Thép hợp kim có chịu nhiệt không? Cấp độ và giới hạn dịch vụ ở nhiệt độ cao

Thép hợp kim có chịu nhiệt không?

Thép hợp kim là thép cacbon được kiểm soát lượng nguyên tố như crom, molypden, niken, vanadi, vonfram, mangan và silicon để thay đổi tính chất. Các chất bổ sung làm thay đổi độ cứng, độ bền và độ dẻo dai, và khi có crom, silicon, nhôm hoặc molypden ở mức cân bằng phù hợp, chúng cũng thay đổi cách thức hoạt động của thép ở nhiệt độ cao. Vì thép hợp kim là một họ chứ không phải một vật liệu nên khả năng chịu nhiệt phụ thuộc hoàn toàn vào cấp độ, nhiệt độ sử dụng và không khí liên quan.

Khả năng chịu nhiệt của thép thực sự là ba đặc tính phối hợp với nhau. Đầu tiên là khả năng chống oxy hóa và đóng cặn: bề mặt phải tiếp tục hình thành một lớp oxit dày đặc, bám dính và giữ nguyên vị trí thay vì bong ra và để lộ kim loại mới. Thứ hai là sự ổn định về cấu trúc: cấu trúc vi mô không được mềm đi hoặc hình cầu và mất đi độ bền khi còn nóng. Thứ ba là độ bền từ biến: vật liệu phải chống lại sự biến dạng chậm, vĩnh viễn dưới tải trọng duy trì ở nhiệt độ. Thép hợp kim được tôi và tôi luyện chẳng hạn như 4140 có thể rất bền ở nhiệt độ phòng nhưng mất phần lớn độ bền đó ở nhiệt độ trên khoảng 300 độ, trong khi loại ống molypden crom-có thể hoạt động đáng tin cậy trong nhiều thập kỷ ở nhiệt độ trên 500 độ.

Điều gì kiểm soát khả năng chịu nhiệt trong thép hợp kim

Các nguyên tố hợp kim thực hiện những công việc cụ thể. Crom là nguyên tố tạo nên khả năng chịu nhiệt của thép trong không khí, vì nó thúc đẩy lớp oxit crom bảo vệ. Molypden và vonfram nâng cao độ bền nóng và khả năng chống rão. Vanadi và niobium tạo thành các cacbua ổn định có khả năng chống lại sự thô, đó là yếu tố duy trì độ bền đứt của dây leo khi tiếp xúc lâu dài. Silicon và nhôm hỗ trợ hình thành lớp oxit. Niken ổn định austenit và duy trì độ dẻo dai ở nhiệt độ. Hàm lượng cacbon-thấp cũng rất quan trọng vì quá nhiều cacbon làm giảm khả năng hàn và làm tăng tính không ổn định của cacbua ở nhiệt độ.

Phạm vi dịch vụ điển hình của dòng thép

Bảng dưới đây tóm tắt các phạm vi kỹ thuật thông thường được trích dẫn trong thực tế công nghiệp cho các dòng chính được sử dụng trong đường ống, ống dẫn và thiết bị chịu áp lực. Các giá trị ứng suất thực tế cho phép luôn được lấy từ mã thiết kế chi phối và thông số kỹ thuật cấp cụ thể.

Nơi sử dụng thép hợp kim chịu nhiệt-

Ống nồi hơi, ống quá nhiệt và ống hâm nóng trong các nhà máy phát điện.

Ống trao đổi nhiệt và ngưng tụ trong các nhà máy lọc dầu, hóa dầu và hóa chất.

Đầu hơi, hâm nóng nóng và đường ống hơi chính, nơi tuổi thọ của dây dẫn chi phối thiết kế.

Các bộ phận của lò, giá đỡ ống bức xạ, bộ thu hồi nhiệt và ống dẫn nhiệt độ cao.

Dụng cụ gia công nóng như khuôn rèn và vật đúc khuôn phải chống lại hiện tượng mềm.

Các thành phần khí thải ô tô và công nghiệp chuyển đổi giữa nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ cao.

Lưu ý về cắt, tạo hình và hàn

Thép hợp kim chịu nhiệt-rất cứng và dễ mài mòn nên việc cắt thường được thực hiện bằng bánh xe cắt-có tính mài mòn, cưa vòng sử dụng lưỡi cacbua hoặc kim loại hai-hoặc mỏ cắt plasma trên các phần dày hơn. Nhiệt cắt quá mức có thể làm cứng mép cắt hoặc tạo ra các vết nứt nhỏ, do đó, các vết cắt phải được thực hiện đều đặn, làm mát nếu có thể và vùng bị ảnh hưởng phải được mài lại trước khi hàn. Việc tạo hình được thực hiện ở nhiệt độ cao hoặc trong điều kiện ủ đối với các loại hợp kim thấp, vì việc tạo hình nguội các phần molypden crom-dày có thể bị nứt.

Hàn tuân theo quy tắc xây dựng quản lý với việc lựa chọn kim loại phụ phù hợp hoặc tương đương, đầu vào nhiệt được kiểm soát và nhiệt độ giữa các lớp được xác minh. Các loại crom-molypden thường cần gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau mối hàn-để tránh các vùng chịu ảnh hưởng nhiệt cứng, nứt-nhạy cảm và các cấp austenit cần lượng cacbon thấp hoặc chất độn ổn định để chống lại sự nhạy cảm. Bất kể cấp độ, nhiệt lượng đầu vào, khả năng bảo vệ chân răng và độ sạch sẽ quyết định liệu mối nối có mang lại tuổi thọ từ biến như thiết kế giả định hay không.

Điểm kiểm tra và những cạm bẫy thường gặp

Đặt hàng hoàn toàn dựa vào từ chịu nhiệt hơn là cấp độ và thông số kỹ thuật cụ thể.

Thay thế loại hợp kim thấp hơn cho dịch vụ quan trọng-với giả định rằng bất kỳ loại thép hợp kim nào cũng được.

Bỏ qua khả năng co giãn và ăn mòn, đây là nguyên nhân thực sự làm giảm tuổi thọ của nhiều bộ phận nóng.

Bỏ qua-xử lý nhiệt sau mối hàn trên các mối nối bằng crom-molypden và để lại các vùng cứng phía sau.

Bỏ qua dữ liệu độ bền kéo và độ rão ở nhiệt độ cao khi nhiệt độ thiết kế vượt quá khoảng 400 độ.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: Thép hợp kim có chịu nhiệt được không?
Một số loại thép hợp kim có khả năng chịu nhiệt, nhưng hầu hết thì không. Thép hợp kim có mục đích chung-được sử dụng cho các công cụ, bánh răng và kết cấu mất độ bền nhanh chóng ở nhiệt độ khoảng 200 đến 300 độ . Các nhóm chịu nhiệt là các loại hợp kim thấp crom-molypden, các loại chịu nhiệt martensitic và ferit và các loại thép không gỉ và chịu nhiệt austenit.

Hỏi: Yếu tố nào làm cho thép chịu nhiệt?
Crom là nguyên tố then chốt cho khả năng chống oxy hóa vì nó tạo thành lớp oxit bảo vệ. Molypden, vanadi và niobium sau đó cung cấp sức mạnh leo. Một loại thép chịu nhiệt cần có sự kết hợp phù hợp chứ không phải một sự bổ sung đơn lẻ.

Hỏi: Thép hợp kim có bị rỉ sét khi ở ngoài trời không?
Đúng. Hầu hết các loại thép hợp kim đều chứa sắt là nguyên tố chính và sẽ bị oxy hóa khi tiếp xúc với độ ẩm và oxy. Chỉ các loại thép chống gỉ như thép không gỉ và thép chịu thời tiết mới được chế tạo để chống ăn mòn trong khí quyển và thậm chí chúng có thể biến màu hoặc ố màu trong điều kiện khắc nghiệt.

Hỏi: Ống thép carbon có thể được sử dụng ở nhiệt độ nào?
Thép cacbon và cacbon-mangan chẳng hạn như ASTM A106 Loại B thường bị giới hạn ở khoảng 425 độ khi sử dụng liên tục do quá trình oxy hóa và đồ họa hóa. Trên mức đó, loại hợp kim thấp chứa crom-thường được chọn.

Hỏi: Thép hợp kim có khó cắt hơn thép cacbon không?
Đúng. Các nguyên tố hợp kim tạo thành cacbua cứng, vì vậy thép hợp kim có tính mài mòn cao hơn và có khả năng chống cắt và mài tốt hơn. Sử dụng dụng cụ mài mòn hoặc cacbua, giữ tốc độ vừa phải và kiểm soát nhiệt sinh ra khi cắt.

Hỏi: Thép chịu nhiệt và thép không gỉ khác nhau như thế nào?
Chúng chồng lên nhau nhưng không giống nhau. Thép chịu nhiệt được chọn chủ yếu để chống oxy hóa và chống rão ở nhiệt độ, trong khi thép không gỉ được chọn chủ yếu để chống ăn mòn ở nhiệt độ môi trường hoặc nhiệt độ vừa phải. Các loại không gỉ Austenitic như TP316H phục vụ cả hai vai trò.