2. Теплостійкі сталі перлітного класу. Загальна характеристика, структура і термічна обробка

Для виготовлення паропроводів, деталей і вузлів парогенераторів і парових турбін теплових електростанцій використовують вуглецеві й низьколеговані сталі, які відносяться до сталей перлітного класу. Серед них є також сталі мартенситного і бейнітпого класів.

Якщо робоча температура не перевищує 400°С і тиск пари 0,8 МПа, використовують нормалізовані низьковуглецеві сталі 12К, 15К, 22К (ГОСТ 5520-79) у вигляді листів і труб. В марках літера "К" означає "котельна", а цифри - вміст вуглецю в сотих долях відсотка. Всі сталі - низьковуглецеві, бо з них виготовляють труби, що підлягають стиковому зварюванню. Механічні властивості таких сталей: о_в=360-490 МПа, а₍₎,-,=220-280 МПа; 5=24-19%.

Для паропроводів і деталей, працюючих тривалий час (10000- 200000 год.) при температурах 500-580°С в умовах підвищеного тиску, використовують низьковуглецеві низьколеговані сталі (таблиця 29). Вони можуть протистояти повзучості при робочих температурах і їх називають теплостійкими. Критерієм жароміцності для них є границя повзучості з допустимою деформацією 1% за 10⁴ або 10⁵ год. Такі сталі містять 2-3% карбідотвірних елементів (СУ, Мо, V, А’Ь). Слід відмітити, що всі марки сталей містять молібден, і це не випадково. Раніше (50 років тому) існувала просто молібденова сталь 16М, яка в наш час вже не використовується. Молібденова сталь мала добрі технологічні властивості і хорошу зварюваність, але вона була схильна до графітизації і окалиноутвореншо (особливо в районі зварного з’єднання), тому замість неї була розроблена сталь 12МХ, не схильна до графітизації. Сталь 12МХ призначається для паропроводів високого тиску з температурою до 500-510°С, сталь з добавками ванадію 12ХМФ працює при температурах 540-560°С, а сталь 12Х1МФ (з більшим вмістом хрому) працює при температурах до 570-580°С. На рис. 277 показано змінення границь повзучості і тривалої міцності для цих сталей в залежності від температури.

Оптимальною термічною обробкою являється нормалізація або загартування з температури нагріву 970-980°С і відпускання при температурі 650-750°С з витримкою 2-3 год. Структура - близька до рівноважної - сорбітоподібний перліт і надлишкові карбіди. Легуючі елементи (молібден та хром), знаходячись розчиненими у фериті, перешкоджають дифузійним процесам, підвищують температуру рекристалізації, викликають дисперсійне твердіння і стабілізують субструктуру зерен. Ванадій (ніобій), утворюючи стійкі карбіди, подрібнює зерно і зміцнює матрицю вцілому. Всі елементи підвищують- жароміцність. Сталі не жаростійкі (Сг до 0,9-1,2%), тому їх неможна застосувати при температурах вище 560-580°С.

В умовах тривалої експлуатації в перлітних сталях може виникнути крихкість, знизитись жароміцність. Це пов'язано з тим.

Таблиця 29. Хімічний склад і робоча температура деяких теплостійких сталей (ГОСТ 20072-74)

	Склад елементів,%							Темпе- рагура експлуатації, °С
Марка сталі	С	Мп	5і	Сг	Мо	V	ІНШІ
І2МХ	0.09-0,16	0,4-0,7	0.15-0,30	0,4-0,6	0.4-0.6			500-510
12ХМФ	0.08-0,15	0.4-0,7	0,15-0,35	0.4-0.6	0,25-0,35	0,15-0,30		550-560
15ХМ і	0,11-0.15	0.4-0,7	0.17-0.37	0.8-1.1	0,4-0.6			520-530
20ХМ	0.15-0,25	0,4-0,7	0,17-0,37	0.8-1,1	0.15-0.25			520-530
12ХІМФ	0,08-0,15	0.4-0.7	0.17-0.37	0,9-1,2	0,25-0,35	0,15-0,30		570
І5Х1М1Ф	0,10-0.16	0.4-0.7	0,15-0.35	1,1-1,4	0,9-1,1	0.2-0,35		580
12ХНМФ	0,08-0,15	0,4-0,7	0,15-0,30	0,4-0,6	0,25-0,35	0,15-0,30	(0,4-0,81 N1	550-560
12Х2МФСР	0,08-0,15	0,4-0,7	0,4-0,7	1,6-1,9	0.5-0,7	0,20-0.35	(0.002- 0,005) В	580-600
15Х2М2ФБС	0,13-0.18	0,5-0,8	0,7-1,0	1,8-2,3	1,2-1,5	0,25-0,4	(0,5-0,81 N6	580-600
20ХМЛ	0,15-0,25	0,4-0,7	0,17-0,37	0,4-0,7	0.40,6			500-510
20ХМФЛ	0,18-0,25	0,4-0,7	0.17-0,37	0,9-1,2	0,5-0,7	0,2-0,3		510-540
15Х1МІФЛ	0.14-0.20	0.4-0,7	0,15-0,37	1,2-1,7	■ 1,0-1,2	0,25-0,4		570
25Х2М1Ф	0,22-0,29	0.4-0.7	0,17-0,37	1,5-1,8	0,25-0,35	0,15-0,30	—	525-550
І5Х5ВФ	<0.15	<0.5	0,3-0,6	4,5-6,0		0,4-0.6	(0.4-0.7) XV	600

/ к

т

/ —				К і |!
■	—			\ктг
					\=- -ГТ) і і ^ >
ІіО	С Г.І				1 і—

80

и

Р

1% за

ис. 277. ^гРаниці тривалої міцності за 100000 год. (1) і границі повзучеє ЮОООО год. (2) при різних температурах для сталей: а) 16М; б) 12МХ; в) 12ХМФ; г) 12Х1МФ

що поступово йдуть процеси виділення карбідів із феритної матриці, змінення їх складу і коагуляція. Твердий розчин збіднюється молібденом. Можлива графітизація, яка може привести до аварійного руйнування. Легування ванадієм, а також відпускання після нормалізації, збільшують термічну стійкість карбідів і стабілізують властивості матеріалу.

Теплостійкі сталі з підвищеним вмістом вуглецю (0,25-0,30%), наприклад, 25Х2НМФА, 32ХМ1А, використовуються для виготовлення валів і зварнокованих роторів потужних парових турбін (рис. 278). Такі сталі за жароміцністю поступаються сталям з вмістом вуглецю 0,12-0,15%, і тому для них встановлені максимальні температури тривалої експлуатації 525-565°С. Нікель вводиться для підвищення прогартовуваності і в'язкості. Деталі з цих сталей підпадають загартуванню з температур ~900°С в маслі і високому відпусканню при температурах до 670°С. Структура - зернистий сорбіт і вкраплення надлишкових карбідів.