Жаропрочные стали: марки по ГОСТ 5632-2014, классы, температуры и выбор

Жаропрочность, жаростойкость и коррозионная стойкость

Слова «жаропрочная сталь» в быту покрывают три разных свойства. ГОСТ 5632-2014 разводит их в определениях (пп. 3.4–3.6) и в трёх таблицах приложения А.

Ползучесть — медленный рост деформации детали под постоянной нагрузкой при нагреве. Длительная прочность — напряжение, при котором металл не разрушается заданное число часов при заданной температуре. Окалина — слой оксидов на поверхности: хром образует плотную оксидную плёнку, и она замедляет дальнейшее окисление (ISSF).

Три таблицы приложения А

Таблица А.1 — назначение коррозионно-стойких марок, А.2 — жаростойких, А.3 — жаропрочных. Одна марка может стоять в нескольких таблицах, и рекомендуемая температура у неё будет разной. Пример — 12Х18Н10Т: как жаростойкая сталь для слабонагруженных деталей она работает до 800 °C (А.2), как жаропрочная — до 600 °C при сроке службы значительно больше 10 000 часов (А.3). Все температуры стандарт даёт ориентировочно.

Срок службы в таблице А.3 условный: кратковременный — до 100 часов, ограниченный — от 100 до 1000, длительный — от 1000 до 10 000, весьма длительный — значительно больше 10 000. В таблице 1 стандарта у каждой марки стоят отметки по трём свойствам: коррозионно-стойкая, жаростойкая, жаропрочная.

Почему нержавейка 304 жаростойкая, но не жаропрочная

08Х18Н10 (AISI 304) стоит в таблицах А.1 и А.2: длительно — до 800 °C, интенсивное окалинообразование — с 850 °C. В таблице жаропрочных её нет. Причина в карбидах: в интервале 425–860 °C хром связывается углеродом по границам зёрен (сенсибилизация) и сталь теряет стойкость к межкристаллитной коррозии. Atlas Steels допускает 304 в воздухе до 870 °C периодически и до 925 °C постоянно, но не рекомендует длительную работу в диапазоне 425–860 °C, если металл потом должен работать во влажной среде. Для нагруженных деталей при 500–800 °C берут 304H с углеродом 0,04–0,10 %. У 12Х18Н10Т эту проблему решает титан — как именно, описано в статье о межкристаллитной коррозии.

Классы по структуре: аустенитные, ферритные, мартенситные

ГОСТ 5632-2014 (п. 5.1) делит нержавеющие стали на шесть классов по структуре: мартенситный, мартенсито-ферритный, ферритный, аустенито-мартенситный, аустенито-ферритный и аустенитный. Деление условное. Сплавы на железоникелевой и никелевой основе стандарт выделяет отдельно. Для жаростойких и жаропрочных марок важны три класса; как они различаются в целом — в статье о видах нержавеющей стали.

Аустенитные — основа жаростойких и жаропрочных

Аустенит сохраняет структуру при нагреве. Outokumpu группирует аустенитные жаростойкие марки по стойкости к науглероживанию и азотированию и более высокой прочности при ползучести. Подробно о классе — в статье об аустенитной стали.

• Тип 18-10: 08Х18Н10 и 12Х18Н10Т. Хром 17–19 %, никель 9–11 %; в 12Х18Н10Т — титан 5C–0,80 %. Жаростойкость — до 800 °C. В серосодержащих средах, по ГОСТ, неустойчивы.
• С 22–25 % хрома: 20Х23Н13, 10Х23Н18, 20Х23Н18. Никеля 12–15 % у 20Х23Н13 и 17–20 % у двух других; углерода до 0,20 % у 20Х23Н13 и 20Х23Н18 и до 0,10 % у 10Х23Н18. Длительно — до 1000 °C. Близкие по назначению AISI 309S и 310S. В таблице 1 стандарта 20Х23Н13 стоит в 5-й группе (аустенито-ферритный класс), а 10Х23Н18 и 20Х23Н18 — в аустенитной. Детали по этим маркам — в статье о жаропрочной нержавейке 310S, 309S.
• С кремнием: 20Х25Н20С2, 36Х18Н25С2, 08Х20Н14С2, 20Х20Н14С2. Кремния 2–3 %. ГОСТ отмечает устойчивость в науглероживающих средах у 08Х20Н14С2, 20Х20Н14С2 и 36Х18Н25С2. У 20Х25Н20С2 длительная температура 1050 °C, окалина с 1100 °C; у 36Х18Н25С2 — 1000 и 1100 °C; у 08Х20Н14С2 и 20Х20Н14С2 окалина начинается при 1000–1050 °C.
• Сложнолегированные: 08Х15Н24В4ТР, 45Х14Н14В2М, 12Х25Н16Г7АР. Вольфрам, титан и молибден упрочняют сталь при нагреве. 08Х15Н24В4ТР (никель 22–25 %, вольфрам 4–5 %, титан 1,4–1,8 %) — лопатки, крепёж и диски газовых турбин до 700 °C. 45Х14Н14В2М (углерод 0,40–0,50 %, вольфрам 2,0–2,8 %) — клапаны двигателей и детали трубопроводов до 650 °C. В 12Х25Н16Г7АР — 5–7 % марганца и 0,30–0,45 % азота; стандарт рекомендует её вместо никелевых сплавов ХН75МБТЮ и ХН78Т для листовых и сортовых деталей при умеренных напряжениях.

Ферритные — для окалины и сернистых газов

Ферритные стали не содержат никеля. Окалина начинается: у 12Х17 и 08Х17Т — при 900 °C, у 10Х13СЮ — при 950 °C, у 15Х18СЮ и 15Х25Т — при 1050 °C, у 15Х28 — при 1100–1150 °C. В 10Х13СЮ и 15Х18СЮ есть алюминий и кремний; ГОСТ отмечает их устойчивость в серосодержащих средах. У ферритных малое тепловое расширение, поэтому при циклическом нагреве окалина отслаивается меньше, чем у аустенитов (ISSF). Стандарт рекомендует ферритные марки в первую очередь как жаростойкие: в таблице жаропрочных из них стоит только 08Х13 (650 °C, ограниченный срок). Для 15Х25Т ГОСТ не рекомендует работу в интервале 400–700 °C. Подробности о классе — в статье о ферритной стали.

Мартенситные — клапаны, турбинные лопатки, крепёж

40Х9С2 и 40Х10С2М (углерод 0,35–0,45 %, кремний 1,9–3,0 %, хром 8–10,5 %) — клапанные стали: клапаны выпуска двигателей, трубы рекуператоров, колосники. Окалина начинается при 850 °C, как жаропрочные они работают до 650 °C. Хрома в 40Х9С2 меньше обычного порога 10,5 %: стандарт допускает для ограниченного числа нержавеющих марок минимум 7,5 % (примечание к п. 3.1). 12Х13 и 20Х13 — лопатки паровых турбин, клапаны, болты — рекомендованы до 550 и 500 °C; у 15Х12ВНМФ (ЭИ802) — до 780 °C. О мартенситных сталях в целом — в статье 20Х13, 30Х13, 40Х13.

Марки и температуры по ГОСТ 5632-2014

Таблица А.2 — рекомендуемая температура длительной работы (до 10 000 часов) и температура начала интенсивного окалинообразования на воздухе. Прочерк означает, что стандарт значение не даёт.

Аналоги приблизительные: составы не совпадают полностью. У 20Х23Н18 углерода допускается до 0,20 % против 0,08 % у 310S, поэтому по углероду к 310S ближе 10Х23Н18. Для 15Х25Т и 15Х28 указаны близкие по назначению жаростойкие марки EN 10095. Прочерк в графе «Аналог» — точного соответствия в проверенных источниках нет. Таблицу соответствия в целом смотрите в статье об аналогах марок нержавейки.

Таблица А.3 — жаропрочные марки: температура применения, условный срок службы и температура начала интенсивного окалинообразования.

Сравните два столбца: 12Х18Н10Т в таблице А.2 — 800 °C, в А.3 — 600 °C; 20Х23Н18 в обеих таблицах — 1000 °C, но в А.3 срок ограничен 10 000 часами. При выборе марки для нагруженной детали смотрите А.3, для печной арматуры и экранов — А.2. Сводка по ходовым маркам 309S и 310S, включая дымоход, — в статье о жаропрочной нержавейке.

Ползучесть и длительная прочность: что гарантирует стандарт

Температура окалинообразования говорит только об окислении. Для нагруженной детали важнее длительная прочность. ГОСТ 5949-2018 на сортовой прокат её по умолчанию не контролирует. Испытание на длительную прочность (опция М2) стандарт предусматривает для 10Х11Н20Т3Р, 10Х11Н23Т3МР, 12Х25Н16Г7АР, 40Х15Н7Г7Ф2МС и 45Х14Н14В2М; для остальных марок оно по согласованию (опция М3). Механические свойства при повышенных температурах — опция М1. Практические значения приведены в справочном приложении Б: к требованиям при поставке оно не относится, а допустимое снижение значений длительной прочности — 20 %.

Прочность падает с температурой быстро. У 12Х18Н10Т при 650 °C она в 1,5–1,9 раза ниже, чем при 600 °C. У 45Х14Н14В2М при 700 °C длительная прочность за 10 000 часов в 8 раз ниже, чем при 600 °C. Поэтому рабочую температуру металла закладывают с запасом, а расчётное напряжение берут из данных на конкретную марку и состояние поставки.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе

ГОСТ 5632-2014 включает не только стали. Сплав на железоникелевой основе — сумма никеля и железа более 65 % при отношении никеля к железу примерно 1 : 1,5; сплав на никелевой основе — никеля не менее 50 % (пп. 3.2–3.3). В таблице — ходовые жаростойкие и жаропрочные сплавы.

ГОСТ 5949-2018 охватывает стали и сплавы на железоникелевой основе; сплавов на никелевой основе в нём нет. Для этих сплавов вид проката и стандарт на него согласуют в заказе. Сернистые газы никелевые сплавы переносят хуже: Outokumpu отмечает, что стали с малым никелем стойки к высокотемпературной коррозии от серы лучше, чем с большим.

Как выбрать жаропрочную сталь

Выбор идёт по трём вводным: температура металла, среда и нагрузка. Температуры в таблице — ориентир: ГОСТ даёт их ориентировочно.

Для нагруженных деталей Atlas Steels называет маркой выбора 310H, а не 310S: у 310S углерода меньше, и прочность при нагреве ниже; 310H применяют, как правило, от 800–900 °C. Outokumpu отмечает слабую склонность к охрупчиванию при длительной работе у 309S в интервале 600–850 °C, у 310S — 600–900 °C, а у 314 (1.4841) — сильную, в интервале 600–950 °C.

Рабочие температуры на фоне температуры плавления — в статье температура плавления нержавейки.

Сварка и охрупчивание жаропрочных сталей

Аустенитные

• Подогрев. Аустенитным сталям он, как правило, не нужен: превращений, как у мартенсита, в шве нет, а подогрев может усилить выпадение карбидов и коробление (Nickel Institute).
• 12Х18Н10Т (321). Титан плохо переходит через сварочную дугу, поэтому для 321 стандартная присадка — 347 с ниобием (Atlas Steels). Как универсальную присадку 347 не берут: она склонна к трещинам (Nickel Institute).
• 309S и 310S. Для 310S Atlas Steels рекомендует присадку 310. Шов типа 310 полностью аустенитный, феррита в нём получить нельзя — отсюда чувствительность к горячим трещинам (Lippold; Nickel Institute). Такие швы осторожно применяют в жёстко закреплённых соединениях и на основном металле с повышенными серой, фосфором и кремнием.
• σ-фаза. У 20Х23Н13, 20Х23Н18 и 20Х25Н20С2 в интервале 600–800 °C при длительной работе возможно охрупчивание (ГОСТ 5632-2014). Atlas Steels называет для 310 интервал 650–900 °C, Outokumpu для 310S — 600–900 °C. Пластичность возвращает нагрев до 1040–1150 °C с быстрым охлаждением; Atlas Steels рекомендует его после каждых 1000 часов работы выше 650 °C. Сварка металла, прошедшего эту выдержку, затруднена.

Ферритные

• Хрупкость 475 °C. При долгой работе в интервале 400–540 °C стали с хромом от 15 % охрупчиваются. Свойства возвращает нагрев до 600 °C с быстрым охлаждением (ISSF).
• σ-фаза. При 550–800 °C образуется в сталях с высоким хромом, устраняется нагревом выше 800 °C с быстрым охлаждением (ISSF).
• Рост зерна в шве. Сварку ведут с минимальным тепловложением. Подогрев 150–230 °C применяют для толстых сечений — от 6 мм (1/4 дюйма); для тонких стабилизированных он нежелателен (Nickel Institute).

Мартенситные

У сталей с углеродом 0,20–0,50 % (40Х9С2, 40Х10С2М) Nickel Institute рекомендует подогрев около 260 °C и термообработку после сварки. Подробнее — в статье о мартенситных сталях и в разборе сварки нержавейки полуавтоматом.

Где применяют жаропрочные и жаростойкие стали

• Печи. Муфели, реторты, детали печной арматуры — 08Х18Н10 и 12Х18Н10Т; печные конвейеры и ящики для цементации — 20Х20Н14С2 и 36Х18Н25С2; корзины и оснастка для термообработки — 310S (Atlas Steels, Outokumpu).
• Котлы и энергетика. Подвески и опоры в котлах — 20Х25Н20С2; трубы пароперегревателей — 09Х14Н19В2БР до 700 °C; лопатки паровых турбин — 12Х13, 20Х13, 15Х11МФ.
• Газопроводы и дымоходы. Газопроводы и камеры сгорания — 20Х23Н18, детали газопроводных систем из тонких листов — 12Х25Н16Г7АР (ГОСТ). Для бытового дымохода решает кислотный конденсат, а не температура — см. статью о жаропрочной нержавейке.
• Теплообменники и рекуператоры. Трубы рекуператоров — 40Х9С2; теплообменники — 12Х17, 08Х17Т, 15Х25Т.
• Выхлопные системы. Патрубки и коллекторы — 12Х18Н10Т. Outokumpu называет для выхлопных коллекторов 253 MA.
• Горелки и камеры сгорания. Камеры сгорания — 20Х23Н18; электроды искровых свечей — 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 15Х25Т; сопла горелок у Outokumpu — ферритные 1.4724 и 1.4742.
• Термопары. Чехлы термопар — 15Х25Т; пирометрические трубки — 20Х23Н13.
• Клапаны двигателей. 40Х9С2, 40Х10С2М, 30Х13Н7С2, 45Х22Н4М3, 55Х20Г9АН4, 45Х14Н14В2М.
• Нефтехимия. Трубы и детали установок пиролиза и конверсии метана — 20Х23Н13, 20Х23Н18, 20Х25Н20С2, 15Х25Т, 15Х28.

Сортамент и стандарты

Химический состав жаропрочных сталей во всех случаях — по ГОСТ 5632-2014. Технические условия на прокат задают отдельные стандарты, и перечни марок в них разные.

ГОСТ 9941-81 заменён ГОСТ 9941-2022 (с 1 августа 2023 года); 20Х23Н18 и 20Х23Н13 нет и в нём. Документ на трубу из 20Х23Н18 уточняйте при заказе.

Наш каталог

Для жаропрочных сталей на сайте есть страницы марок 310S, 309S и 321 — по ним поставляем прокат под заказ:

• AISI 310S (20Х23Н18): круг, лист, труба, рулон, проволока.
• AISI 309S (20Х23Н13): круг, лист, труба.
• AISI 321 (12Х18Н10Т): круг, лист, труба.

В заявке укажите марку, вид проката, размер, стандарт, рабочую температуру и среду. Если 310S заменяет 20Х23Н18 или наоборот, оговорите углерод: у 310S он до 0,08 %, у 20Х23Н18 — до 0,20 %.