3.1.1. Жаростойкие сплавы

По характеру поведения при повышенных температурах металлы можно разделить на пять групп: 1) щелочные и щелочноземельные с V_0K/V_M < 1, окисление которых происходит по линейному закону. При повышении температуры реакция окисления таких металлов может ускоряться, и, поскольку тепло экзотермической реакции окисления не успевает отводиться от поверхности, наступает возгорание металла. По возрастанию скорости окисления на воздухе эти металлы располагаются: К> Na>Li>Ва>Са>Mg;

2) основные практически используемые металлы, окисление которых происходит преимущественно по параболической зависимости, но может сопровождаться уменьшением степени n < 2 (например, при растрескивании окалины, или повышенных температурах, где иногда наблюдается переход к линейному закону окисления). При низких температурах металлы окисляются по кубическому или логарифмическому закону. По жаростойкости их условно можно расположить в последовательности Мn < Fe < Ti < Со< Zr<Cu< Ni;

3) неблагородные металлы, наиболее жаростойкие, из-за образования оксидных пленок с высокими защитными свойствами, вследствие чего их используют в качестве легирующих компонентов жаростойких сплавов и для жаростойких покрытий. Жаростойкость возрастает в ряду: Zn < Si < Be < Al < Cr;

4) металлы c летучими оксидами при повышенных температурах, скорость окисления которых определяется скоростью сублимации их оксидов. При достаточно высоких температурах образующиеся оксиды полностью теряют защитные свойства, и скорость окисления металлов определяется линейной зависимостью. Возрастание стойкости к окислению этих металлов происходит в ряду Mo< W <V <Re <Os <Ru <Ir. Несмотря на недостаточную жаростойкость этих металлов при высоких температурах Mo, W, Re, и их сплавы, имеют высокую температуру плавления и жаропрочность, почему их используют в качестве электронагревательных элементов печей, ламп накаливания, для сопел и лопаток реактивных двигателей. Вследствие низкой жаростойкости эти металлы используются с защитными покрытиями, или же в неокислительных и инертных средах, вакууме;

5) термодинамически стабильные благородные металлы, т.к. их оксиды неустойчивы и имеют высокое равновесное давление (упругость диссоциации оксида). Возрастание термодинамической стабильности происходит в ряду: Au>Pt>Ir>Pd>Ag.

Легирование является наиболее эффективным методом повышения жаростойкости. Кроме того, к современным жаростойким материалам предъявляются требования по жаропрочности, длительной прочности, усталости при знакопеременных нагрузках, и т.д. Основными жаростойкими и жаропрочными материалами являются сплавы на основе Fe и Ni. Наиболее эффективно повышают жаропрочность элементы: Cr> Al> Si (рис.2.14), образующие защитные оксидные пленки Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂. С увеличением концентрации легирующих элементов и при совместном легировании Cr, Al, Si возрастает жаростойкость сталей (рис. 3.2).

В качестве основных жаростойких материалов применяются легированные теплоустойчивые стали (группа II – III, до 9% Сr), длительно работающие в нагруженном состоянии до 600⁰С и различные высоколегированные жаростойкие стали и сплавы, основным легирующим компонентом в которых является хром.

Рис.3.2. Жаростойкость различных групп сталей: I – углеродистые, II – низколегированные, III – среднелегированные с 6% Cr, IV – высоколегированные хромистые (12 – 17% Сr), V – высоколегированные с кремнием (сильхром c 8-12% Cr, 2-3 % Si); VI – хромоникелевые аустенитные (Х18Н10), VII – высокохромистые (25-30 %Cr), воздух, 250 ч.

Дополнительное легирование Ni повышает жаропрочность сталей. Для жаропрочных сплавов на никелевой основе жаростойкость обеспечивается легированием Сr. Легирование Mo, W, Co, а также Ta, Nb ухудшает жаростойкость, но повышает жаропрочность сплавов (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Влияние содержания легирующих элементов на относительную скорость окисления (К_спл/К_М) никеля при 600-1400⁰С.

Основные жаростойкие и жаропрочные материалы приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Некоторые жаростойкие и жаропрочные материалы.

Название/ марка		Состав, %		Температура эксплуатации, (мах) 0С			Применение	Структура сплава
				По жаростойкости		по жаропрочности
Углеродистые стали
БСт1-БСт3 и др.		Fe(0,1-0,3)С		500		430	Листы котельных топок	феррит
Теплоустойчивые стали
12МХ				510		570	Трубы пароперегревателей, паропроводы	перлит
12Х1МФ				570		600	То же	То же
18Х3МВ				500		600	Трубы гидрогенизационных установок	То же
15Х5				600		650	Трубы, подвески котлов	мартенсит
15Х5М				600		650	Корпуса аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов	То же
12Х8ВФ				500		650	Трубы печей и коммуникаций	То же
Высоколегированные стали и сплавы
40Х9С2				850		650	Клапаны автомобильных моторов	мартенсит
40Х10С2М				850		650	То же	То же
12Х13				750		500	Детали турбин, котлов	мартенсит-феррит
08Х17Т				900			То же	феррит
15Х25Т				1050			Детали термопар, теплообменники	То же
15Х28				1150			То же	То же
08Х20Н14С2				1050			Трубы	аустенит-феррит
12Х18Н9Т				850		800	Трубы, печная арматура, муфели	аустенит
12Х18Н12Т				850		800	То же	аустенит
36Х18Н25С2				1100		1000	Клапаны моторов	То же
55Х20Г9АН4				950			То же	То же
20Х23Н18				1050		1000	Установки конверсии метана, пиролиза	То же
12Х25Н16Г7АР				1050		950	Газопроводные системы	То же
Сплавы на железоникелевой основе
Х15Н60 (нихром)				1100		650	Проволока, ленты нагревателей
ХН38ВТ				900		650	Детали газовых систем, турбин
ХН45Ю				900		650	Детали печей обжига, турбин
Сплавы на никелевой основе
ХН60Ю				900		750	Детали газовых систем, турбин
ХН70Ю				950		1050	То же
ХН78Т				950		1050	То же + трубы
ХН75МБТЮ				950		1050	То же
ХН80ТБЮ				700		1050	Лопатки турбин, крепеж
Кобальтовые сплавы
Виталиум		Co30Cr3Ni5Mo1		1200		800	Лопатки турбин	Аустентная
		Co23Cr6Ni6Mo2Ta		1100		850	То же	То же
Чугуны
СЧ 15-32	Fe2Si3C				550	400	Неответственные детали	Феррито-графитная
Нирезист	Fe3Cr14Ni2Si2C6Cu2Mn				600	550	Повышенные нагрузки	Аустенито-графитная
СЧ 21- 40	Fe8Si2C				850	450	Печная арматура	Феррито-графитная
Х34	Fe34Cr2Si2C				1100	600	То же с повышенными нагрузками	Феррито-карбидная

Примечание. Выделены материалы, используемые преимущественно в качестве жаропрочных с длительным режимом работы (50000 – 100000 ч).

В качестве других мер повышения жаростойкости используется изменение структуры материала. Так, для теплоустойчивых Cr-Mo сталей типа 12ХМ, 12Х1МФ – это стабилизация карбидной фазы и упрочняющая термообработка на более жаростойкую бейнитную структуру. Для аустенитных сталей типа Х18Н10, содержащих 5 – 15 % феррита, используют аустенизацию, поскольку аустенитная структура более жаростойка, и т.д.