9.3.2. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы.

Жаростойкость (окалиностойкость) - это способность металла сопротивляться окислению при высоких температурах.

Жаропрочность – это сопротивление металла ползучести, (изменение размеров при постоянной нагрузке) и разрушению в области высоких температур при длительной нагрузке.

Жаростойкие стали и сплавы. При повышении температуры скорость окисления металлов возрастает. Железо при температурах выше 570°С образует оксиды (FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃), не защищающие поверхность металла от воздействия кислорода.

Окалиностойкость сталей достигается легированием хромом, алюминием или кремнием. Эти элементы образуют на поверхности стали плотные оксиды Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂, затрудняющие окисление.

Для работы до 800°С применяют хромистые стали (12Х17, 15Х25Т). Для эксплуатации при более высоких температурах используют хромоникелевые стали (20Х23Н13) и сплавы на основе никеля (ХН45Ю – 44…46% Ni, 15…17% Cr, 2,9…3,9% Al, ост. – Fe). Жаростойкие стали и сплавы применяют для изготовления печного оборудования, деталей газотурбинных установок.

Жаропрочные стали и сплавы. При повышении температуры межатомные связи ослабевают и металлы разрушаются при напряжениях значительно более низких, чем при комнатной температуре. Разрушение происходит в результате ползучести.

Жаропрочность характеризует сопротивление материала ползучести. Ползучесть развивается при температуре, превышающей температуру рекристаллизации, и напряжении выше предела текучести. Таким образом, жаропрочность тем выше, чем выше температура рекристаллизации (Т_р) которая, в свою очередь, зависит от температуры плавления металла (Т _пл):

Т _р = αТ _пл, К, для технически чистых металлов α = 0,3...0,4, для сплавов α = 0,6...0,8.

Повышение жаропрочности достигается применением металлов с высокой температурой плавления (тугоплавких), а также сплавов – за счет увеличения коэффициента α. Высокие значения α (0,6…0,8) характерны для твердых растворов.

В качестве жаропрочных материалов используют:

• стали: при работе до 600°С – на основе Fe_a; до 850°С - на основе Fe_γ (аустенитные, легированные никелем – около 18%);

• сплавы: для работы до 950°С - на основе никеля или железо-никелевые.

Используются также стали с содержанием около 0,4%С, легированные хромом и кремнием, – сильхромы (40Х9С2, 40Х10С2М). Их отличительной особенностью является высокое сопротивление окислению, что обеспечивается высоким содержанием хрома и кремния. Сильхромы используют для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания.

Аустенитные стали (12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т) применяют для деталей, работающих при температурах до 850°С.

Для работы при более высоких температурах применяют сплавы на железно-никелевой (ХН35ВТ, содержащий, в среднем, Cr – 15%, Ni –35%, W – 3,0%, Ti -1,3%, Fe – ост) или никелевой основе (ХН77ТЮР – Cr – 20%, Ti –2,7%, Fe до 1,0%, Mn до 0,4%, Ni – основа).

9.3.3. Износостойкие стали.

Износостойкость очень сильно зависит от условий, в которых работают пары трения. Для разных условий это могут быть разные стали.

Стали высокой твердости весьма эффективны при работе в условиях абразивного износа, когда износ происходит за счет микрорезания твердыми частицами материала, работающего в паре с деталью, износостойкость которой необходимо повысить.

Высокие значения твердости могут быть достигнуты при использовании целого ряда сталей и технологий их упрочнения.

Объемной или поверхностной закалке подвергают стали с высоким содержанием углерода – инструментальные (У10, У12, 8ХФ и др.) , объемной – шарикоподшипниковые ШХ15, ШХ15СГ.

Высокая твердость поверхностных слоев (именно они сопротивляются износу) может быть достигнута применением химико-термической обработки – цементации, азотирования с использованием соответствующих сталей.

Аустенитная стали, склонные к наклепу, эффективны при работе в условиях высоких давлений и динамических нагрузок. Под действием пластической деформации, возникающей при трении, поверхность материала наклепывается, что приводит к снижению изнашивания. К сталям такого типа относится сталь Гадфильда (110Г13Л), в которой содержится 1,1% углерода и 13% марганца. Структура стали в литом состоянии - аустенит и карбиды (Fe,Mn)₃C. Максимальная износостойкость этой стали достигается в результате закалки от температуры 1050…1100°С с охлаждением, в воде.

После закалки твердость стали невысокая – 180…200 НВ. В процессе эксплуатации под действием высоких давлений и ударных нагрузок происходит упрочнение в результате наклепа. Сталь применяется для изготовления деталей, работающих в условиях изнашивания при высоких давлениях и ударных нагрузках, например, для траков гусеничных машин, черпаков экскаваторов, трамвайных крестовин и т.д. При отсутствии значительных нагрузок, вызывающих наклеп, повышения износостойкости этой стали не происходит.

Сталь 110Г13Л плохо обрабатывается резанием. Изделия из нее получают методами литья или, реже, горячей пластической деформацией.