54. Жаростойкие стали.
Жаростойкостью или окалиностойкостью называется способность металла сопротивляться химической коррозии в сухой газовой среде при высоких температурах. Железо при взаимодействии с кислородом может образовать оксиды трех видов: FeO, Fe3O4, Fe2O3. До 560 – 600оС окалина состоит преимущественно из плотного слоя оксидов Fe2O3 и Fe3O4, что затрудняет диффузию атомов кислорода и металла. Выше 600оС происходит растрескивание этих оксидов и вместо них защита металла осуществляется лишь рыхлым оксидом FeO, что облегчает доступ кислорода к поверхности металла. Нагрев более 600оС приводит к интенсивному окислению сплавов на основе железа. Основным фактором, влияющим на жаростойкость, является химический состав металла, определяющий защитные свойства оксидной пленки. В таблице 5.1 приведена сравнительная оценка жаростойкости ряда чистых металлов, определенная по 5-бальной шкале скорости окисления в воздушной среде в интервале рабочих температур.
Рыхлый оксид магния практически не защищает металл при нагреве. Магний не только быстро окисляется, но и легко воспламеняется при нагреве, благодаря чему используется в пиротехнике. Оксиды металлов второй группы при нагреве разрушаются как за счет сублимации в случае Мо и W, так и благодаря растворению в металле входящего в них кислорода (Ti, Zr). При повышении температуры сверх определенного предела возрастает дефектность оксидов металлов третьей группы. Для технического железа предельная рабочая температура нагрева в воздушной среде составляет 560оС. Металлы четвертой группы, благодаря плотной оксидной пленке с высокими защитными свойствами при нагреве, имеют хорошую жаростойкость. Поэтому хром и алюминий, наряду с кремнием, широко используют для повышения жаростойкости легированных сталей. Для достижения высокой жаростойкости стали оксид легирующего элемента должен быть плотным, не подверженным растрескиванию при нагреве, иметь высокие температуры сублимации и плавления. 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. Сталь, содержащая 5 % Cr, сохраняет окалиностойкость до 600оС (15X5), 9 % (40Х9С2) – до 800оС, 17 % (08X17Т) – до 900оС. Хромистые марки сталей относятся к сталям ферритного класса. Для изготовления деталей печного оборудования применяют стали 20Х23Н18, 20Х25Н20С2, имеющие окалиностойкость до 1100оС. Эти марки относятся к аустенитному классу и характеризуются не только высокой жаростойкостью, но и высокой жаропрочностью. Хотя уровень жаростойкости стали и ее максимальная рабочая температура в основном определяются содержанием хрома, повышение температуры эксплуатации обусловливает одновременный рост концентрации никеля, что связано с необходимостью стабилизации аустенитной структуры. |
55. Коррозионные хромистые стали. Хром в воздушной среде имеет малый электрохимический потенциал, однако обладает высокой коррозионной стойкостью за счет возникновения на поверхности плотной и прочной пленки оксида хрома Сг203, которая препятствует проникновению в глубь металла кислорода, в результате чего процесс коррозии в атмосфере прекращается. Коррозионная стойкость сталей, легирование хромом, возрастает также за счет повышения их электрохимического потенциала. Однако это достигается лишь при определенных количествах хрома в стали. Возрастание коррозионной стойкости сталей происходит не постепенно, а скачкообразно, при введении его в количествах, пропорциональных примерно 12% (рис. 8.1). Таким образом, конструкционные хромистые стали, рассмотренные ранее — 40Х, 40ХФА, 40ХН, 40ХН2МА, 40Х2Н2МА и др., — в которых содержание хрома менее 12%, коррозионной стойкостью не обладают. В промышленности используют коррозионно-стойкие хромистые стали с содержанием хрома более 12 и 25 %. В первую группу входят стали 12X13, 20X13, 30X13, 40X13. Напомним, что легирование смещает точку S диаграммы состояния системы Fe — Fe3C (см. рис. 4.2) в область меньших значений углерода (см. рис. 6.3), т.е. стали, имеющие структуру перлита (эвтектоидные), содержат углерода меньше 0,8 %, причем тем меньше, чем более легирована сталь. Таким образом, стали 12X13и 20X13 являются доэвтектоидными (их структура в отожженном состоянии феррит и перлит), сталь 30X13 — эвтектоид ной (структура перлит), а сталь 40X13 — заэвтектоидной (структура перлит, цементит и карбиды хрома). Стали этой группы устойчивы против коррозии в атмосфере, воде, ряде слабых растворов кислот и щелочей.
Низкоуглеродистые стали 12X13 и 20X13 имеют невысокую прочность и твердость, практически не упрочняются при термической обработке, их достоинство — высокая пластичность. Эти стали используют для изготовления лопаток турбин, клапанов гидравлических устройств, арматуры крекинг-установок. Повышение содержания углерода в сталях этой группы приводит к увеличению твердости и прочности, но уменьшению пластичности. В отожженном состоянии заметно снижается коррозионная стойкость. Это связано с тем, что часть хрома расходуется на образование карбида хрома (Сг23С6), поэтому концентрация хрома в твердом растворе не достигает 12%. Для сталей с содержанием углерода 0,3…0,4% необходима термическая обработка, обеспечивающая обогащение твердого раствора хромом за счет растворения в аустените карбида Сг23С6. Стали30X13 и 40X13 подвергают закалке от температуры 1000… 1100 °С. Структура сталей после закалки — мартенсит. Закалка и низкий отпуск сталей (200 °С) позволяют получить стали 30X13 и 40X13 с достаточно высокой твердостью примерно 40 HRC и 50 HRC соответственно. Эти стали используют для изготовления хирургических инструментов, упругих элементов и т.п. Ко второй группе относятся стали, легированные 25…30% Сг (например, сталь 12X28), которые обладают более высоким электрохимическим потенциалом и, следовательно, большей коррозионной стойкостью. Эти стали устойчивы против коррозии в азотной кислоте, слабых растворах соляной кислоты и ряде других кислот; их используют для изготовления аппаратуры химической промышленности.
14.04.2011, 1205 просмотров.