3.1.3 Дослідження окалиностійкості хромоалюмінієвих сталей

Визначена окалиностійкість, як основна експлуатаційна характеристика жаростійких сталей, в різних агресивних середовищах.

Під час спалювання палива (наприклад, на теплових електростанціях) утворюється суміш газів СО₂, СО, Н₂О (пара) і N₂. На металеві матеріали кожний із цих газів (або їх суміші) діє більш агресивніше, ніж перегріте повітря. З метою вивчення впливу алюмінію на окалиностійкість в атмосфері СО₂ і Н₂О (пари) випробувані зразки хромистої середньовуглецевої сталі з вмістом 30% Cr і легованої алюмінієм до 6,76%. Результати дослідження показано на рис. 3.16.

Із збільшенням вмісту алюмінію окалиностійкість хромистої сталі зростає в усіх досліджених середовищах, особливо після підвищення концентрації алюмінію до 3,0%.

Рисунок 3.16 – Окалиностійкість хромистої сталі 35Х30Л залежно від вмісту алюмінію у середовищах (температура випробовування – 1250°С, тривалість – 100 год): 1 – повітря; 2 – повітря + 25% Н2О; 3 – повітря + 45% СО2; 4 – повітря + 45% Н2О

Незважаючи на те, що процеси взаємодії елементів сталі з окиснювальними середовищами різні, склад і структура оксидних плівок майже однакові. Вміст оксидів заліза в окалині збільшується тільки на 1,0...1,5%. Окалина складається на 90...95% з α-Al₂O₃. Найбільш агресивним середовищем є водяна пара (рис. 3.16).

Отже хромоалюмінієві сталі з вмістом 1,5...3,0% алюмінію мають високотемпературну корозійну стійкість в середовищах, які вмістять вуглекислий газ і водяну пару. Вироби, виготовлені із такої сталі, можуть працювати в наведених умовах при температурах 1150…1250°С.

Установлено, що із збільшенням вмісту вуглецю в жаростійких сталях, їх окалиностійкість знижується, оскільки зменшується концентрація хрому в легованому фериті, скорочується кількість іонів хрому, які дифундують до поверхні виробу, що окиснюється, внаслідок чого послабляються захисні властивості оксидної плівки навіть за умови відносно високої (1,5…2,0%) концентрації алюмінію в сталі. Разом з тим необхідно брати до уваги, що підвищення вмісту вуглецю в сталях підвищує основну їх ливарну характеристику – рідкотекучість – та покращує механічні властивості.

Установлено, що шкідливий вплив вуглецю на окалиностійкість сталі можна частково або повністю нейтралізувати додаванням у розплав активних карбідоутворювальних елементів, наприклад титану.

Досліджено спільний вплив вуглецю і титану на окалиностійкість хромоалюмінієвої сталі з вмістом 30% хрому та 2% алюмінію. Зразки для випробовування виготовляли із заготовок у вигляді прутків діаметром 15 мм, одержаних під час вивчення технологічних властивостей сталей.

Вивчено вплив вуглецю в діапазоні концентрацій від 0,08 до 0,81% і титану до 0,63%. Враховуючи негативний вплив титану на ливарні і механічні властивості хромоалюмінієвих сталей після його вмісту в них більше 0,6%, випробовування таких сталей на окалиностійкість не проводили. Результати досліджень показано на рис. 3.17.

Рисунок 3.17 – Зміна окалиностійкості хромоалюмінієвої сталі Х30Ю2Л залежно від вмісту в ній вуглецю і титану (температура випробовування – 1250°С, тривалість – 100 год): 1 – 0,08% С; 2 – 0,15% С; 3 – 0,40% С; 4 – 0,81% С

Установлено, що із збільшенням вмісту вуглецю в хромоалюмінієвій сталі її окалиностійкість знижується, тобто маса зразка збільшується від 3,7 до 6,2 мг/см². Додавання в сталь з будь-яким вмістом вуглецю оптимальних добавок титану покращує окалиностійкість.

Сприятливу дію титану на окалиностійкість можна пояснити тим, що окрім вивільнення частини хрому, який повинен утворювати карбіди, здійснюється утворення окалини за участю оксидів титану. Така оксидна плівка має високі захисні властивості. Крім того, легування сталі титаном, знижує дифузійну рухомість заліза в фериті і зменшує кількість його оксидів в окалині, яка утворюється на поверхні виробу. Це підтверджено результатами мікрохімічного аналізу оксидних плівок: при вмісті 0,25% титану в сталі виявлено 0,5…0,6% його оксидів, а вміст оксидів заліза, у порівнянні з окалиною, яка утворюється на зразках із сталі без титану, зменшився з 2,35…2,60 до 1,60…1,75%.

Отже, для хромоалюмінієвої сталі з середнім вмістом вуглецю (0,30…0,40%) оптимальною добавкою титану можна вважати 0,25…0,45%.

Оскільки рідкісноземельні метали (РЗМ) істотно поліпшують ливарні й механічні властивості хромоалюмінієвих сталей і з огляду на різні тлумачення в технічній літературі щодо впливу РЗМ на жаростійкість сталей, вивчений їхній вплив на окалиностійкість сталі 35Х30Ю2ТЛ. Присадку РЗМ здійснювали введенням фероцерію до 1,0% з розрахунку.

Порівняльні характеристики поводження РЗМ відносно окалиностійкості в атмосфері повітря й у суміші повітря й водяної пари показано в табл. 3.1.

Встановлено, що присадка до 0,20...0,30% РЗМ практично не впливає на окалиностійкість хромоалюмінієвої сталі, при цьому в умовах теплозмін окалина, що утворюється на виробах, виготовлених зі сталі, обробленої 0,20...0,30% РЗМ, має міцне зчеплення з поверхнею металу виробу.

Присадки у сталь більшої кількості РЗМ трохи знижують її окалиностійкість внаслідок збільшення місць крапкової корозії, що стає особливо помітною після тривалих випробувань.

Таблиця 3.1 – Окалиностійкість сталі 35Х30Ю2ТЛ залежно від присадок РЗМ й атмосфери (умови випробовувань: 0,41% Ті, температура – 1250°С, тривалість – 100 год.)

Індекс позиції	Атмосфера	Окалиностійкість, мг/см2, після присадки РЗМ, %
		0	0,1	0,3	0,5	0,75	1,0
1	Повітря	4,65	4,68	4,70	4,80	5,30	6,40
2	Повітря + + 25% Н2О	5,80	5,60	5,70	5,95	6,70	8,10

Розшифровка хімічного й фазового складу оксидних плівок на сталях, оброблених рідкісноземельними металами, утруднено через невелику кількість оксидів РЗМ і складності їхньої ідентифікації. Можна відзначити тільки непряму позитивну дію РЗМ у формуванні оксидного шару - деяке зниження оксидів заліза в окалині.

На підставі проведених досліджень окалиностійкості сталі із хромом й алюмінієм, легованої титаном і додатково обробленої РЗМ сформульовані наступні висновки:

– для забезпечення високої окалиностійкості виробів при експлуатації до 1300°С концентрація основних легуючих елементів – хрому й алюмінію – повинна перебувати в межах 28...32% й 1,5...2,2% відповідно.

– легування хромоалюмінієвих сталей 0,20...0,40% титану підвищує їх окалиностійкість. Оптимальна концентрація титану в сталі залежить від вмісту в ній вуглецю й розраховується із співвідношення: % Тi = (1,3...1,5) % С;

– додаткове оброблення розплаву РЗМ не робить впливу на захисні властивості окалини, але поліпшує її адгезійну здатність. Доцільною в цьому випадку є присадка 0,20...0,30% РЗМ (з розрахунку).

– середовища, які містять вуглекислий газ і водяну пару, є більш агресивними до виробів із хромоалюмінієвих сталей у порівнянні з перегрітим повітрям. Однак, окалиностійкість сталей залишається високою за умови забезпечення в їх складі оптимальних концентрацій вуглецю, хрому, алюмінію й титану;

– кращою жаростійкою хромоалюмінієвою сталлю є сталь, яка вміщує в своєму складі фосфору й сірки не більше 0,025% кожного елемента.