9. Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоя­нии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью, - это стали ау- стенитного класса на хромоникелевой (10Х18Н12Т, 10Х11Н20ТЗР) и хромоникельмарганцевой (37Х12Н8Г8МФБ, 40Х15Н7ГФ2МС) осно­вах с различным дополнительным легированием.

При выборе легирующих элементов основываются на факторах, повышающих жаропрочность: высокая температура плавления основ­ного металла; содержание легирующих элементов в твердом растворе (максимальной жаропрочностью обладает у-твердый раствор) и дис­персных частиц упрочняющей фазы (для этого стали легируют Мо, Nb, W, Al, Ti, В, N); пластическая деформация, вызывающая наклеп; высокая температура рекристаллизации; очищение от легкоплавких примесей (Pb, Cd, Bi, Si и др.); термическая и термомеханическая об­работка; введение в долях процента В, Се, Nb, Zr.

Жаропрочные стали и сплавы классифицируют:

• по типу упрочнения сталей:

1. гомогенные (жаропрочность обеспечивается за счет легирования твердого раствора; необходимый уровень длительной прочности и пластичности в течение всего ресурса эксплуатации достигается за счет исключения или замедления выделения вторых фаз);

2. стали с карбидным упрочнением [упрочняющие фазы - карбиды ванадия (VC), ниобия (NbC) и хрома (Сг₂зС₆, Сг₇Сз)];

3. стали с интерметаллидным упрочнением (содержат до ОД % С, повышенное количество никеля, титана, алюминия для создания вы­соколегированного железоникелевого аустенита, обладающего склон­ностью к распаду при старении с образованием фаз-упрочнителей - фаз Лавеса и фаз типа у'; для повышения длительной прочности в сталь вводят до 3,5 % молибдена и вольфрама);

• по металлу основы: сплавы на основе никеля (рабочие темпера­туры - 700... 1100 °С) и кобальта;

• по способу производства: деформируемые и литые.

Жаропрочные сплавы представляют собой у-твердый раствор на

хромоникелевой основе, комплексно легированный кобальтом и туго­плавкими элементами-упрочнителями (Mo, W, Nb).

В сплавах обязательно присутствуют титан, ниобий и алюминий (суммарно до 8... 10 %), обеспечивающие образование упрочняющей у'-фазы. Хром и алюминий повышают сопротивление окислению и газовой коррозии за счет образования защитных пленок, богатых ок­сидами Сг₂0₃ и А1₂О_э, Углерод в количестве 0,08...0,12 % образует карбиды и карбонитриды; 0,005...0,015 % В - бориды типа МеВ₂.

Ограничение содержания легкоплавких примесей (Pb, Cd, Ag, Sb, S) повышает жаропрочные и технологические свойства никелевых сплавов.

Сплавы на основе кобальта уступают по жаропрочности сплавам на никелевой основе, но обладают хорошей коррозионной стойкостью при повышенных температурах, высокой стабильностью структуры в течение длительного срока службы, имеют более высокую теплопро­водность и меньший коэффициент термического расширения.

9. Литейные стали

В зависимости от назначения и условий эксплуатации литых дета­лей их изготавливают из различных углеродистых и легированных литейных сталей: конструкционных, коррозионно-стойких, жаростой­ких и износостойких. Литейные стали подразделяют на конструкци­онные и высоколегированные со специальными свойствами.

Цель легирования литейных сталей - увеличение прокаливаемости (марганец, хром, никель), повышение вязкости и снижение темпера­турного порога хрупкости (никель), предотвращение отпускной хруп­кости (молибден), увеличение стойкости против коррозии (хром, ни­кель), повышение жаростойкости (хром, кремний) и др. Во многие стали для отливок вводят малые добавки ванадия и титана (около 1 %) для измельчения аустенитного зерна.

Ряд сталей для отливок имеют ту же марку, что и деформирован­ные, отличаясь лишь буквой «Л» в конце обозначения марки. В этом случае состав литейной стали практически тот же, что и деформируе­мой, различие заключается лишь в допустимом содержании вредных примесей: в сталях для отливок оно несколько больше (см. 5.1).

Некоторые стали разработаны специально в качестве литейных и не имеют аналогов среди деформируемых сталей (например, сталь Гад- фильда 1 ЮГ 13 Л).

При выборе легирующих элементов необходимо иметь в виду, что для изготовления деталей методом литья стали должны обладать ком­плексом литейных свойств: жидкотеку честью, трещиноустойчивостью, усадочными свойствами.

Жидкотеку честь, т.е. способность стали течь и заполнять форму - наиболее важное из технологических свойств сталей для отливок. При одинаковой температуре заливки жидкотекучесть зависит от химиче­ского состава стали. При прочих равных условиях увеличение содер­жания углерода улучшает, а легирование тугоплавкими элементами ухудшает жидкотекучесть металла. Легирование медью (0Д...З %), никелем (до 3,5 %), кремнием (0,4...0,5 %) улучшает жидкотекучесть.

Трещиноустойчивостъ. Горячие трещины чаще всего образуются в отливках из стали мартенситного класса, реже в отливках из углеро­дистых сталей и сталей аустенитного класса. Различие в склонности к образованию трещин заметно проявляется при высоких температурах заливки. При снижении этих температур склонность к образованию трещин у всех сталей уменьшается. Добавки хрома (до 0,8 %) улуч­шают трещиноустойчивостъ.

Усадка - образование усадочных пустот в виде раковин и пористо­сти при затвердевании и охлаждении отливки. Обычно стремятся со­средоточить все последствия усадки в виде одной усадочной ракови­ны в прибыльной части отливки, а пористость свести к минимуму.

В качестве литейных обычно используют низколегированные ста­ли, так как литейные свойства легированных сталей, как правило, ху­же, чем углеродистых, из-за того, что при легировании расширяется интервал кристаллизации и уменьшается теплопроводность. Легиро­ванные литейные стали обычно содержат до 0,5... 1,5 % легирующих элементов (Cr, Ni, Si, Мп, Си), для улучшения технологических свойств, измельчения зерна и повышения ударной вязкости дополни­тельно вводят 0,005...0,30 % Mo, V и 0,05...0,10 % TL При этом ли­тейные стали обычно перлитного класса.

Основные группы литейных сталей:

• марганцовистые (20ГЛ, 30ГЛ и др.) - наиболее дешевые, широко используются для изготовления отливок, работающих в сложных ус­ловиях ударного нагружения и изнашивания (детали дробилок, экска­ваторов, валов, зубчатые колеса и др.), недостаток марганцовистых сталей - чувствительность к перегреву;

• хромистые (40ХЛ и др.) - имеют наиболее высокую прочность и хорошую прокаливаемость (толщина стенки до 60...80 мм). Для из­мельчения зерна и подавления отпускной хрупкости сталь дополни­тельно легируют молибденом (35ХМЛ);

• хромансилы (ЗОХГСЛ) - обладают высокой прочностью и прока- ливаемостью, применяются для отливок ответственных деталей с се­чением до 80... 100 мм (рычаги, валы, толкатели и др.);

• хромоникелевые (30ХНМЛ и др.) - обладают наиболее высоким ком­плексом свойств, используются для крупногабаритных отливок. Введение никеля повышает вязкость и пластичность при сохранении прочности;

• медистые (20ДХЛ, 08ГДНФЛ и др.) - содержат 0,5...2,0 % Си. Дисперсионное твердение после закалки повышает прочность и упру­гие свойства. Используются для крупногабаритных фасонных отливок в судостроении и турбостроении, их можно сваривать.

Для снятия литейных напряжений, измельчения зерна, исправления структуры литой стали, для повышения пластичности, ударной вязко­сти и хладостойкости перлитные и мартенситные стали для отливок подвергают^нормализации и (или) закалке с высоким отпуском^