Болты из нержавеющей стали ржавеют, когда теплообменник работает при нормальной температуре 1000°F (около 283°C)! Почему так? Оказывается, при более высоких температурах термический цикл превращает часть нержавеющей стали в ненержавеющую. Поэтому вы должны быть осторожны в выборе материалов для крепежа, чтобы избежать несчастных случаев.
Общие сведения о нержавеющей стали :
По определению, нержавеющая сталь должна содержать не менее 10,5% хрома, но авторы считают, что это содержание все еще мало. Чтобы нержавеющая сталь не ржавела при комнатной температуре, содержание хрома в матрице нержавеющей стали должно составлять около 12%.
Вопреки распространенному мнению, нержавеющая сталь не всегда будет нержавеющей. При термоциклировании содержание хрома в некоторых видах нержавеющей стали снижается до такого уровня, что они начинают ржаветь. Однако существует множество видов нержавеющей стали, поэтому для конкретного применения обычно можно выбрать один из них.
Нержавеющая сталь серии 300
Нержавеющая сталь серии 300, также известная как сталь 18-8, является наиболее часто используемым материалом для изготовления крепежа, фитингов, труб и трубопроводов. Нержавеющая сталь типа 304 является наиболее распространенным материалом для крепежа из нержавеющей стали. Сталь 18-8 - это номинальное содержание хрома и никеля в нержавеющей стали серии 300. Эти материалы имеют хорошую коррозионную стойкость на поверхности, но 304 нержавеющая сталь будет нагреваться выше 850 ° F (около 199 ° C), в связи с ролью осаждения углерода. В результате содержание хрома уменьшается. Под воздействием высокой температуры хром и углерод соединяются, образуя карбид хрома, а карбид хрома не устойчив к ржавчине. Проблема может быть решена путем использования нержавеющей стали 304L, которая содержит 1/3 углерода от нержавеющей стали типа 304. Нержавеющая сталь 321 или нержавеющая сталь 347 могут устранить образование карбида хрома. Нержавеющая сталь 321 и нержавеющая сталь 347 содержат титан и ниобий соответственно, которые очень стабильны в природе. Поскольку сродство титана и ниобия к углероду больше, чем хрома, они образуют карбид титана и карбид ниобия соответственно с углеродом при высоких температурах, тем самым сохраняя хром. Нержавеющая сталь серии 300 для болтов в ASTMAl93 - это нержавеющая сталь 304, 321 и 347.
Поскольку прочность нержавеющей стали серии 300 повышается только при холодной штамповке, термический цикл снижает прочность крепежа до отожженного состояния, когда температура достигает 1000°F (приблизительно 283°C). Если падение прочности неприемлемо, то стабильные материалы 321 или 347 также неудовлетворительны. Поэтому необходимо рассмотреть другие материалы.
Нержавеющая сталь серии 400
Нержавеющая сталь серии 400 имеет более низкое содержание хрома, чем нержавеющая сталь серии 300, но не имеет проблем с осаждением углерода, как сталь серии 300, и может подвергаться термической обработке и использоваться в рабочих средах с температурой до 1200°F (приблизительно 393°C). Но поскольку содержание хрома составляет всего 12%-14%, в серьезной химической атмосфере будет использоваться в среде коррозии, а 300 серия содержит 16%-20% хрома, не будет корродировать. Нержавеющая сталь серии 300 и нержавеющая сталь серии 400 по прочности одинаковы. Нержавеющая сталь серии 300 является немагнитной, а нержавеющая сталь серии 400 - магнитной. Согласно стандарту ASTMF593, нержавеющая сталь серии 400 в сериях 410, 416 и 430 предназначена для крепежа.
Материалы на основе никеля, такие как серия lnconel (поставляется компанией lnconel International) или серия Haynes (поставляется компанией Haynes International), отлично подходят для применения при высоких температурах. Большинство этих легированных сталей содержат не менее 16% хрома и используются для защиты от коррозии. Они также могут подвергаться термической обработке. Обладая высокой прочностью при высоких температурах, легированная сталь 718, конечно, является, вероятно, наиболее используемым материалом для крепежа и является стандартным мелкозубым крепежом в космических кораблях. Существует также Monel (около 65% никеля и 33% меди), который также используется для крепежа, но имеет очень низкую прочность. Компания haynes international назвала свой материал Haslelloy или HaynesXX. Inconel и Haynes предлагают одни и те же материалы для крепежа, такие как 718 и X-750.
Нержавеющая сталь A-286
Это одна из наиболее широко используемых нержавеющих сталей в аэрокосмической промышленности. Это нержавеющая сталь на основе железа, содержащая 15% хрома и поддающаяся термической обработке и холодной закалке. Прочность на разрыв составляет 140-180ksi без холодной закалки и может достигать 220ksi при термической обработке и холодной закалке, но удлинение слишком мало для усталостной нагрузки. Почти все поставщики крепежа для аэрокосмической промышленности могут поставлять крепеж A-286.
MP35N и MPl59
Материалы MP35N и MPl59 от SPS Technologies являются очень хорошими материалами для применения в высокотемпературных и коррозионных средах и содержат 19% хрома. Эти материалы считаются дорогими даже в аэрокосмической промышленности, а Waspalloy - еще один материал этой группы для очень высоких температур. Эти материалы используются только тогда, когда нет альтернативы, а они и дороги, и труднодоступны.
Резюме
В 1000 °F (283 ° C) рабочей среде использование 304 нержавеющей стали не является разумным, такие как снижение прочности материала близко к отожженному состоянию приемлемо, можно выбрать стабильные материалы, такие как 321 или 347 нержавеющей стали: такие как высокие требования к прочности, и экологическая коррозия не очень серьезная, можно использовать 400 серии нержавеющей стали должны быть в состоянии удовлетворить требования. Если нержавеющая сталь серий 300 и 400 не может решить проблему, можно использовать A-286. Инконель, Haynes, MP35N и MPl59 - очень хорошие материалы, но их стоимость высока. И их нелегко достать. Общее правило проектирования гласит: используйте дорогие материалы только тогда, когда это необходимо для получения удовлетворительных характеристик конструкции.