- •О. В. Климов, ю. І. Кононенко, в. Л. Грешта сталі та сплави з особливими властивостями
- •1 Визначення структурних класів заданих марок легованих сталей з використанням діаграм рівноваги та перетворення переохолодженого аустеніту
- •1.1 Вплив легувальних елементів на структуру сталі
- •1.2 Класифікація легованих сталей
- •2 Зносостійкі матеріали
- •2.1 Види зносу та шляхи підвищення зносостійкості
- •2.2 Матеріали з високою твердістю поверхні
- •2.2.1 Матеріали, стійкі до абразивного зносу
- •2.2.2 Матеріали з високим опором зносу від втоми
- •2.2.3 Графітизовані сталі
- •2.2.4 Матеріали стійкі до зносу в умовах високого тиску та ударних навантажень
- •2.3 Антифрикційні матеріали
- •2.4 Фрикційні матеріали
- •3 Корозійностійкі матеріали
- •3.1 Види та механізми корозії
- •3.2 Корозійностійкі матеріали
- •3.2.1 Атмосферокорозійностійкі низьколеговані сталі (акс)
- •3.2.2 Корозійностійкі сталі (кс)
- •3.2.2.1 Особливості хімічного складу та структури неіржавіючих сталей
- •3.2.2.2 Крихкість корозійностійких сталей
- •3.2.2.3 Корозійностійкі сталі, що підлягають термічному зміцненню
- •3.2.2.4 Корозійностійкі сталі, які не зміцнюються термічною обробкою
- •3.2.3 Сплави на залізонікелевій та нікелевій основі
- •3.2.4 Титан та його сплави
- •3.2.5 Алюміній та його сплави
- •3.2.6 Мідь та її сплави
- •3.2.7 Тугоплавкі метали
- •3.2.8 Благородні метали
- •3.2.9 Неметалеві матеріали
- •4 Матеріали стійкі до впливу температури та зовнішнього робочого середовища
- •4.1 Жаростійкі матеріали
- •4.1.1 Принципи легування жаростійких сталей
- •4.1.2 Феритні хромисті та хромоалюмінієві сталі
- •4.1.3 Мартенситні та мартенсито-феритні хромокремнієві сталі
- •4.1.4 Аустенітні сталі та сплави на залізонікелевій та нікелевій основі
- •4.1.5 Інші матеріали
- •4.2 Жароміцні матеріали
- •4.2.1 Особливості хімічного складу та структури жароміцних матеріалів
- •4.2.2 Класифікація жароміцних матеріалів
- •4.2.3 Помірно жароміцні сталі перлітного та мартенситного класів
- •4.2.3.1 Перлітні сталі
- •4.2.3.2 Хромисті сталі мартенситного та мартенсито-феритного класу
- •4.2.4 Жароміцні сталі аустенітного класу
- •4.2.4.1 Гомогенні сталі
- •4.2.4.2 Сталі з карбідним зміцненням
- •4.2.4.3 Сталі з інтерметалідним зміцненням
- •4.2.5 Жароміцні сплави на залізонікелевій та нікелевій основі
- •4.2.5.1 Залізонікелеві сплави
- •4.2.5.2 Сплави на нікелевій основі
- •4.2.6 Жароміцні сплави на основі кобальту
- •4.2.7 Інші матеріали
- •4.2.7.1 Помірно жароміцні матеріали
- •4.2.7.2 Жароміцні сплави на основі важкотопких елементів
- •4.2.7.3 Композиційні жароміцні матеріали
- •4.3 Холодостійкі матеріали
- •4.3.1 Критерії холодостійких матеріалів
- •4.3.2 Холодостійкі сталі
- •4.3.2.1 Холодостійкі сталі кліматичного холоду
- •4.3.2.2 Сталі для кріогенної техніки
- •4.3.2.2.1 Аустенітні сталі
- •4.3.2.2.2 Нікелеві низьковуглецеві сталі
- •4.3.2.3 Ливарні сталі
- •4.3.3 Залізонікелеві сплави
- •4.3.4 Сплави кольорових металів для кріогенної техніки
- •4.3.4.1 Алюміній та його сплави
- •4.3.4.2 Титан та його сплави
- •4.3.4.3 Мідь та її сплави
- •4.3.5 Холодостійкі неметалеві матеріали
- •5 Матеріали з особливими фізичними властивостями
- •5.1 Провідникові матеріали
- •5.1.1 Електричні властивості провідникових матеріалів
- •5.1.2 Провідникові матеріали
- •5.1.2.1 Метали та сплави з високою провідністю
- •5.1.2.2 Припої
- •5.1.2.3 Надпровідники
- •5.1.2.4 Контактні матеріали
- •5.1.2.5 Сплави з підвищеним електричним опором
- •5.1.2.6 Матеріали для термопар
- •5.2 Матеріали з особливими магнітними властивостями
- •5.2.1 Особливості процесів намагнічування матеріалів у зовнішньому магнітному полі
- •5.2.2 Магнітом’які матеріали
- •5.2.2.1 Низькочастотні магнітом’які матеріали
- •5.2.2.2 Високочастотні магнітом’які матеріали
- •5.2.3 Магнітотверді матеріали
- •5.3 Сплави з особливими тепловими властивостями
- •5.3.1 Сплави з заданим температурним коефіцієнтом лінійного розширення
- •5.3.2 Сплави з заданим температурним коефіцієнтом модуля пружності
- •5.4 Матеріали з ефектом пам’яті форми
- •5.4.1 Механізм ефекту пам’яті форми
- •5.4.2 Сплави з ефектом пам’яті форми
- •5.4.3 Застосування сплавів з ефектом пам’яті форми
- •5.5 Радіаційностійкі матеріали
- •5.5.1 Радіаційні дефекти та властивості матеріалів
- •5.5.2 Основні компоненти сучасного ядерного реактору
- •5.5.3 Радіаційностійкі матеріали
- •Література
- •6.050403 «Інженерне матеріалознавство»
4.1.4 Аустенітні сталі та сплави на залізонікелевій та нікелевій основі
Як жаростійкі сталі аустенітного класу головним чином використовують хромонікелеві сталі. Ці сталі не мають суттєвих переваг по жаростійкості перед високохромистими сталями феритного класу, але вигідно відрізняються від них за рівнем механічних властивостей, в тому числі й жароміцних, технологічності (здатності до глибокого витягування, штампування, зварюваності), також вони є менш схильними до окрихчування після тривалих витримок при високих температурах.
Недоліком сталей цього класу є їх порівняно висока вартість, використання в великих кількостях дефіцитного нікелю, низькі теплопровідність та опір газовій корозії в середовищах, що містять сірку.
Універсальні аустенітні сталі типу 18-8, в тому й числі 08Х18Н9Т, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, використовують як жаростійкий матеріал для вихлопних систем, труб, листових та сортових деталей, котрі експлуатуються при температурах 600…800 °С та невисоких навантаженнях.
Підвищення жаростійкості аустенітних сталей досягається збільшенням вмісту в сталі хрому, нікелю, а також додатковим легуванням кремнієм.
Як згадувалося вище, збільшення вмісту таких феритостабілізаторів, як хром та кремній, потребує для збереження аустенітної структури значного підвищення вмісту нікелю. Так, в сталях з 22…25 % Cr має міститися не менше 17…20 % Ni (при вмісті вуглецю 0,1…0,2 % (наприклад, сталь 10Х23Н18). При збільшенні вмісту Cr до 24…27 % та введенні 2…3 % Si необхідно мати в сталі 19…21 % Ni (сталь типу 20Х25Н20С2). Тому сталі 20Х20Н14С2 та 08Х20Н14С2 відносяться до аустеніто-феритного класу (див. табл. 4.1).
Відмітимо, що розглянуті сталі є схильними до окрихчування завдяки утворенню σ-фази в інтервалі 600…800 °С.
Як жаростійкі матеріали для роботи в навуглецювальних середовищах до 1100 °С (наприклад, пічні контейнери та арматура) використовують сталі з підвищеним вмістом вуглецю (сталь 36Х18Н25С2). Іноді для стабілізації аустенітної структури та часткової заміни нікелю вводять марганець (6…10 %) та азот (0,3…0,4 %), наприклад, в сталі 12Х25Н16Г7АР, 55Х20Г9АН4. Термічна обробка аустенітних жаростійких сталей зазвичай полягає в гартуванні від температур 1000…1050 °С.
Більш надійними та майже не схильними до окрихчування жаростійкими сплавами підвищеної жароміцності, що володіють високими технологічними властивостями, є залізонікелеві сплави з добавками молібдену (до 3,3 %), вольфраму (до 3,5 %), титану (до 1,2 %), наприклад сплави ХН38ВТ та ХН28ВМАБ (табл. 4.1), які широко використовують в авіаційній промисловості (камери згоряння, жарові труби).
Позитивний вплив на довговічність та працездатність нікельхромових сплавів має мікролегування їх лужноземельними та рідкоземельними металами (Са, Mg, Ce, Th при вмісті до 0,1…0,3 %). Їхній вплив зазвичай пов’язують з рафінуючою дією на шкідливі домішки. Так, встановлено, що при введенні Са, Mg, Ce сірка зв’язується в важкотопкі сульфіди.
Для відповідальних деталей (камер згорання, жарових труб та ін.) в газотурбобудуванні використовують сплав ХН60ВТ (ЭИ868), табл. 4.1, що містить 25 % Cr та 15 % W; додавання останнього значно підвищує жароміцність γ-твердого розчину без помітного зменшення пластичності та технологічності сплаву.
Типова термічна обробка цих сплавів, які можна віднести до сплавів з невисоким рівнем дисперсійного зміцнення, полягає в гартуванні від 1100…1120 °С з охолодженням на повітрі. Дисперсійне зміцнення їх відбувається в процесі експлуатації при робочих температурах (800…1000 °С). Сплави на залізонікелевій основі мають після гарту невисокі властивості міцності (σв=550…700МПа) та задовільну пластичність (δ=45 %).
Жаростійкі сплави на нікельхромовій основі (ніхроми) отримали значне розповсюдження як матеріали для роботи при 800…1100 °С, а при короткотривалій роботі до 1200 °С. Ці сплави використовують для виготовлення деталей газових турбін, що не випробовують високих робочих навантажень та працюють при високих температурах (камери згорання, жарові труби, нагрівальні елементи електричних печей та інших деталей).
Сплави уявляють собою в основному твердий розчин хрому в ГЦК-гратці нікелю, вони слабко зміцнюються при термічній обробці, мають високу пластичність, високий електроопір та задовільні технологічні властивості (ХН78Т, ХН60ВТ та ін., табл. 4.1).
Вміст хрому в цих сплавах звичайно складає 15…27 %. Для додаткового підвищення жаростійкості використовується алюміній (до 3,5 %). Додавання алюмінію суттєво підвищує жаростійкість та жароміцність, але знижує пластичність (особливо в інтервалі 700…800 °С) та технологічність сплавів.
Легування сплавів цього типу також має мету дещо підвищити міцність при кімнатній температурі та жароміцні властивості; це досягається введенням титану, молібдену, ніобію в невеликих кількостях, а також вольфраму. Вольфрам може бути корисним легувальним елементом, оскільки він підвищує температуру солідуса й жароміцність сплавів та майже не погіршує їх жаростійкості. Додавання цих елементів обумовлює утворення деякої кількості зміцнювальних інтерметалідних фаз [1].