Хромистые и хромоалюминиевые стали ферритного класса

Эти стали содержат 13-28% хрома и при достаточно низком содержании углерода или при легировании их ферритообразующими элементами, имеют однофазную ферритную структуру. К этой группе сталей относятся 12Х17, 15Х25Т, 15Х28, 05Х23Ю5, 05Х27Ю5, 10х13Ю4 и др. Эти стали применяют для изготовления теплообменников, деталей для аппаратуры химических производств, печного оборудования и печных изделий, не испытывающих значительных нагрузок и работающие при высоких температурах значительное время.

Хромоалюминиевые стали (хромали) главным образом применяют в виде ленты и проволоки, используемой в качестве нагревательных эле­ментов бытовых приборов, печей, реостатов и окалиностойких труб и арматуры. Они имеют высокое омическое сопротивление в широ­ком интервале температур. Повышении содержания хрома и алюминия в стали позволяет сохранять требуемые эксплуатационные свойства изделий.

Легирование сталей этого типа преследует цель повышения жа­ростойкости путем введения таких элементов, как алюминий и кремний, а также связывания углерода в специальные карбиды та­кими элементами, как Ti, Nb, Mo, Zr, что препятствует обеднению твердого раствора хромом, предотвращает чрезмерный рост зерна при нагреве. Эффективность действия карбидообразующих элемен­тов проявляется тогда, когда весь углерод связывается в специаль­ные карбиды. Так, в стали типа Х17 при содержании углерода 0,1 % требуется 0,5-0,6 % Ti или 1,0-1,2 % Nb, т.е. отношение Ti/C = 56, a Nb/C=1012.

При введении кремния в высокохромистые жаростойкие стали резко возрастает склонность к росту зерна; кремний улучшает их литейные свойства и свариваемость, повышает жаростойкость, осо­бенно в средах с повышенным содержанием серы.

Хромистые и хромоалюминиевые стали имеют крупный недостаток: они могут охрупчиваться в процессах технологических нагревов и длительных выдержек при повышенных температурах во время экс­плуатации. В них возможна хрупкость при выдержках при температурах 450-500 °С («хрупкость 475 °С»), хрупкость при 600-800 °С (в связи с образованием -фазы) и хрупкость вследствие обра­зования чрезмерно крупных зерен, например при сварке.

Хрупкость хромистых ферритных сталей трудно, а часто и не­возможно устранить последующей обработкой, что сужает возмож­ности их практического использования и накладывает ограничения на технологические операции. Так, ковку и прокатку ферритных сталей следует проводить при температурах ниже 1150 °С и закан­чивать при возможно более низкой температуре, чтобы получить мелкое зерно. Все операции гибки, правки необходимо проводить в подогретом до 150-250 °С состоянии, особенно при работе с холод­нокатаными полуфабрикатами.

Стали мартенситного класса

Стали мартенситного класса имеют повышенное содержание углерода (до 0,4-0,8%) и легированы совместно хромом (6-14%) и кремнием (1-3%). После закалки или нормализации такие стали приобретают мартенситную структуру и обычно называются сильхромами. Сильхромы обладают хорошим сопротивлением газовой коррозии в продуктах сгорания различных топлив и высокой износостойкостью при трении и ударных нагрузках. Введение молибдена повышает жаропрочность и препятствует развитию отпускной хрупкости сталей. В стали, имеющие высокое содержание хрома (21-23%), вводят никель или увеличивают содержание углерода для расширения -области и, следовательно, возможности закалки стали на мартенсит. Примерами сильхромов служат стали 15Х6СЮ, 40Х9С2, 40Х10С2М, 30Х13Н7С2, 70Х20Н2С2ХВ.

Основное назначение сталей этой группы клапаны автомобильных, тракторных и авиационных двигателей средней мощности. К клапанным сталям предъявляется ряд специфических требований: сохранение высокой твердости и прочности при рабочих температурах (до 700 ºС), хорошая сопротивляемость действию теплосмен и усталости, высокое сопротивление газовой коррозии в продуктах сгорания жидкого топлива.

Кроме того, сильхромы используют в качестве жаростойких сплавов для изготовления регуляторов, теплообменников и колосниковых решеток в котельном и химическом машиностроении.

Большинство современных сильхромов обрабатываются на мартенситную структуру (твердость после закалки HRC 50-56), для чего их закаливают от температур 1000-1050 °С. При нагреве до более высоких температур у этих сталей резко проявляется склон­ность к росту зерна, что может приводить к хрупкости, связанной с грубозернистой структурой и нафталинистым изломом. Такой вид хрупкости в сильхромах обычно удается устранить повторной обра­боткой (фазовой перекристаллизацией).

Сильхромы также подвержены отпускной хрупкости при медленном охлаждении после отпуска от 700 - 800 °С, причем процесс охрупчивания развивается в интервале 500-600 °С. Этой хрупкости можно избежать с помощью быстрого охлаждения (в масле или воде) или путем легирования стали молибденом.

Таким образом, термическая обработка сильхромов состоит чаще всего из закалки на мартенсит и высокого отпуска. Для каждой стали важно точно установить температурный интервал нагрева под закалку. Перегрев может вызвать значительный рост зерна и нафталинистой излом, а недогрев (т. е. неполная закалка) образование двухфазной структуры, состоящей из хромистого феррита и мартенсита, что резко снижает пластичность и жаропрочность сталей. Температура отпуска зависит от условий работы детали и необходимой твердости стали.

Так, сталь 40Х10С2М подвергают закалке от 1100 ºС и отпуску при 740 ºС, получаемая структура – сорбит отпуска.