Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

Жаростойкость (окалиностойкость) — это способность металла сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах. Жаростойкими считаются стали, сплавы, работающие в ненагруженном или слабонагружснном состоянии при температурах выше 550 °C.

Сопротивление окислению при высоких температурах определяется наличием на поверхности сплава защитной окисной пленки. Окисная пленка является защитной, если она плотная и препятствует диффузионному проникновению ионов кислорода в металл, имеет хорошее сцепление с основой и не отделяется от поверхности металла при механическом воздействии. Так же покрывает всю поверхность, что возможно при условии большего объема образовавшейся пленки в сравнении с объемом металла, пошедшего на ее образование. Названными свойствами обладают окисные пленки, образующиеся у хрома (Сг₂Оз), алюминия (А1₂Оз), кремния (Si0₂). При окислении легированных сталей возникают двойные окислы типа шпинелей FeCr₂04, FeAl₂C>4, NiCr₂0₄ и др., которые повышают жаростойкость сплавов в результате замедленной диффузии металлов и кислорода через решетку шпинели.

Технически чистое железо способно работать в воздушной среде при температурах не более 560 °C. Высокохромистые стали 08X13, 12Х17Т, 15Х25Т, 15X28 (см. параграф 8.9) имеют более высокую жаростойкость, так температура окисления у стали 12Х17Т составляет 900 °C, а у стали 15X28 она достигает 1250 °C.

Еще более высокие показатели окалиностойкости показывают стали, легированные хромом и алюминием (хромали), хромом и кремнием (сильхромы), хромом, алюминием и кремнием (сильхромали).

Хромали Х13Ю4, 05X23105, 05Х27Ю5 содержат от 3,5 до 5% алюминия, имеют температуру окисления от 1200 до 1300 °C.

В отожженном состоянии (?_отж = 720-^780°С) хромали обладают невысокой прочностью, от 580 МПа у стали X13104 до 820 МПа у стали 05Х23Ю5, при этом пластичность составляет 23 и 16% соответственно. Хромоалюминиевые стали применяют в виде ленты и проволоки, используемых для нагревательных элементов бытовых приборов, печей, реостатов и окалиностойких труб.

Стали устойчивы в атмосфере воздуха, в среде сернистых газов, но теряют работоспособность в средах, содержащих пары воды, оксид углерода, ионы хлора. Хромали, как и хромистые стали, склонны к охрупчиванию при длительной выдержке при повышенных температурах как в процессе технологического нагрева, так и при эксплуатации.

Сильхромы обычно содержат 6—14% хрома и 1—3% кремния, что обеспечивает высокое сопротивление газовой коррозии. Повышенное содержание углерода до 0,5—0,8% позволяет провести их закалку и получить высокие значения твердости и износостойкости.

Добавка молибдена повышает жаропрочные характеристики сильхрома и предотвращает развитие отпускной хрупкости. Наибольшее распространение среди сильхромов получили стали мартенситного класса 40Х9С2 и 40Х10С2М, у которых температура окалинообразования 850 °C. Стали закаливают с температур 1000— 1050 °C и отпускают сталь 40Х9С2 при температуре 500—540°С с охлаждением на воздухе, а сталь 40Х10С2М — при температуре 720—780°С с охлаждением в масле. Ускоренное охлаждение после отпуска на воздухе или в масле предотвращает охрупчивание сильхромов в интервале температур 450—600°С.

Сильхромы предназначены для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, теплообменников, колосниковых решеток в химическом машиностроении. Стали сохраняют высокую твердость и прочность при температурах до 700 °C, имеют высокое сопротивление действию теплосмен и усталости, газовой коррозии в продуктах сгорания жидкого топлива.

Аустенитные стали 08X181110, 12Х18 111 ОТ и др. (табл. 8.10) используют в качестве жаростойких материалов для выхлопных систем, деталей печной арматуры, теплообменников, аппаратов и сосудов, работающих при температурах до 600 °C под давлением.

Увеличение содержания в стали хрома и никеля, дополнительное легирование кремнием повышают жаростойкость аустенитных сталей с 800 до 1100Х.

Сталь 36X18II25C2 обладает высокой жаростойкостью в среде с повышенным содержанием серы и применяется для изготовления сопловых аппаратов и жаровых труб газотурбинных установок.

Жаропрочные стали используют для изготовления деталей металлургических печей, паросиловых установок, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин и других конструкций. Жаропрочные стали обеспечивают надежную работу конструкций при температурах 450—700°С. При температурах ниже 450 °C работоспособны конструкционные стали.

Современные жаропрочные стали содержат большое количество легирующих элементов с высокой температурой плавления — Cr, Mo, W, Nb, Та. Легирование увеличивает энергию связи между атомами в твердом растворе, задерживает процессы диффузии и повышает температуру рекристаллизации. Легирование в сочетании с термической обработкой (закалка с последующим старением) формируют у жаропрочных сталей стабильную гетерофазную структуру, состоящую из легированного твердого раствора с равномерно распределенными частицами избыточных (карбидных и интсрмсталлидных) фаз, когерентно с ним связанных. Такая структура обеспечивает существенное снижение подвижности дислокаций.

Жаропрочные стали перлитного класса (12X1МФ, 25Х2М1Ф и др.) предназначены для продолжительной эксплуатации (10 000— 200 000 ч) при температурах 450—580°С. Их главным образом используют в котлостроении. Перлитные жаропрочные стали содерТаблица 8.10

Химический состав и механические свойства некоторых хромоникслевмх сталей.

жат пониженное количество углерода от 0,08 до 0,15% и легирующие элементы Сг, V, Mo, Nb.

Увеличение содержания углерода ухудшает свариваемость сталей, способствует коагуляции карбидов и обеднению молибденом твердого раствора, что снижает прочностные характеристики сталей. Содержание V, Mo, Nb в сталях перлитного класса нс превышает 1%. Ванадий, ниобий, хром образуют дисперсные карбиды типа МсС, упрочняющие твердый раствор.

При отношении содержания V/C = 3^-4 исключается участие Мо в карбидообразовании и обеспечивается присутствие Мо в твердом растворе.

Молибден и хром растворяются в феррите и упрочняют его, повышают прокаливаемость и температуру рекристаллизации стали. Хром повышает ее жаростойкость.

Оптимальные показатели жаропрочности (предел длительной прочности и ползучести) стали имеют после закалки в масле или нормализации с температурой 880— 1080 °C и последующего высокотемпературного отпуска при 640—750°С (табл. 8.11).

Жаропрочные стали мартенситного класса содержат до 12% хрома, отличаются повышенной жаростойкостью и способны длительное время работать при температурах 450—600°С. Дополнительное легирование высокохромистых сталей W, Мо, V, Ni существенно повышает их жаропрочность.

Стали, содержащие до 11% хрома, относятся к мартенситному классу, при большем содержании хрома (11 — 13%) — к мартенситно-ферритному классу. Стали применяют в состоянии после термической обработки — закалки или нормализации с температур 950—1100°С и последующего отпуска при температурах 680—740°С. Высокая температура нагрева при закалке необходима для растворения карбидов типа Ме₂зС₆, Ме_(;С и МсС в аустените. Отпуск закаленных сталей проводят при температурах на 100—150°С выше рабочей температуры деталей, предназначенных для длительной работы, обеспечивая тем самым стабильность структуры и свойств на весь срок эксплуатации.

В термически обработанном состоянии стали имеют структуру сорбита, состоящего из легированного феррита и выделившихся мелких карбидов.

В сталях мартенситно-ферритного класса количество неупрочняемого при термической обработке феррита невелико, и, но жаропрочпостным свойствам они близки к сталям мартенситного класса (см. табл. 8.11).

Мартенситные жаропрочные стали применяют для изготовления различных деталей паровых турбин (лопаток, дисков, диафрагм), а так же труб и крепежных деталей.

Жаропрочные стали аустенитного класса по комплексу эксплуатационных свойств превосходят перлитные и мартенситные стали.

Химический состав и свойства некоторых жаропрочных сталей и сплавов.

Таблица 8.11

Окончание табл. 8.11

Аустенитные стали надежно работают длительное время (до 100 000 ч) при температурах 650—700°С.

Стали пластичны, с трудом обрабатываются резанием, хорошо свариваются. Сварной шов аустенитных сталей обладает повышенной хрупкостью при наличии крупного зерна, образующегося в результате перегрева. Измельчить термической обработкой его не представляется возможным из-за отсутствия полиморфного превращения.

По способу упрочнения различают три группы аустенитных жаропрочных сталей, представляющих собой:

• • твердые растворы, не упрочняемые термической обработкой:
• • твердые растворы, упрочняемые в результате образования как первичных (VC, TiC, NbC и др.), так и вторичных (Ме₂₃С₍;, Ме_еС, Ме₇С₃ и др.) карбидов;
• • твердые растворы, упрочняемые в результате образования интсрмсталлидных фаз типа Ni₃Ti, Ni₃AI, Ni₃(Ti, Al) и др.

Аустенитные жаропрочные стали первой группы (10Х18Н12Т, 08Xi5H24B4TP, 09Х14Н19В2БР и др.) содержат пониженное количество углерода и, помимо хрома и никеля, легирующие элементы W, Ti, В, Nb, упрочняющие твердый раствор.

Структура этих сталей после закалки от температур 1100— 1150 °C в воде или на воздухе — однородный высоколегированный аустенит с включениями карбидов и карбонитридов титана или ниобия, но в количестве, не оказывающем влияния на их жаропрочность. В закаленном состоянии стали имеют высокие технологические свойства — хорошую свариваемость, высокую пластичность, умеренную прочность (см. табл. 8.11).

Аустенитные жаропрочные стали с карбидным упрочнением (группа 2) и интерметаллидным упрочнением (группа 3) закаливают от температур 1050—1200°С в воде, масле или на воздухе. Высокие температуры закалки необходимы для растворения карбидов и интсрмсталлидов и получения однородного высоколегированного аустенита.

Последующее старение закаленных сталей проводят при температурах 650—800°С, и оно предназначено для обеспечения распада аустенита с выделением мелкодисперсных равномерно распределенных частиц упрочняющей фазы. Максимальное и более равномерное выделение избыточных фаз происходит при двойной закалке и ступенчатом старении.

Жаропрочные аустенитные стали с карбидным упрочнением (40Х12Н8Г8МФ5, 45Х14Н14В2М идр., см. табл. 8.11) содержат 0,3—0,5% углерода, и карбидообразующие элементы связывают часть углерода в карбиды, а также упрочняют твердый раствор-аустенит. Марганец, как и никель, расширяет область существования аустенита в сплавах на основе железа.

Частичная замена дорогого никеля менее дефицитным марганцем даже способствует некоторому повышению жаропрочности сталей.

Сталь 40Х12Н8Г8МФ5 применяют для изготовления корпусов газовых турбин, лопаток, крепежных деталей. Упрочнение стали достигается закалкой с 1140 °C в воде (на воздухе) и старения при 650 °C. В процессе старения в матричном аустените образуются дисперсные включения карбидов типа Ме₂зС₆, МеС.

С целью повышения окалиностойкости сталь подвергают диффузионному алитированию.

Аустенитные стали с интсрмсталлидным упрочнением (10X11Н20ТЗР, 10X11H23T3MP и др.) содержат небольшое количество (до 0,1%) углерода, легирующие элементы Cr, Mo, W и добавки Al, Ti, Nb и Та, участвующие в формировании упрочняющих фаз типа Ni₃Ti, Ni₆(Ti, Al). При старении возможно образование карбидов типа МеС.

Содержание углерода в сталях ограничено, что позволяет увеличить легированность аустенита, повышающим энергию межатомной связи в матричном твердом растворе (аустените). Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением имеют более высокие характеристики жаропрочности, чем аустенитные стали первой и второй групп (см. табл. 8.11). Стали применяют при изготовлении компрессоров, турбин, дисков, камер сгорания, сварных изделий, шпилек, болтов и других деталей, работающих при температурах до 750—800°С.

Жаропрочные сплавы на железоникелевой основе (ХН35ВТЮ, ХН38ВТ и др., см. табл. 8.11) легируют хромом, вольфрамом, алюминием и бором. Термическая обработка сплавов, включающая закалку с температур 1150— 1200 °C и последующее старение при температурах 750—850°С, формирует структуру легированного твердого раствора с упрочняющими интерметаллидными фазами. Сплав ХН35ВТЮ предназначен для изготовления рабочих лопаток газотурбинных двигателей, компрессорных лопаток, дисков, дефлекторов, колец и других деталей, работающих при температурах 700— 800 °C.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Какое влияние оказывают легирующие элементы на структуру стали?
• 2. Какова взаимосвязь между структурой и свойствами сталей?
• 3. С какой целью стали перлитного и мартенситного классов закаливают в масле, а не в воде?
• 4. Какой химический элемент и почему обеспечивает коррозионную стойкость стали?
• 5. Что такое отпускная хрупкость стали, и каковы способы ее устранения?
• 6. Какой термической обработкой упрочняются аустенитные жаропрочные стали?
• 7. В чем принципиальное различие свойств сталей перлитного, мартенситного и аустенитного классов после нормализации?
• 8. Какими эксплуатационными свойствами должны обладать улучшаемые и пружинные стали?
• 9. Назовите основные способы борьбы с коррозией.
• 10. Какие стали относят к жаропрочным?