3.2.2. Жаростойкие стали
В качестве жаростойких в различных областях машиностроения используют хромистые и хромоникелевые стали таких же структурных классов, как и коррозионно-стойкие стали, – ферритного, аустенитного и мартенситного.
Стали ферритного класса (08Х17Т, 12Х17, 15Х25Т, 15Х28 и т.д.) жаростойки в атмосфере сухого воздуха и сернистых газов. При этом они нежаростойки в восстановительных средах (водород, оксид углерода). Главным недостатком ферритных сталей является охрупчивание при длительном нагреве в интервале температур 450 – 750ºС.
Стали ферритного класса применяют для изготовления теплообменников и других изделий, не испытывающих значительных нагрузок.
Стали аустенитного класса (08Х18Н9Т, 12Х18Н9, 20Х23Н18, и др.) жаростойки во всех газовых средах, кроме серосодержащих. Они обладают не только высокой жаростойкостью, но и жаропрочностью и могут применяться для выхлопных систем, деталей печного оборудования и т.д.
Поскольку стали аустенитного класса отличаются способностью к глубокой вытяжке и штамповке, то из них изготавливают такие полуфабрикаты, как листы, ленты, трубы, полосы и прутки. Главным недостатком сталей аустенитного класса является их высокая стоимость из-за присутствия дефицитного никеля. Кроме того, они имеют высокий коэффициент линейного расширения, что делает необходимым увеличение зазоров между деталями при проектировании конструкций.
Рис. 3.9. Схема сравнительной прочности и коррозионной стойкости хромоникелевых сталей различных структурных классов
Сильхромы (15X6CЮ, 40Х9С2, 40Х10С2М, 30Х13Н7С2) – жаростойкие стали мартенситного класса, легированные кремнием (1–2 %) и хромом (6–13 %). Сильхромы предназначены в основном для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания (ДВС), рабочие температуры которых не превышают 800°С. Клапана ДВС работают в сложных условиях нагружения: резкие теплосмены. Для таких условий работы требуется материал с комплексом свойств, которые обеспечиваются как легированием, так и термообработкой (рис. 3. 9). Хром и кремний обеспечивают жаростойкость сильхромов. Углерод и хром образуют карбид Cr7C3, способствующий увеличению износостойкости. Молибден вводят в сильхромы для повышения жаропрочности, уменьшения склонности к отпускной хрупкости.
Термообработка сильхромов включает либо отжиг при 850 – 870ºС, либо закалку с высоким отпуском; оба вида термообработки обеспечивают необходимый уровень ударной вязкости.
Сильхромы не содержат дорогих легирующих элементов, поэтому широко используются для клапанов автомобильных, тракторных и дизельных двигателей с воздушным охлаждением, а также для крепежных деталей моторов.
3.2.3. Жаропрочные стали
Широкое использование сталей в высокотемпературной технике при различных сочетаниях рабочей температуры, продолжительности силового воздействия и действующих напряжений объясняется возможностью изменения структурного состояния сплавов за счет легирования. Жаропрочные стали являются многокомпонентными сплавами, химический состав которых отвечает требованиям сопротивления ползучести.
Рис. 3.10. Требуемые свойства сильхромов как материалов для клапанов