Класифікація жароміцних сталей і сплавів

 

У якості сучасних жароміцних матеріалів можна відзначити перлітні, мартенситні й аустенітні жароміцні сталі, нікелеві й кобальтові жароміцні сплави, тугоплавкі метали.

При температурах до 300^oC звичайні конструкційні сталі мають високу міцність, немає необхідності використовувати високолеговані сталі.

Для роботи в інтервалі температур 350…500^oCзастосовують леговані сталі перлітного, феритного й мартенситного класів.

Перлітні жароміцні сталі. До цієї групи ставляться котельні сталі й сильхроми. Ці сталі застосовуються для виготовлення деталей котельних агрегатів, парових турбін, двигунів внутрішнього згоряння. Стали містять відносно мало вуглецю. Легування сталей хромом, молібденом і ванадієм виробляється для підвищення температури рекристалізації (марки 12Х1МФ, 20Х3МФ). Використовуються в загартованому й високовідпущеному стані. Іноді загартування заміняють нормалізацією. У результаті цього утворяться пластинчасті продукти перетворення аустеніту, які забезпечують більше високу жароміцність. Межа повзучості цих сталей повинен забезпечити залишкову деформацію в межах 1 % за час 10000...100000 років роботи.

Перлітні сталі мають задовільну зварюваність, тому використовуються для зварених конструкцій (наприклад, труби пароперегрівників).

Для деталей газових турбін застосовують складно леговані сталі мартенситного класу 12Х2МФСР, 12Х2МФБ, 15Х12ВНМФ. Збільшення змісту хрому підвищує жаростійкість сталей. Хром, вольфрам, молібден і ванадій підвищують температуру рекристалізації, утворяться карбіди, що підвищують міцність після термічної обробки. Термічна обробка складається із загартування від температур вище 1000^oС у маслі або на повітрі й високій відпустці при температурах вище температури експлуатації.

Для виготовлення жароміцних деталей, не потребуючі зварювання (клапани двигунів внутрішнього згоряння), застосовуються хромокремнисті стали – сильхроми: 40Х10С2М, 40Х9С2, Х6С.

Жароміцні властивості ростуть зі збільшенням ступеня легованості. Сильхроми піддаються загартуванню від температури близько 1000^oС і відпустці при температурі 720…780^oС.

При робочих температурах 500…700^oC застосовуються сталі аустенітного класу. Із цих сталей виготовляють клапани двигунів, лопатки газових турбін,соплові апарати реактивних двигунів і т.д.

Основними жароміцними аустенітними сталями є хромонікелеві сталі, додатково леговані вольфрамом, молібденом, ванадієм і іншими елементами. Стали містять 15...20 % хрому й 10...20 % нікелю. Мають жароміцність і жаростійкістю, пластичні, добре зварюються, але утруднена обробка різанням і тиском, стають крихкими в інтервалі температур близько 600^oС, через виділення по границях різних фаз.

За структурою стали підрозділяються на дві групи:

1. Аустенітні сталі з гомогенною структурою 17Х18Н9, 09Х14Н19У2БР1,12Х18Н12Т. Зміст вуглецю в цих сталях мінімальне. Для створення більшої однорідності аустеніту стали піддаються загартуванню з 1050…1100^oС у воді, потім для стабілізації структури – відпустці при 750^oС.

2. Аустенітні сталі з гетерогенною структурою 37Х12Н8Г8МФБ, 10Х11Н20Т3Р.

Термічна обробка сталей включає загартування з 1050…1100^oС. Після загартування старіння при температурі вище експлуатаційної (600…750^oС). У процесі витримки при цих температурах у дисперсному виді виділяються карбіди, карбонітриди, внаслідок чого міцність стали підвищується.

Деталі, що працюють при температурах 700…900^oC,виготовляють зі сплавів на основі нікелю й кобальту (наприклад, турбіни реактивних двигунів).

Нікелеві сплави переважно застосовують у деформованому виді. Вони містять більше 55 % нікелю й мінімальна кількість вуглецю (0,06...0,12 %). По жароміцних властивостях перевершують кращі жароміцні сталі.

За структурою нікелеві сплави розділяють на гомогенні (ніхроми) і гетерогенні (нимоники).

Ніхроми. Основою цих сплавів є нікель, а основним легуючим елементом - хром (ХН60Ю, ХН78Т).

Ніхроми не мають високу жароміцність, але вони дуже жаростійкі. Їх застосовують для мало навантажених деталей, що працюють в окисних середовищах, у тому числі й для нагрівальних елементів.

Нимоники є четвертними сплавами нікель – хром (близько 20 %) – титан (близько 2%) – алюміній (близько 1 %) (ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТФКЮ). Використовуються тільки в термічно обробленому стані. Термічна обробка складається із загартування з 1050…1150^oЗ на повітрі й відпустки – старіння при 600…800^oС.

Збільшення жароміцності складно легованих нікелевих сплавів досягається зміцненням твердого розчину введенням кобальту, молібдену, вольфраму.

Основними матеріалами, які можуть працювати при температурах вище 900^oC (до 2500^oС), є сплави на основі тугоплавких металів – вольфраму, молібдену, ніобію й інших.

Температури плавлення основних тугоплавких металів: вольфрам – 3400^oС, тантал – 3000^oС, молібден – 2640^oС, ніобій – 2415^oС, хром – 1900^oС.

Висока жароміцність таких металів обумовлена більшими силами міжатомних зв'язків у кристалічній решітці й високих температурах рекристалізації.

Найбільше часто застосовують сплави на основі молібдену. Як легуючі добавки в сплави вводять титан, цирконій, ніобій. З метою захисту від окислювання проводять силіціювання, на поверхні сплавів утвориться шар MoSi₂ товщиною 0,03...0,04мм. При температурі 1700^oС силіційовані деталі можуть працювати 30 годин.

Вольфрам - найбільш тугоплавкий метал. Його використовують як легуючий елемент у сталях і сплавах різного призначення, в електротехніку й електроніці (нитки розжарення, нагрівачі у вакуумних приладах).

Як легуючі елементи до вольфраму додають молібден, реній, тантал. Сплави вольфраму з ренієм зберігають пластичність до –196^oС і мають межа міцності 150 МПа при температурі 1800^oС.

Для сплавів на основі вольфраму характерні низька жаростійкість, плівки оксидів, що утворяться, перевищують об'єм металу більш, ніж у три рази, тому вони розтріскуються й відшаровуються Виготовляють виробу, що працюють у вакуумі).