и упрочнять их. Имеются также поверх-ностноактивные легирующие примеси (например, бор и др.), располагающиеся в пограничных областях зерна и чрезвычайно эффективно влияющие на упрочнение сплава.

Причиной малой высокотемпературной прочности часто является загрязнение сплава легкоплавкими примесями, склонными скапливаться в пограничных слоях и на границах зерен (кислород, сера, фосфор, водород, сурьма, олово, свинец и др.). Такие поверхностноактивные примеси, как бор, способны, сами скапливаясь в пограничных сЛоях и на границах зерна, препятствовать скоплению в этих местах вредных примесей. Введение малых («гомеопатических») добавок бора поэтому производит весьма эффективное действие на повышение жаропрочности.

Для легирования жаропрочных сплавов на железной, никелевой и кобальтовой основах могут быть использованы: углерод, кремний, марганец, никель, кобальт, хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан, алюминий, азот, бор и некоторые другие элементы. При легировании наилучший эффект повышения жаропрочности достигается введением значительного числа компонентов.

Такое легирование дает усложнение и искажение пространственной решетки и затрудняет протекание диффузионных процессов в твердом растворе.

Легирование создает лишь благоприятную предпосылку для получения жаропрочного сплава. Желаемый эффект упрочнения достигается в результате обработки и получения структуры, в наибольшей мере ограничивающей развитие диффузии и обеспечивающей высокие показатели жаропрочности за счет создания большого количества дислокаций и благоприятного их распределения.

Жаропрочные сплавы имеют структуру, основу которой составляет насыщенный твердый раствор аустенитного типа. Твердые растворы ферритного типа обладают по сравнению с аустенитными худшими показателями жаропрочности (рис. 144). Основа твердого раствора выбирается по характеру и размеру атомов, типу и размеру пространственной решетки. Большинство легирующих элементов, имеющих атомы, близкие по размеру к атомам основы, образуют с нею аустенитный твердый раствор по типу замещения. Легирующие элементы, имеющие атомы малого размера (С, N, В), дают растворы внедрения.

Помимо атомной структуры свойства сплава зависят также от его микроструктуры.

Однако наиболее важным является влияние так называемых упрочняющих фаз, образуемых при взаимодействии легирующих элементов с основой сплава и между собой. Упрочняющее влияние этих фаз зависит от характера взаимодействия их с твердым раствором, от числа фаз, степени их раздробления и характера залегания по зерну или по границе зерна твердого раствора. Независимо от числа и многообразия упрочняющих фаз часто их объединяют общим наименованием «вторая фаза».

Рис. 1. Сравнение предела ползучести жаропрочных сталей на аусте-нитной (а) и ферритной (б) основе

Наконец, весьма существенным является характер строения границ зерен и пограничных участков. Прочность границ определится бездефектностью строения их, а также наличием упрочняющих фаз.

Для твердого раствора, являющегося основой сплава, упрочняющими фазами служат химические соединения типа карбидов или интерметаллидов, либо твердые растворы с пространственной кристаллической решеткой, отличной от решетки основного твердого раствора.

Для аустенитных жаропрочных сталей важнейшими упрочняющими фазами являются карбиды хрома Сг23С6, Сг7Сз, двойные карбиды типа Fe2Mo2C, Fe2W2C, смешанные карбиды Fe2(W, Мо)2С и др.

Роль упрочняющих фаз в аустенитных сталях могут играть также интерметаллидные фазы: вольфрамиды, молибдениды, ниобиды и т. д.

При нагреве под закалку все названные фазы полностью переходят в твердый раствор. При старении все они выпадают из раствора в большей или меньшей степени в зависимости от температуры и длительности старения.

Никелевые сплавы упрочняются либо интерметаллидными соединениями в чистом виде, либо в сочетании их с карбидными фазами. Примером интерметаллидной упрочняющей фазы в никелевых сплавах может служить так называемая а – фаза, представляющая собой упорядоченный твердый раствор с гранецен-трированной кристаллической решеткой примерного состава (Ni, Сг)з (Al, Ti). Решетка а’-фазы когерентно связана с основным твердым раствором, из которого выделяется в процессе старения при термической обработке. Фаза является упрочнителем главным образом для деформируемых никелевых сплавов. Она играет упрочняющую роль и в литых сплавах, однако последние одновременно упрочняются и карбидными фазами в виде простых и двойных карбидов.

Сплавы на кобальтовой основе упрочняются главным образом карбидными фазами.

Для придания деформируемым сплавам наивысших показателей жаропрочности необходимо применять термическую обработку, состоящую из закалки и старения.’

В литых сплавах упрочнение удается получить в процессе самой отливки.

Упрочняющие фазы в жаропрочных сплавах трудно растворимы и требуют высоких температур нагрева и длительных выдержек. Вместе с тем очень высокая температура закалки вызывает значительное укрупнение зерна (рис. 2).

Рис. 2. Микроструктура сплава ЭИ437А: а - в состоянии поставки; б - закалка 1050°; в - закалка 1080°.

Для получения оптимальной структуры при закалке никелевые сплавы нагреваются на 1070-1090°, аустенитные стали на 1100-1300° в зависимости от состава и назначения. Выдержка может достигать нескольких часов в зависимости от типа сплава, назначения изделия, способа нагрева и т. д. Охлаждающие среды также выбираются различные: вода, масло или воздух.

Старение закаленных сплавов проводится при температурах, близких к рабочим. В большом числе случаев жаропрочные сплавы выдерживаются для старения при температуре 700-800° в течение 6-16 часов.

Легирующие примеси по их числу и по процентному содержанию в сплаве подбираются с таким расчетом, чтобы в процессе нагрева получить предельно насыщенный многокомпонентный твердый раствор.

После закалки такой твердый раствор окажется пересыщенным и неустойчивым, вследствие чего будет стремиться выделить растворенные упрочняющие фазы. При старении процесс распада протекает в такой степени, что упрочняющие фазы успевают выделиться по телу зерна и по его границам в виде огромного числа тончайших кристаллических образований субмикроскопического размера. Обладая собственной кристаллической решеткой, фазы-упрочнители в указанном состоянии еще не обособляются от основной решетки твердого раствора и находятся с ней в когерентной связи.

Наличие когерентной связи говорит о сильных искажениях в пространственных решетках твердого раствора и выделяющихся фаз, затрудняющих пластическую деформацию при высоких температурах и повышающих жаропрочность. Искаженная пространственная решетка зерна и его границ затрудняет диффузию, способствует длительному сохранению микроструктуры сплава и удлиняет сроки сохранения им стабильной жаропрочности.

Длительное старение при повышенной температуре может привести к выделению видимых в микроскоп частиц второй фазы, что обычно свидетельствует о значительном разупрочнении сплава. На рис. 146 приведены микрофотографии аустенитной жаропрочной стали, подвергнутой длительному старению при относительно высокой температуре 800 °С. Выделившиеся при этом частицы второй фазы не видны при увеличении 100 И хорошо различимы при увеличении 1000.

Упрочнение в литых сплавах связано с самой природой последних. Дендритная ликвация, присущая твердому раствору литого сплава при кристаллизации, приводит к выделению упрочняющих фаз в междендритных зонах уже в процессе охлаждения отливки. При этом частицы упрочняющих фаз, располагаясь по границам зерен, образуют в пространстве конструкцию скелетного типа, пронизывающую всю поликристальную массу твердого раствора. Эта пространственная конструкция принимает на себя нагрузки и, обладая высокой прочностью и стабильностью при высоких температурах, сообщает литому сплаву хорошую жаропрочность. Литые сплавы при высоком пределе длительной прочности обладают обычно малой пластичностью. Гомогенизирующая термическая обработка способна улучшить пластичность литых сплавов.

Рис. 3. Микроструктура хромоникелевой аустенитной стали для дисков турбин после длительного старения при 800°.

Никакой другой обработке (закалка и старение) литые сплавы обычно не подвергаются.

Физические свойства жаропрочных сталей и сплавов характеризуются плотностью, коэффициентом линейного расширения, теплопроводностью и др.

Плотностьf аустенитных сталей колеблется в пределах 7,8- 8,1 г/см3. Плотность аустенитных никелевых сплавов 8,2- 8,5 г/см3, кобальтовых сплавов 9,0-9,2 г1см3.

Теплопроводность аустенитных сплавов очень мала. Если у А1 коэффициент теплопроводности Х = 0,40 кал/см-сек-град, то у аустенитных сталей ^ = 0,06, а у никелевых сплавов Х = = 0,04 кал/см- сек -град, т. е. в 10 раз хуже, чем у алюминия.

Все аустенитные сплавы практически немагнитны.

Режущие стали и твердые сплавы

Для обработки резанием жаропрочных сталей и сплавов применяются инструменты из быстрорежущих сталей и твердых режущих сплавов.

Классическая быстрорежущая сталь Р18 содержит 18% W; 4,5% Сг; 1,2% V и 0,75% С. Хром в этой стали находится в твердом растворе, a W и V образуют карбиды Fe2W2C и VC.

Для придания быстрорежущей стали способности резать при температуре режущей кромки около 600°, т. е. при красном цвете каления («красностойкость»), режущий инструмент должен пройти высокотемпературную закалку при 1280-1300° с последующим многократным отпуском при 560-590°.

Твердые режущие сплавы (металлокрамичеекие материалы) получаются из карбидов металлов, спекаемых керамическим методом при добавлении металлического кобальта в качестве связки. Применяется две группы этих материалов: ВК6 и ВК8, состоящие из WC и Со (6 или 8%); ВК5Т15 и ВК8Т21, включающие WC, TiC и Со (5 или 8%).

При изготовлении их очень тонкие порошки карбидов W и Ti и порошок кобальта смешивают и прессуют, затем нагревают при 900-1000 °С. После этого сплав представляет собой спекшуюся массу, способную обрабатываться резанием. Второе спекание проводят при 1400 °С, после чего инструмент приобретает свою окончательную твердость, равную примерно 75-90 единицам по шкале RC.

Тугоплавкие металлы и сплавы

Наряду с аустенитными сталями и никелевыми сплавами в настоящее время в качестве жаропрочных материалов получают распространение тугоплавкие металлы.

Для получения жаропрочности, превышающей жаропрочность стандартных никелевых сплавов, нельзя не обратить внимание на такие тугоплавкие металлы, как ниобий, молибден, тантал, рений и вольфрам.

Молибден весьма перспективен в качестве основы для новых жаропрочных сплавов.

Однако в настоящее время его широкому внедрению препятствует малая жаростойкость.

Рений пока очень дефицитен и дорог. Вольфрам привлекает внимание своей исключительно высокой температурой плавления, но он также мало жаростоек. Мо и W имеют малую жаростойкость ввиду летучести их окислов.

Ниобий в качестве нового жаропрочного и жаростойкого материала весьма перспективен. Он обладает малой плотностью, высокой температурой плавления и рекристаллизации и устойчивыми длительной прочностью и сопротивлением ползучести. Жаростойкость ниобия может быть увеличена легированием. Молибден и вольфрам защищаются либо поверхностной химико-термической обработкой, либо плакированием высокожаростойкими сплавами. При химико-термической обработке в результате диффузионного насыщения кремнием происходит образование Дисилицида молибдена и вольфрама, отличающихся высокими защитными свойствами. Однако наружный защитный слой очень хрупок и легко может быть поврежден, в результате чего нарушается его защищающая способность.

Вольфрам, обладая по сравнению с молибденом более высокой жаропрочностью, проигрывает по удельной жаропрочности вследствие примерно вдвое большего удельного веса.

Для повышения жаропрочности молибдена и его сплавов применяется легирование, которое значительно повышает температуру рекристаллизации и измельчает зерно.

Рис. 4. Зависимость скорости окисления от температуры

Длительная прочность молибденовых сплавов является значительно более высокой, чем у наилучших серийных сплавов на никелевой основе.

Сопротивление термической усталости при циклических нагревах и охлаждениях молибдена и его сплавов удовлетворительное, что объясняется малыми температурными деформациями вследствие небольшого коэффициента линейного расширения и хорошей теплопроводности при высоких характеристиках прочности. Высокую жаропрочность молибден и его сплавы имеют только в вакууме или при хорошей защите от окисления. Окислы молибдена Мо02 и Мо03 неспособны защищать металл от окисления, так как процесс протекает с превращением Мо02 в МоОз и улетучиванием последнего. Уже при 800° Мо03, едва успев образоваться, полностью улетучивается. При температуре около 1000° скорость окисления молибдена составляет около 1 мм/час, что примерно в 3000 раз превышает скорость окисления нержавеющей хромоникелевой стали.

Защита дисилицидом MoSi2 позволяет молибдену выдерживать нагрев до 1400° в окислительной атмосфере в течение сотен часов.

При изыскании новых жаростойких и жаропрочных материалов внимание исследователей направлено не только в сторону тугоплавких металлов. В последнее время все большее внимание обращается на неметаллические материалы в чистом виде (керамику) или с добавлением металлов (керметы).

Неметаллические материалы (керамика) включают окислы, карбиды, бориды, нитриды, силициды. Они имеют малую плотность, достаточную прочность, в особенности на сжатие, высокие жаропрочность и жаростойкость.

Так, например, А1203, ВеО и Zr02 имеют температуры плав-пения соответственно 2050, 2570 и 2700 °С, не реагируют с горячими агрессивными газами и обладают высокой прочностью на сжатие. Плотность их составляет соответственно 3,9; 3,02; 549 г/см3. Однако эти материалы имеют малую прочность при растяжении, плохую теплопроводность и высокую чувствительность к термическому удару, абсолютную хрупкость и чувствительность к концентрации напряжений.

Карбиды тугоплавких металлов обладают высокими температурами плавления, высокой прочностью, имеют лучшую, чем окислы, теплопроводность и большую стойкость против термического удара. Однако они мало жаростойки и склонны окисляться при температурах порядка 800° (карбиды вольфрама и молибдена) и 1000° (карбиды тантала и карбиды кремния).

Бориды способны противостоять окислению вплоть до 1300°, силициды до 1100°, a MoSi2 даже до 1700°. Однако высокая хрупкость присуща и этим материалам.

Керметами называются материалы, в которых металлическая составляющая обычно располагается между неметаллическими частицами, занимающими основной объем.

Хорошо изучены керметы на базе TiC с добавкой Со или Ni. TiC обладает малой плотностью, малым коэффициентом линейного расширения и хорошей теплопроводностью, но недостаточной жаростойкостью (до 800°). Добавление карбидов Та и Nb позволяет получить более плотную и крепко сцепляющуюся с поверхностью окисную пленку. Сплав 80% TiC с 20% Со при наличии этих добавок уменьшает глубину окисления за 100 час с 0,75 до 0,025 мм.

Значительное внимание уделяется керметам на базе тугоплавких окислов с добавлением Fe или Сг. Железные керметы удовлетворительно работают до 1000°, керметы Сг-А1203 работают вполне удовлетворительно при температуре 1500° в течение 1000 час.

Оптимальную жаропрочность имеют сплавы 70-80% А1203 и 30-20% Сг.

Один из них, содержащий 72% Сг и 28% А1203, имеет плотность 6 г/см3, температуру плавления 1850 °С, средний коэффициент линейного расширения в интервале температур от 0 до 1000° а = 8,4 10“6 1 /°С, теплопроводность 0,022 кал/см сек °С, кратковременную прочность при изгибе при 1400 °С 10,5 кГ/мм2.

Предельная температура нагрева этого материала на воздухе Равна 1200 °С.

Недостатком керметов являются: малая пластичность и ударная вязкость, иногда малая сопротивляемость термическому удару.

В промышленности используются керметы на основе карбида титана, содержащие добавки хрома для повышения жаростойкости и пригодные для изготовления лопаток турбины с рабочей температурой до 1000°С и материалы из глинозема и хрома, имеющие рабочие температуры до 1200°С и применяемые для чехлов термопар и для тиглей.

Керметы и жароупорные материалы (графит и керамика) могут применяться для фрикционного нагружения, так как металлическая фаза керметов теплопроводна, а керамическая хорошо сопротивляется износу. Для регулирования силы трения целесообразна добавка графита.

Керметы применяются для защиты металлических материалов от окисления. При этом алюминиевые сплавы, защищенные кер-метами, стойки против окисления при температурах до 650°С, малолегированные стали до 875 °С, нержавеющие стали до 1050 °С, высоколегированные и жаропрочные материалы - при температуре свыше 1100°С. Толщина покрытий равна 0,0125- 0,025 мм, а вес их менее 100 г на 1 м2.

Высокой жаростойкостью отличается материал боразон, получаемый из обычного нитрида бора BN путем нагрева до 1700° и воздействия высокого давления 70000 атм. Он обладает твердостью, сравнимой с твердостью алмаза.

Материал БС1, содержащий 80% TiB2 и 20% СгВ2 имеет плотность 4,5 г/см3, предел длительной прочности при изгибе за 100 часов при 1200 °С 20 кГ/мм2, модуль упругости при растяжении 32800 кГ/мм2. Он рекомендуется для сопловых лопаток газовых турбин, работающих при температуре до 1200 °С 6 течение 100 час. Кратковременно (в течение 5 мин) сплав может выдер-живйть температуру до 3000 °С.

Многие владельцы загородных домов и дач задумываются над вопросом утепления собственного жилища. Независимо от режима эксплуатации строения, хорошо утепленный дом по всем параметрам превосходит не утепленные постройки. Во время зимних холодов в таком доме хорошо сохраняется тепло, а в летнюю жару комфортная прохлада.

Чтобы добиться оптимальных результатов, важно понимать, что работы по утеплению некоторых элементов жилища имеют свои особенности. Одним из главных элементов в конструкции любого строения является пожаробезопасный утеплитель, который необходим не только для утепления дымоходов, но также потолочных перекрытий, полов и стен.

Промышленностью выпускается большое количество изоляционных материалов, у которых разные параметры и цена. Поэтому, очень важно найти самое практичное и оптимальное решение.

Главные параметры утеплителей

Теплопроводность

При выборе утеплителя основное внимание обращается на его самый главный параметр – теплопроводность , которая совсем не зависит от плотности материала, как многие ошибочно считают. Утеплители одинаковой плотности, но изготовленные по разным технологиям могут иметь разную проводимость тепла.

Чем меньше коэффициент теплопроводности, тем эффективнее и лучше держит тепло в доме выбранный утеплительный материал.

Водопоглащение

Еще одна очень важная характеристика утеплительного материала – способность впитывать влагу. Водяной пар всегда присутствует в воздухе. Он при определенной ситуации может превратиться в конденсат внутри утеплителя, значительно снижая его тепловые свойства.

В этом случае, обязательно предусматривается пароизоляция. Актуальным становится этот вопрос, если проводится и утепление лоджии.

Огнестойкость

Утеплитель, как и вся конструкция дома, особенного деревянного, должны также обладать противопожарным свойством. Особенно это важно для утепления печных труб, каминов и других элементов дома, которые непосредственно подвергаются сильному нагреванию или непосредственному контакту с огнем.

Виды противопожарных утеплителей

Минеральная вата

• вспененного полиэтилена с фольгой, который представляет собой тонкий рулон многослойного материала. Для удобного и надежного крепления к поверхности содержит клеевой слой. Эффективно применяется для проведения утепления крыш, стен, полов, систем вентиляции, а также для изоляции холодильного оборудования, воздуховодов и труб;

• минеральной ваты с фольгой. Применяется для всех видов утепления. Считается полностью экологически чистым материалом. Поставляется рулонами (матами), плитами и цилиндрами.

Идеально подходит для проведения теплоизоляции саун, крыш и печных дымоходов. Для изоляции дымоходов применяется в виде цилиндра с минеральной ватой;

• фольгированного пенополистирола. В основном применяется для теплых водяных полов, выполняя роль барьера для тепла, поступающего от встроенных нагревательных элементов. Данный жаропрочный утеплитель сохраняет свои параметры в широком диапазоне температур: от -180°С до +180°С и является очень прочным теплоизолятором.

Структурно он представляет собой однородный жесткий материал, содержащий герметичные замкнутые ячейки с воздухом. Утеплитель устойчивый к деформациям сжатия и не впитывает влагу, даже в случае прямого контакта с водой. Абсолютно не усваивается микроорганизмами, поэтому не является питательной средой для бактерий и грибков.

Идеально используется для несущих нагрузку поверхностей, плоских кровель, цокольных стен, полов, расположенных на грунте. Благодаря своей универсальности он очень востребован на строительном рынке;

• базальтового фольгированного теплоизоляционного материала, который применяется в самых разных отраслях промышленности, в том числе теплоэнергетике и жилищном строительстве. Материал негорючий. Способен выдержать температуру от -200°С до + 700°С. Характеризуется повышенной устойчивостью к агрессивной среде.

Монтаж утеплительного материала

Благодаря простоте и удобству в монтаже, утеплитель легко можно установить своими руками. Поможет вам в этом короткая инструкция:

• Сначала следует выбрать необходимый теплоизоляционный материал. Для этого нужно тщательно изучить все плюсы и минусы материалов, которые представлены на строительном рынке;

Обратите внимание! Коэффициент теплопроводимости у фольгированного пенополистирола самый низкий по сравнению со всеми другими утеплителями такого же класса.

• Далее рассчитываете, отмеряете и подготавливаете необходимые размеры тепломатериала;
• Монтаж осуществляется отражающей поверхностью (фольгой) внутрь помещения. Только при такой установке гарантируется отражение и сохранность тепла;

• Материал обязательно крепить встык, а не внахлест. Такой способ позволяет существенно снизить расход материала и уменьшить финансовые затраты;
• Зафиксировать утеплитель на фольге можно строительным степлером или мелкими гвоздями. На некотором материале есть клеевой слой, который также упрощает его закрепление;
• Желательно между отделкой и самим утеплителем оставлять зазор не меньше чем 12 мм. Этот зазор будет выполнять функцию дополнительной теплозащиты;

Совет! Поскольку стекловолокно минеральной ваты производиться из неорганических составляющих, оно не способствует образованию грибков и плесени.

• На последнем этапе монтажа видимые стыки предлагается проклеить фольгированной (специальной алюминиевой) лентой.

Развитие авиационной и ракетной техники, космонавтики и ядерной энергетики предъявляет все наиболее высокие требования к свойствам материалов, способных выдерживать повышенные эксплуатационные нагрузки при высоких температурах (до 300 °С и выше).

К таким материалам относятся:

• тугоплавкие металлы;
• спеченные сплавы тугоплавких металлов;
• дисперсно-упрочненные материалы;
• волокнистые композиционные материалы.

Тугоплавкие металлы

К тугоплавким металлам относятся цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден, вольфрам, рений. Наибольшее применение в качестве высокотемпературных конструкционных материалов нашли вольфрам, молибден, тантал, ниобий. В последнее время все шире применяются хром, ванадий и рений, которые хотя и менее тугоплавки, но благодаря своим специфическим свойствам начинают играть большую роль в производстве жаропрочных материалов.

Технология получения тугоплавких металлов включает получение порошков, формование заготовок и дальнейшая обработка.

Так, изделия из спеченного вольфрама изготовляют из порошка, полученного восстановлением водородом вольфрамового ангидрида или карбонильным методом. Порошки прессуют в стальных пресс-формах. Для улучшения прессуемости к порошку добавляют смазывающие и склеивающие вещества. Процесс спекания изделий проводят в две стадии. Первую стадию осуществляют в водороде при сравнительно для вольфрама, невысоких температурах (1100 –1300 °С). Вторую стадию спекания проводят при
температурах 2900 –3000 °С, которая создается пропусканием электрического тока через изделие, упрочненное предварительным спеканием. Эту стадию спекания, получившую название «сварка», осуществляют в водороде в специальных печах, которые называют сварочными аппаратами. Режим спекания в этом случае обычно контролируют не измерением температуры, а величиной пропускаемого тока. Крупногабаритные заготовки спекают в индукционных печах при температурах 2400 –2500 °С.
Аналогичная технология изготовления изделий из порошка молибдена. Порошок, полученный восстановлением молибдена водородом прессуют, как правило, со смазкой. Предварительное спекание проводят в водороде при 1100 –1200 °С. Затем изделия подвергаются сварке при силе тока, составляющей 90% от силы тока переплавки, что соответствует 2200 –2400 °С.

Спекание крупных заготовок можно проводить в вакуумной методической печи с графитовыми нагревателями, позволяющей обеспечить одновременно предварительное и окончательное спекание при температурах 1900 –1950 °С.

При изготовлении танталовых изделий исходный порошок, полученный натриетермическим восстановлением или электролизом, прессуют в заготовки. Перед прессованием в порошок тантала вводят раствор глицерина в спирте или какую-нибудь другую жидкую связку, которая при спекании удаляется полностью. Спекание заготовок проводят в вакууме. Заготовки предварительно спекают при 1000 –1200 °С. Спеченные заготовки охлаждают вместе с печью. Сварку проводят в вакууме, подбирая режим таким образом, чтобы обеспечить полное разложение и испарение примесей. При температуре сварки 2600 –2700 °С делают выдержку до полного удаления всех газов.

Заготовки после сварки охлаждают в вакууме и проковывают. Затем проводят вторичное спекание (отжиг) в вакуумном сварочном аппарате. В результате такой обработки получается беспористая заготовка с плотной структурой.

Аналогично рассмотренному получают спеченный ниобий и рений.

Изделия из порошков циркония и ванадия изготавливают по схожим технологиям. Порошки прессуют в пресс-формах и заготовки спекают в вакууме. Циркониевые заготовки спекают при 1200 – 1300 °С, а ванадиевые – при 1400 –1700 °С.

Спеченные сплавы тугоплавких металлов

Спеченные сплавы тугоплавких металлов обладают более высоким комплексом механических свойств при повышенных температурах чем чистые тугоплавкие металлы. Повышение этих свойств достигается легированием.

Структура большинства жаропрочных сплавов на основе тугоплавких металлов представляет собой гетерогенные сплавы, основой которых является твердый раствор. Упрочение при легировании объясняется тем, что в результате взаимодействия растворенных атомов с дислокациями происходит закрепление или блокирование дислокаций. В многих сплавах на основе тугоплавких металлов, содержащих повышенное количество примесей внедрения, образуются избыточные фазы типа карбидов, нитридов и других соединений, которые также способствуют упрочению сплавов.

Повышение свойств сплавов тугоплавких металлов достигается также применением термической обработки, заключающейся в закалке с высоких температур с последующим старением при температурах, близких к рабочим. В этом случае карбиды, нитриды и другие химические соединения, образуемые металлами (титан, цирконий, тантал, ниобий ) с элементами внедрения, выполняют роль фаз - упрочнителей.

Известны порошковые вольфрамоникелевые сплавы, применяемые для изготовления ракетных сопел, а также ванадиевые сплавы, используемые для изготовления деталей, работающих при температурах до 1250 °С. Свойства сплавов приведены в таблице 1.

Состав	Твердость	Предел прочности, МПа при температуре, °С
		20	1100	1200
V+20%Nb+5%Ti+0,5%C	3400	–	235	140
V+20%Nb+5%Ti+0,5%C+0,1%B	4800	760	280	225
V+20%Nb+3%Ti+0,5%C+0,1%B	3900	–	363	179
V+10%Nb+7%Ti+10%Ta+5%Mo+0,5%C	3400	670	405	–

Высокотемпературная прочность спеченных ванадиевых сплавов не уступает прочности литых аналогичного состава, а в некоторых случаях и превосходит их.

Дисперсно-упрочненные материалы

Дисперсноупрочненные материалы представляют собой композиционные спеченные материалы, содержащие искусственно вводимые в них высокодисперсные, равномерно распределенные частицы фаз, не взаимодействующих с матрицей и не растворяющихся в ней до температуры ее плавления.

Наиболее эффективное упрочение обеспечивается при содержании упрочняющей фазы в количестве 3 – 15%, размере ее частиц до 1мкм и среднем расстоянии между ними 0,1 –0,5 мкм.

Дисперсноупроченные материалы сохраняют микрогетерогенное строение и дислокационную структуру, а следовательно, и работоспособность до 0,9–0,95 T пл матрицы. Высокая работоспособность дисперсноупроченных материалов при повышенных температурах объясняется тем, что при наличии в матрице второй фазы скольжение дислокаций в зернах металла становится возможным при больших напряжениях, границы зерен блокируются, а рост зерен затормаживается практически до температуры плавления матрицы.
При создании дисперноупроченных материалов выбирают фазу–упрочнитель и способ введения ее в матрицу.

Фаза–упрочнитель должна иметь высокую термодинамическую прочность, малую величину скорости диффузии компонентов фазы в матрицу, высокую чистоту и большую суммарную поверхность частиц. К упрочняющим фазам с такими свойствами относятся оксиды некоторых металлов (чаще всего Al 2 O 3 , SiO 2 , ThO 2 , ZrO 2 , Cr 2 O 3), карбиды, нитриды и другие соединения.

Способ введения частиц фазы–упрочнителя в матрицу влияет на структуру дисперсно-упрочненного материала, которая может быть дисперсной или агрегатной. Способами введения фазы–упрочнителя и получения смеси является:

• механическое смешивание порошков оксидов металла и упрочняющей фазы с последующим восстановлением оксидов основного металла;
• механическое смешивание порошков металла матрицы и упрочняющей фазы;
• поверхностным окислением порошка основного металла;
• химическое смешивание, предусматривающее совместное осаждение солей и их последующее восстановление с образованием металла и сохранением фазы–упрочнителя;
• внутренним окислением или азотированием порошков.

Первые три метода приводят к образованию агрегатной структуры, а последние два – к дисперсной.

В настоящее время разработаны и применяется целый ряд дисперсно-упрочненных материалов. В различных отраслях техники успешно используются:

• алюминиевые,
• вольфрамовые,
• молибденовые,
• железные,
• медные,
• кобальтовые,
• хромовые,
• никелевые,
• бериллиевые,
• платиновые сплавы.

Дисперсно-упрочненные алюминиевые сплавы

В алюминиевых сплавах в качестве упрочняющей фазы используется оксид алюминия Al 2 O 3 , легко образующийся в результате высокой склонности алюминия к поверхностному окислению и позволяющий получать равномерное распределение его в матрице. Содержание упрочняющей фазы (Al 2 O 3) обычно находится в пределах 4 – 14%.
Длительная прочность дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов, называемых сплавами САП (спеченные алюминиевый порошок), при повышенных температурах превосходит прочность всех деформируемых алюминиевых сплавов. Все сплавы хорошо обрабатываются, их можно сваривать и паять.

Алюминиевые сплавы применяются в авиационной технике (обшивка гондол силовых установок в зоне выхлопа, жалюзи).

Вольфрамовые сплавы упрочняют обычно оксидами тория (ThO 2) в количестве 0,75–2,0%. Для повышения прочности и пластичности при низких температурах вводят рений в количестве 3–5%.

Дисперсно-упрочненные вольфрамовые сплавы

Дисперсно-упрочненные вольфрамовые сплавы широко используют в ракетно–космической технике.
Молибденовые сплавы упрочняют карбидами, нитридами, оксидами. Карбидное упрочнение дает возможность получить сплавы с высоким пределом прочности при температуре 1400 °С. При температурах выше 1500–1600 °С эти сплавы сильно разупрочняются из-за рекристаллизации.

Упрочнение сплава оксидом тория (ThO 2) дает высокий эффект даже в рекристализованном состоянии, а легированние вольфрамом и упрочнение карбидом тантала (TaС) дает возможность получения сплава с высокими механическими свойствами при температурах 1600–2000 °С.

Дисперсно-упрочненные молибденовые сплавы

Дисперсно-упрочненные молибденовые сплавы применяются в авиационной технике. Упрочненные железные сплавы получают введением в железо около 6% Al 2 O 3 . Это обеспечивает хорошие прочностные характеристики сплавов при температурах 650–950 °С. Более высокие свойства имеют дисперсноупрочненные стали. Так, хромоалюминиевая сталь, упрочненная Al 2 O 3 , и сложнолегированная, упрочненная TiO 2 , имеют характеристики при температуре 650 °С почти вдвое выше, чем упрочненные железные сплавы.

Дисперсно-упрочненные стали

Дисперсно-упрочненные стали превосходят литые по длительной прочности. Кроме того, в них снижается эффект охрупчивания под действием облучения. Поэтому они используются в реакторостроении, даже если они не имеют преимуществ перед стандартными материалами по прочности.

Дисперсно-упрочненные медные сплавы

Медные упрочненные сплавы получают путем введения оксидов алюминия, бериллия и тория. Для сохранения электропроводности и пластичности содержание оксидов недолжно превышать 1,5–2,0%.

Дисперсно-упрочненная медь обладает высоким сопротивлением ползучести и высокой жаропрочностью, что позволяет использовать ее для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (детали теплообменников, электровакуумных приборов). Медь, содержащая включения тугоплавких соединений, применяется для изготовления электродов точечной и роликовой сварки.

Дисперсно-упрочненные кобальтовые сплавы

При получении кобальтовых сплавов в качестве упрочняющей фазы применяют в основном оксид тория (ThO 2) с содержанием последнего 2–4%. Так, временное сопротивление кобальтовых сплавов с 2% ThO 2 составляет 1020 МПа при 25 °С и 140 МПа при 1090 °С.

Для повышения пластичности сплавы кобальта легируют никелем, а для повышения окалиностойкости – хромом.
Никелевые сплавы получают путем упрочнения никеля оксидами тория (ThO 2) или гафния (HfO 2). Содержание упрочняющей фазы составляет 2–3%.

Дисперсно-упрочненные никелевые сплавы

Дисперсно-упрочненные сплавы никеля очень технологичны. Их можно ковать, штамповать, вытягивать в широком интервале температур. Они обладают хорошей жаростойкостью и используются для изготовления деталей газовых турбин.

Дисперсно-упрочненные хромовые сплавы

При получении дисперсно-упрочненных хромовых сплавов следует иметь ввиду, что хром при комнатной температуре имеет повышенную хрупкость, и температура перехода в пластичное состояние зависит от количества и формы примесей внедрения и размера зерна. Измельчение зерна при введении дисперсной фазы положительно влияет на технологические свойства хрома.

В качестве упрочняющей фазы могут использоваться оксиды тория (ThO 2) и оксиды магния (MgO).
Положительно влияют на жаропрочность дисперсно-упрочненного хрома добавки марганца, молибдена, тантала, ниобия.

Дисперсно-упрочненные бериллиевые сплавы

Дисперсно-упрочненные бериллиевые сплавы получают путем введения оксида бериллия (BeO), используя склонность к поверхностному окислению промышленных бериллиевых порошков.

Высокое сопротивление ползучести достигается при упрочнении сплавов карбидом бериллия (Be 2 C). При содержании 2,5% Be2C величина 100σ возрастает в 3 раза при 650°С по сравнению с чистым бериллием.
Дисперсно-упрочненные бериллиевые сплавы обладают высокой прочностью, высоким модулем упругости и большим коэффициентом рассеивания нейтронов.

Дисперсно-упрочненные платиновые сплавы

Платиновые сплавы хорошо работают при высоких температурах в окислительной среде. Упрочнение их осуществляется оксидами (ThO 2) или карбидами (TiС), содержание которых для сохранения пластичности должно быть минимальным.

Дисперсно-упрочненные платиновые сплавы используются для изготовления нагревателей, термопар и термометров сопротивления.

Волокнистые композиционные материалы

Волокнистые композиционные материалы состоят из матрицы, которая содержит упрочняющие элементы в форме волокон (проволоки) или нитевидных кристаллов.

В волокнистых материалах матрица скрепляет волокна в единый монолит, защищая их от повреждений. Она является средой, передающей нагрузку на волокна, а в случае разрушения отдельных волокон перераспределяет напряжения.

Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных волокон в пластичной матрице. Объемная доля волокон может колебаться от 15 до 25%. Поверхности раздела в волокнистых композиционных материалах рассматриваются как самостоятельный элемент структуры в которой происходят процессы растворения, образования и роста новых фаз. Здесь формируется связь между упрочняющим волокном и матрицей. От совершенства такой связи зависит уровень свойств волокнистых композиционных материалов.

В качестве методов получения композиционных материалов используются горячее прессование, пропитку жидким металлом, электроосаждение, экструдирование и прокатку, сварку взрывом, эвтектическую кристаллизацию.

В настоящее время наиболее широко применяются волокнистые композиционные материалы на основе алюминия, магния, титана и никеля.

На основе алюминия можно получить волокнистые композиции алюминий-сталь, алюминий-молибден, алюминий-карбид кремния, алюминий-углерод и другие.

Композиционный материал алюминий-сталь получают сваркой взрывом или горячим прессованием. Упрочняющим материалом является высокопрочная стальная проволока.

Разработана технология получения композиционных материалов на основе алюминия, легированного магнием и кремнием, армированного нитевидными кристаллами.

Технология получения композиции алюминий-углерод состоит в пропитке волокон углерода жидким металлом. Для обеспечения смачивания и ограничения взаимодействия между матрицей и волокном используют покрытия из борида титана, никеля, меди, тантала и других соединений. Покрытые волокна протягивают через расплав. Композиционные материалы, полученные пропиткой волокон углерода, покрытые боридом титана имеют σ В =1120 МПа.

Композиционные материалы на магниевой основе получают методами горячего прессования или диффузионной сварки, непрерывного литья, пропитки жидким металлом, плазменного напыления с последующим прессованием, методом сварки взрывом.

Для армирования магния применяют высокопрочную стальную и титановую проволоку, волокна бора и углерода, нитевидные кристаллы карбида кремния.

Магниевые сплавы как матрицы композиционных материалов практически не реагируют с основными классами армирующих волокон, что позволяет применять для получения композиционных материалов жидкофазные технологии и является большим преимуществом этих сплавов.

Материал магний–бор (Mg–B), полученный методом непрерывного литья, заключающегося в пропускании армирующих волокон бора через ванну расплавленного магния и последующего формирования заготовки путем прохода пучка покрытых волокон через кристаллизатор-фильеру, имеет σ В =963 МПа при объемной доли волокон 0,30 и σ В =1330 МПа при объемной доли 0,75.

Титановые композиционные материалы изготавливаются при довольно высоких температурах (800–1000 °С). Наиболее распространенными упрочнителями для титановой матрицы являются волокна бора, молибдена, бериллия, карбида кремния, оксида алюминия.

Композиционный материал Ti–B, полученный методом диффузионной сварки при температуре 800–880 °С имеет σ В =900 МПа при объемной доли волокон 0,36.

Никелевые композиции изготавливают методами обработки давлением, пропитки раствором и порошковой металлургии.

В качестве матрицы чаще всего служат жаростойкие никелевые сплавы типа ХН60В и ХН77ТЮР, а упрочнителей – вольфрамовые волокна. Наиболее распространенным методом изготовления никелевых композиционных материалов является горячая прокатка.