книги из ГПНТБ / Ромадин К.П. Материаловедение [учебное пособие]

компрессора, ответственных шестерен, болтов и шпилек. Сталь

меньшей прокаливаемостью. Применяется она для изготовления коленчатых валов, валов винта, шатунов, двигателя воздушного

охлаждения, ответственных болтов и шпилек, массивных и си­ ловых деталей реактивных двигателей.

ѴІП. ХРОШШАРГАНЦЕВОКРЕМНИСТАЯ СТАЛЬ (ХРОМАНСИЛЬ)

Хромомарганцевокремнистая сталь (хромансиль) является основной самолетной сталью. Она обладает высокими механиче­ скими свойствами и хорошей свариваемостью, но чувствительна

к мартенситному классу, так как при охлаждении на воздухе 500—550°, а затем уже переносят в печь с температурой 880°, т. е.

нагревают ступенчато. Охлажде­

ние стали хромансиль при закал­ ке производится в масле или в

гать и сварные конструкции, так как в зоне сварного шва обра­

зуется литая структура, обладающая пониженной прочностью.

Характерными дефектами стали хромансиль является обез­

углероживание и закалочные или сварочные трещины.

Обезуглероживание происходит при наличии окислительной

атмосферы в печи во время нагрева стали, что особенно опасно

для деталей тонкого сечения (листов и труб). На поверхности

обезуглероженных деталей образуется слой феррита (фиг. 74). Для предохранения стали от обезуглероживания рекомендуется

в печь вводить древесный уголь, что создает восстановительную атмосферу; на нефтяных печах работать с коптящим пламенем;

90

Состав и свойства сталей хромансиль

914

Сталь ЗОХГСНА по сравнению со сталью ЗОХГСА обладает повышенной вязкостью и пластичностью; она хорошо сваривает­

•температуре ниже 200° во время охлаждения стали после ковки или прокатки).

Детали, изготовленные из стали ЗОХГСНА, с пределом проч­

ности ниже 160 кг/'мм2, обязательно должны подвергаться изо­

термической закалке, которая способствует получению высоких

и морской воде, растворах солей, щелочей и некоторых кислотах при комнатной и повышенных температурах.

Основным легирующим элементом нержавеющих сталей яв­ ляется хром, образующий на поверхности стали тонкую окис­ ную пленку Al2O3, которая и предохраняет сталь от коррозии. Введение никеля в выс'окохромистые стали значительно улучша­ ет коррозионную стойкость. В настоящее время существует Два

основных типа нержавеющих сталей: нержавеющие хромистые

и нержавеющие хромоникелевые стали.

Наиболее распространенными нержавеющими хромистыми

■сталями являются стали марок Ж1, Ж2 и ЖЗ. Они содержат в среднем 13% хрома и соответственно 0,1; 0,2 и 0,3% углерода.

Эти стали обладают наилучшими механическими свойствами

после закалки и последующего отпуска, наивысшей коррозион­

ной стойкостью — после закалки и последующей полировки. Нержавеющие хромистые стали являются кислотоупорными только в азотной кислоте. Соляная и серная кислоты их раство­

ряют. При высокой температуре они устойчивы против окисле­

ния до 700°.

Эти стали удовлетворительно свариваются газовой и дуговой

сваркой. В отожженном состоянии стали марок Ж1 и Ж2, обла­

дая высокой пластичностью, допускают глубокую вытяжку и другие виды холодной деформации.

Сталь Ж1 применяется для изготовления деталей авиацион­

ных приборов и деталей реактивных двигателей, работающих на

удар при наличии коррозионного воздействия.

92

Сталь Ж2 применяется для изготовления карбюраторных

игол, втулок, шестерен авиационных приборов, деталей аппара­

туры непосредственного впрыска топлива и лопаток компрес­ сора.

Сталь ЖЗ применяется для изготовления пружин, работаю­ щих при температурах до 300—500° и других деталей, приборов,

предназначенных для работы на износ при наличии коррозион­

ного воздействия и высоких напряжений.

Нержавеющие хромоникелевые стали, являющиеся сталями аустенитного класса, широко применяются в авиации, в маши­ ностроении, в нефтяной и химической промышленности, в архи­ тектуре и в быту. В настоящее время они являются важнейшими

нержавеющими сталями. В табл. 11 приведены состав и свойст­

ва основных хромоникелевых нержавеющих сталей.

Хромоникелевые нержавеющие стали обладают высокой пла­

стичностью, хорошо прокатываются в холодном состоянии, хоро­

шо свариваются всеми видами сварки. Однако после сварки

методами плавления сталь рекомендуется закаливать. В зака­

ленном состоянии эти стали обладают высокой коррозионной стойкостью. Кроме того, они не разъедаются азотной, серной и

фосфорной кислотами. В соляной кислоте они мало устойчивы.

После закали сталь приобретает аустенитную структуру. Дру­ гим видам термической обработки эти стали не подвергаются;

упрочняются они нагартовкой.

Медленное охлаждение с высоких температур или нагрев

стали до температур 500—750° приводит к выделению карбидов

по границам зерен аустенита, которые вызывают межкристал­ литную коррозию.

Склонность хромоникелевых нержавеющих сталей к меж­ кристаллитной коррозии устраняется введением в сталь титана

или ниобия, содержание которых находится в прямой зависимо­

сти от содержания углерода. Необходимо, чтобы весь углерод,

находящийся в стали, был связан титаном или ниобием. Нио­

бий — более дефицитный элемент, чем титан, но он не выгора­

ет при сварке. Поэтому ниобий рекомендуется вводить в хромо­

никелевые нержавеющие стали для сварных конструкций. Если в сталь ввести алюминий, то в результате обработки холодом и последующего старения она сильно упрочняется.

Стали Я1 и Я2 применяются для изготовления деталей и эле­

ментов конструкций летательных аппаратов, изготовляемых из

холоднокатанных листов и лент, соединяемых точечной электро­

сваркой.

Сталь ЯIT применяется для изготовления выхлопных коллек­ торов и патрубков, сопловых аппаратов и газопроводов турбо­ компрессоров, а также сварных деталей и изделий, работающих

в условиях влажной среды.

95.

Сталь марки ЭИ402 применяется Для изготовления деталей

реактивного сопла и конуса, деталей, работающих при неболь­

ших напряжениях и температурах не выше 850°, а также дета­

лей, стойких в азотной кислоте.

Сталь СН2 применяется для изготовления обшивок и внут­ реннего набора изделий разового и многократного действия, ра­

ботающих в контакте с атмосферой и топливом.

94

X. жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочностью называется способность металлов и спла­

вов сопротивляться началу и развитию пластической деформа­

ции и разрушению под действием постоянных нарузок при вы­ соких температурах.

Жаростойкостью называется способность металлов и сплавов

в течение длительного времени сопротивляться окислению (га­

зовой коррозии) при высоких температурах.

К сталям и сплавам, работающим при высоких температу­ рах, предъявляются одновременно требования жаропрочности и жаростойкости.

Высокая жаропрочность стали достигается путем легирова­ ния ее главным образом хромом, никелем, молибденом, воль­

фрамом, титаном, ниобием, ванадием, кобальтом, алюминием. Одна группа этих элементов — хром, никель, молибден, воль­

фрам, кобальт — образует с железом твердые растворы, обла­

дающие высокой жаропрочностью. Никель является одним из главных легирующих элементов жаропрочных сплавов. Совмест­

ное присутствие хрома и никеля обеспечивает получение устой­

чивой аустенитной структуры. Присадка вольфрама и молибде­

на, повышающих температуру рекристаллизации, ведет к увели­

чению жаропрочности. Причиной повышения температуры ре­

кристаллизации, а следовательно, и жаропрочности является

высокая температура плавления молибдена и вольфрама.

Углерод, связывая молибден и вольфрам в карбиды, умень­

шает количество этих элементов в твердом растворе. Поэтому

прибавление таких элементов, как титан и ниобий, которые свя­

зывают углерод, приводит к увеличению жаропрочности.

Другая группа элементов — хром, молибден, вольфрам, нио­

бий, титан, алюминий и ванадий — образует металлические (хи­

мические) соединения, которые сохраняют высокие механиче­

ские свойства сплавов при повышенных температурах. Кроме то­ го, они участвуют в процессах термической обработки.

Высокая жаростойкость стали достигается путем легирова­

ния ее такими элементами, которые при высоких температурах на поверхности стального изделия образуют плотную (прочно

прилегающую к металлу) защитную пленку окислов. Такими

элементами являются хром (Cr2O3), алюминий (Al2O3) и крем­

ний (SiO2).

В качестве жаростойких получили распространение хроми­

стые стали, содержащие от 12 до 30% хрома. Чисто алюминие­ вые и чисто кремнистые жаростойкие стали не применяются, но

добавление к хромистым сталям алюминия до 5% и кремния до

3% широко практикуется.

Следовательно, материалы, идущие на изготовление лопаток и дисков газовой турбины, камеры сгорания и соплового аппара­

та, должны легироваться такими элементами, которые повыша-

95

ют и жаропрочность (хром, никель, молибден, вольфрам, титан,

ниобий, кобальт, алюминий) и жаростойкость (хром, алюминий,

кремний). Для краткости эти материалы в дальнейшем будем

называть жаропрочными.

Для изготовления деталей современных реактивных двига­

телей в качестве жаропрочных материалов применяются сплавы

на основе железа, сплавы на основе никеля и сплавы на основе кобальта.

В табл. 12 приведен состав, а в табл. 13 — свойства неко­

торых наиболее распространенных в авиастроении жаропрочных сталей.

Таблица 12

Состав жаропрочных сталей

Содержание элементов, % (среднее)

ния. соплового венца и деталей соплового раструба реактивных двигателей. Повышенное содержание хрома и никеля по сравне­

пластичностью, что допускает глубокую вытяжку. Сталь хоро­

шо сваривается всеми видами сварки.

Сталь ЭИ481 применяется для изготовления турбинных дис­

ков. силовых колец и крепежных деталей газовых турбин реак­

тивных двигателей. Хорошая жаропрочность и нечувствитель­ ность к надрезам у дисков из этой стали достигается двойным

отпуском. Первый отпуск при 650—700° повышает предел теку­ чести стали, а второй отпуск при 780—800° снижает напряже­ ние и уменьшает чувствительность к надрезам. Отпуску при

780—800° подвергается только периферийная часть дисков.

В процессе отпуска сталь упрочняется за счет дисперсионных выделений карбидов хрома Сг2зС8 и карбидов ванадия VC.

96

Предел длительной прочности этой стали за 100 часов при температуре 600° равен 50 кг/мм2, при 700° — 28 кг[мм2, а при

800° — 14 кг/мм2.

Таблица 13

Свойства жаропрочных сталей

Сталь ЭИ589 применяется для изготовления лопаток газовых турбин, работающих при температурах до 750°. Никелирование

и алитирование поверхности лопаток защищает их от газовой

коррозии до температуры 850°. Лопатки после закали с темпе­ ратуры 1200° подвергаются двойному старению. Первое старе­

ние производится при температуре 650° в течение 16 часов с ох­

лаждением на воздухе и дополнительное старение при темпера­

туре 800° в течение 10 часов. Предел длительной прочности

этой стали за 100 часов при температуре 600° равен 50 кг/жад2,.

при 750° — 25 кг!мм2, а при 850° — 14 кг/мм2.

Сталь ЭИ703 применяется для изготовления жаровых труб,,

камер сгорания и форсажных камер. При высокой температуре эта сталь обладает высокой пластичностью и имеет высокую

жаропрочность.

После закалки с 1120—1150° с охлаждением на воздухе

сталь обладает умеренной прочностью и высокой пластичностью.

В холодном состоянии она хорошо штампуется. Сталь хорошо сваривается аргонодуговой и контактной сваркой.

Предел длительной прочности этой стали за 100 часов при

температуре 800° равен 8 кг/мм2, а при 900° — 3 кг/мм2.

Сталь обладает высокими свойствами жаростойкости; при

100-часовых испытаниях на газовую коррозию в воздушной сре­ де при IlOOo привес составляет 0,4238 г/м2час.

Сталь 21-11-2,5 применяется в литом виде. Из этой стали изготовляют кольцевые детали корпуса турбины, соплового ап­

парата диаметром до 850 мм и лопатки соплового аппарата ре­ активного двигателя.

Для получения однородной структуры, устранения внутрен­

них напряжений и улучшения характеристик прочности и пла­

стичности литые детали подвергаются нормализации при темпе­

ратуре 1050—HOOo в течение 6 час. Сталь удовлетворительно

обрабатывается резанием как в сыром, так и в термически обра­ ботанном состоянии. Хорошо сваривается. Отдельные дефекты

Сталь обладает высокой жаростойкостью. Начало интенсивного

окисления наблюдается только при температуре выше 1000°.

Как было сказано выше, для изготовления деталей современ­

ных реактивных двигателей в качестве жаропрочных материа­ лов, помимо сплавов на железной основе, также применяются

сплавы на основе никеля и на основе кобальта.

Первые три сплава на ¡никелевой основе являются деформи­ руемыми сплавами. Они подвергаются закалке и старению. Если

закаленный сплав марки ЭИ437Б, имеющий структуру твердого раствора, в течение длительного времени выдерживать при тем­

98

пературе 650—850°, то в сплаве будут происходить процессы,

которые приведут к изменению его механических свойств. Объ­ ясняется это тем, что получившийся после закалки твердый

раствор является сильно пересыщенным благодаря наличию ти­

тана и алюминия. Поэтому такой раствор неустойчив и с тече­

нием времени в нем совершаются процессы, связанные с его

старением (распадом).

На фиг. 75 приведены кривые старения сплава ЭИ437Б. Они показывают, что чем ниже температура выдержки, тем медлен­

нее идет процесс изменения твердости сплава при его старении. При температуре старения, равной 850°, через 1—2 часа дости­

гается наибольшая твердость сплава. При дальнейшей выдерж­ ке кривая старения начинает снижаться, происходит разупроч­ нение. Жаропрочность такого сплава ухудшается.

Таким образом, при помощи закалки и последующего старе­ ния или, как говорят, дисперсионного твердения, сплаву ЭИ437Б

можно придать оптимальные свойства.