11.7.1.1. Основные группы жаропрочных материалов

Перлитные (12К, 18К. 22К; буква К означает, что сталь котельная), мартенситные (15Х11МФ, 15Х12ВНМФ) и аустенитные (09Х14Н16Б, 45Х14Н14В2М) жаропрочные стали используют при 450-700^оС; по масштабам применения они занимают ведущее место среди жаропрочных материалов.

Жаропрочные сплавы на основе алюминия, магния и титана легче сталей, но менее жаропрочны. Их применяют там, где из-за повышенных эксплуатационных температур невозможно использовать обычные сплавы этих металлов и нельзя применить стали из-за более высокой плотности.

Сплавы на основе никеля (например, ХН77ТЮР) и кобальта жаропрочнее сталей. Первые применяют при 700-1000^оС, например, для деталей авиационных двигателей и газовых турбин. А вторые – дефицитны.

Тугоплавкие металлы и их сплавы (Cr, Nb, Mo, Tl, W), графит – это материалы, применяемые при температурах, выше 1000^оС в атомной энергетике и космической технике. Керамика на основе SiC, Si₃N₄ выдерживает температуры 1500-1700^оС.

11.7.2. Коррозионностойкие нержавеющие стали и сплавы

Коррозией называют разрушение металлов под действием окружающей среды.

При этом металлы часто покрываются продуктами коррозии. В результате воздействия внешней среды механические свойства металлов резко ухудшаются, иногда даже при отсутствии видимого изменения внешнего вида изделий.

Различают химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (нефть), и электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов (кислот, щелочей, солей). К электрохимической коррозии относятся так же атмосферная и почвенная коррозия.

Электрохимическая коррозия развивается в результате работы большого числа короткозамкнутых гальванических элементов, образующихся вследствие неоднородности металла (наличия различных фаз, границ зерен, включений и т.д.) или внешней среды (различная концентрация ионов в электролите, разные температуры и т.д.). Коррозия (растворение металлов) происходит в основном на анодных участках поверхности.

Существует несколько видов электрохимической коррозии. Если металл однороден (например, твердый раствор), то наблюдается равномерная коррозия, протекающая примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности металла. В неоднородном металле коррозия носит локальный характер и охватывает только некоторые участки поверхности. Эту локальную коррозию подразделяют на точечную, пятнистую, и с язвами (питтингами). Очаги пятнистой и точечной коррозии являются концентраторами напряжений. Питтинговая коррозия весьма опасна, т. к. при малых потерях массы на металле возникают глубокие местные поражения, которые могут привести к сквозным дефектам.

Наиболее опасна интеркристаллитная коррозия, распространяющая по границам зерен. При этом резко снижаются механические свойства. Сталь, пораженная интеркристаллитной коррозией, теряет металлический звук и при изгибе дает надрывы по границам зерен в местах коррозионного разрушения металла.

Различают коррозию под напряжением, которая возникает при одновременном действии коррозионной среды и напряжений растяжения. При этом разрушение происходит вследствие образования и быстрого продвижения трещины без заметной пластической деформации при напряжениях ниже временного сопротивления разрыву. Разновидностью этой коррозии является коррозионное растрескивание, т. е. образование в металле тонкой сетки трещин при воздействии коррозионной среды и напряжений.

Сталь, устойчивую против газовой коррозии при высоких температурах (свыше 55⁰С) называют жаростойкой (окалиностойкой). Стали, устойчивые против электрохимической коррозии, называют коррозионностойкими (нержавеющими).

Повышение устойчивости стали против коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и наружной агрессивной средой.

Повышение окалиностойкости достигается введением в сталь хрома, алюминия, кремния, т.е. элементов, растворяющихся в железе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr, Fe)₂O₃ , (Al, Fe)₂O₃. Введение в сталь Cr в количестве 5-8% повышают окалиностойкость до 700-750^о С (15Х5), увеличение содержания Cr до 15-17% делает сталь окалиностойкой до 950-1000^оС (например, 12Х17), а при содержании 25% Cr сталь остается окалиностойкой до 1100^оС (36Х18Н25С2). Причем, жаростойкость, в отличие от коррозионной стойкости зависит только от химического состава стали, а не от структуры.

Стали, устойчивые против электрохимической коррозии (ГОСТ 5632-72) можно разделить на 2 класса: хромистые, имеющие после охлаждения на воздухе ферритную или мартенситную структуру, и хромоникелевые с аустенитной структурой.

Хромистые коррозионностойкие стали (ферритные – 08Х13; 15Х25Т, 15Х28). Введение 2-13% Cr делает сталь устойчивой против коррозии на воздухе, в морской и пресной воде и некоторых кислотах. При увеличении содержания Cr выше15%, сталь приобретает устойчивость против коррозии в окислительных средах, в том числе в HNO₃.

Широко применяют хромистые стали (12-14 и 17-28% Cr), содержащие 0,12 – 0,15% углерода. Увеличение содержания углерода ухудшает коррозионную стойкость, т. К. ведет к образованию вместо оксидов (Cr, Fe)₂O₃, карбидов хрома – Cr₇C₃, Cr₂₃C₆ .

Коррозионная стойкость повышается термической обработкой и созданием шлифованной и полированной поверхности. Используются такие стали для изготовления хирургических инструментов, для оборудования заводов легкой и пищевой промышленности.

Недостатком ферритных сталей является то, что возникающее при перегреве крупное зерно (например, при сварке) не может быть устранено термической обработкой.

Аустенитные (хромоникелевые) корозионностойкие стали 12Х18Н9. Фазовый

состав таких сталей (0,12%С, 17-19% Cr, 8-10% Ni) в равновесном состоянии – аустенит + карбиды (Cr, Fe)₂₃C₆ + феррит.

Хромоникелевые корозионностойкие стали подвергают закалке с температуры 1100-1150^оС в воде, для получения однофазной аустенитной структуры.

В закаленном состоянии эти стали обладают наибольшей устойчивостью против коррозии. Они полностью устойчивы в пресной и морской воде, в органических, а также в азотной и серной кислотах и ряде других сред.

Закаленная сталь с аустенитной структурой имеет сравнительно невысокую прочность, пониженный предел текучести и большую пластичность ( = 550-580 Мпа, = 200-220 Мпа, = 40-45%, = 55-60%). Закаленная сталь легко штампуется и хорошо сваривается. Прочность стали повышается холодной деформацией до = 1200- 1300 Мпа, при этом пластичность понижается ( = 5%).

При нагреве аустенитной стали до 500- 700^оС из аустенита по границам зерен выделяются карбиды хрома. Поэтому концентрация Cr в твердом растворе становится меньше 12%. А это резко понижает сопротивление коррозии. Сталь приобретает склонность к межкристаллитной коррозии. Межкристаллитную коррозию можно предотвратить введением сильных карбидообразующих элементов – титана (в количестве 5хС = 0,7%, где С – содержание углерода в стали). Титан связывает углерод в стойкие карбиды TiC, что исключает возможность образования карбидов хрома и снижение его концентрации в аустените.

Высокое сопротивление межкристаллитной коррозии, хорошую пластичность и свариваемость имеют низкоуглеродистые стали 04Х18Н10 и 03Х18Н12Т, предназначенные для изготовления химической аппаратуры.

Нашли применение аустенитные стали 15Х17АГ14, 12Х17Г9АН14, в которых никель заменен марганцем и азотом (0,15-0,4% N); Mn и N стабилизируют аустенит.

Аустенитно- маргенситные коррозионностойкие стали: 09Х15Н8Ю ( 0,09% С; 14-16% Cr, 7-9 % Ni , 0,7- 1,3% Al). Эти стали наряду с хорошей устойчивостью против атмосферной коррозии обладают высокими механическими свойствами.

Аустенитно- ферритные коррозионностойкие стали: 08Х22Н6Т, 03Х23Н6, 08Х21Н6М2Т. Эти стали обладают высокими механическими свойствами, хорошей 90оррозиионной стойкостью в окислительных и окислительно-восстановительных средах, хорошей сопротивляемостью интеркристаллитной коррозии, и содержат меньше дорогостоящего Ni.