17.5 Жаростойкие стали и сплавы

Способность металла сопротивляться химической коррозии в сухой газовой среде при высоких температурах называется жаростойкостью, или окалиностойкостью.

Основным фактором, влияющим на жаростойкость, является химический состав металла, определяющий защитные свойства оксидной пленки. При повьппении температуры сверх определенного предела дефектность оксидов всех металлов возрастает. Для технического железа предельная рабочая температура нагрева в воздушной среде составляет 560⁰С.

Основной способ повышения жаростойкости сталей – легирование их хромом, алюминием или кремнием, образующими на поверхности изделия оксиды Cr₂O₃, Al₂O₃ и SiO₂. Эти оксиды – плотные, прочные, тугоплавкие пленки. Поэтому на поверхности стали они создают защитный слой, препятствующий дальнейшему проникновению (диффузии) кислорода в глубь изделия.

Учитывая, что высокое содержание алюминия и кремния способствует охрупчиванию и ухудшает технологическую пластичность при обработке давлением, основным легирующим элементом в жаростойких сталях является хром. Жаростойкие свойства растут с увеличением его содержания в стали. Поскольку все нержавеющие стали содержат > 13%, они являются и жаростойкими. Чем выше содержание хрома, тем более окалиностойки стали, например, сталь 15Х25Т окалиностойка до 1100-1150⁰С.

Высокой жаростойкостью обладают сильхромы (хромокремистые стали мартенситного класса типа 40Х9С2, 40Х10С2М), сильхромали, а также стали 08Х17Т, 15Х28, 36Х18Н25С2, 30Х13Н7С2, 15Х6СЮ, 15Х5. Особенно высокой жаростойкостью обладают сплавы на основе никеля – нихромы.

Высокохромистые и кремнистые чугуны окалиностойки до 1000-1100⁰С. Для неответственных деталей, не несущих нагрузок, используют обычные углеродистые стали, подвергнутые диффузионной металлизации.

17.6 Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах.

С повышением температуры характеристики прочности металлов и металлических сплавов понижаются, причем для различных по составу сплавов изменение прочности неодинаково. Установлено, что прочность металлов и сплавов определяется главным образом силами связи атомов в кристаллической решетке.

Температура плавления металлов является достаточно хорошим показателем прочности межатомных связей в кристаллической решетке. Поэтому для создания жаропрочных сплавов используют металлы с высокой температурой плавления (железо, никель, кобальт). Еще более жаропрочными оказываются сплавы на основе хрома, молибдена и других тугоплавких металлов.

Основными критериями жаропрочности металлов является предел длительной прочности и предел ползучести.

Пределом длительной прочности называют напряжение, которое приводит к разрушению образца при заданной температуре за определенное время, соответствующее условиям эксплуатации изделий. Предел длительной прочности обозначают σ^t_τ, где индексы t и τ обозначают температуру (⁰С) и время испытаний (ч).

Ползучестью называют свойство металлов медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре.

Пределом ползучести называют напряжение, вызывающее заданную суммарную деформацию за определенное время при заданной температуре. Предел ползучести обозначают σ^t _{δ / τ}, где t — температура, ⁰С; δ — суммарное удлинение, %; τ — время, ч. Для деталей, длительное время работающих при повышенных температурах, задается обычно скорость ползучести на установившейся стадии процесса, например 0,1 % за 10⁴ ч или за 10⁵ ч.

Если надежность работы конструкции зависит от ее деформации при ползучести, то характеристикой жаропрочности служит предел ползучести, определяющий скорость установившейся ползучести на третьем участке при заданных температуре и напряжении. Если лимитирующим фактором надежности конструкции является опасность разрушения детали, то критерием жаропрочности служит предел длительной прочности, определяющий время до разрушения при заданных напряжении и температуре.

При рабочих температурах ниже 400 — 450⁰C нет необходимости использовать жаропрочные материалы. В этих условиях могут успешно работать обычные конструкционные стали.

Различают следующие виды жаропрочных конструкционных сталей.

1. Перлитные или котельные стали. Используют для изготовления крепежа, труб, паропроводов, пароперегревателей и коллекторов энергетических установок, длительно работающих при температурах 500— 550⁰С. Содержат относительно малые количества углерода (0,15-0,20%) и обычно легированы хромом, молибденом и ванадием (марки 12ХМ, 12Х1МФ). Стали этого класса используют в закаленном или нормализованном и высокоотпущенном состоянии.

2. Мартенситные стали. Стали мартенситного класса используют для изготовления деталей энергетического оборудования (лопатки, диафрагмы, турбинные диски, роторы), длительно работающих при температурах 600— 620⁰С. Они больше чем перлитные стали легированы хромом, а также вольфрамом, молибденом, ванадием (марки 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ). Высокая жаропрочность этих сталей достигается при закалке от 1000 — 1050⁰С в масле на мартенсит с последующим отпуском на сорбит или троостит.

Клапаны выхлопа двигателей внутреннего сгорания небольшой и средней мощности изготовляют из сильхромов — хромокремистых сталей мартенситного класса типа 40Х9С2, 40Х10С2М. Клапаны более мощных двигателей изготовляют из аустенитных сталей.

3. Аустенитные стали. Ранее рассмотренные высоколегированные аустенитные коррозионностойкие стали можно рассматривать и как жаропрочные. Из них изготовляют роторы, диски, лопатки газовых турбин, клапаны дизельных двигателей, работающие при температурах 600 — 700⁰С.

В   жаропрочных   аустенитных   сталях   содержится    ~10-20%  Ni  и 15-20% Cr, а также вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, бор и другие элементы, вводимые для увеличения жаропрочности. К жаропрочным сталям аустеннтного класса относятся стали 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М.

Термообработка этих сталей состоит из закалки и старения при температурах выше эксплуатационных. При старении происходит выделение из аустенита мелкодисперсных избыточных фаз, что дополнительно увеличивает сопротивление стали ползучести.

В табл. 17.3 приведены основные свойства некоторых отечественных жаропрочных сталей.

Т а б л и ц а 17.3 Свойства жаропрочных сталей

Более высокие рабочие температуры (до 1000 — 11000С и более) выдерживают так называемые суперсплавы, выплавленные на основе элементов VIII группы периодической системы — никелевые, кобальтовые, железоникелевые сплавы. Их применяют при изготовлении газотурбинных двигателей для аэрокосмических и промьппленных энергоустановок. Для работы при еще более высоких температурах применя ют тугоплавкие металлы и керамические материалы.