§ 33. Жаропрочные сплавы

 

Детали и установки, работающие при температурах свыше 700°С, изготовляют не из стали, а из сплавов на основе никеля, кобальта и тугоплавких металлов.

Сплавы на основе никеля (N_i < 55%) по жаропрочности превосходят лучшие жаропрочные стали (рабочие температуры у сплавов составляют 800-1000°С). Их используют как в деформируемом, так и литом состояниях. По структуре никелевые сплавы разделяют на гомогенные (нихромы) и гетерогенные (нимоники). Общее требование к ним - минимальное содержание углерода (0,06-0,12% С).

Основой нихромов является никель, а основным легирующим элементом - хром (ХН60Ю, ХН78Т). Жаропрочность нихромов сравнительно невелика, однако у них очень высокая жаростойкость. Их применяют главным образом для изготовления ненагруженных деталей, работающих в окислительных средах, в том числе и для нагревательных элементов.

В состав нимоников кроме хрома вводят Тi, А1, Мо, W, Со. При термической обработке они образуют с никелем (кобальтом, хромом) дисперсные интерметаллидные фазы типов Ni, Со, Сr)₃ Тi, (Ni, Со, Сr)₃ А1, которые существенно упрочняют сплав. Нимоники - это типичные дисперсионно-упрочняемые сплавы (ГОСТ 5632 - 72); их термическая обработка заключается в закалке с 1050-1100°С на воздухе и последующем старении при 600-800°С в течение 12-16 ч.

Кобальтовые сплавы по жаростойкости несколько превосходят никелевые сплавы, но применяют их реже ввиду большой дефицитности кобальта. Деформируемый сплав ЭИ416 содержит 0,35-0,45% С; 18-21% Сr; 3,5-5,8% Мо; 3,8-5,8% W. Чаще применяют литейные кобальтовые сплавы. Сплав ЛК4 (виталлиум) содержит до 0,35% С; 25-30% Сr; 1,5-3,5% Ni; 4,5-6,5% Мо. Кобальтовые сплавы имеют высокую коррозионную стойкость и хорошо сопротивляются износу трением.

 

 

§ 34. Тугоплавкие металлы и сплавы

 

К тугоплавким металлам относятся ниобий (Тпл =2415°С), молибден (Тцл =2625°С), тантал (Тпл=2996°С), рений (Тпл=3180°С) и вольфрам (Тпл=3400°С). Наибольшее применение в качестве жаропрочных материалов нашли сплавы на основе Мо и W.

Молибденовые сплавы в качестве легирующих добавок содержат Тi, Zr, Nb (они повышают температуру рекристаллизации и тем самым предельную рабочую температуру использования сплава). Молибденовый сплав ВМ1 содержит ≤0,25% Zr и 0,4% Тi; сплав ВМ2 легирован цирконием 0,2-0,4%.

Недостатком молибденовых сплавов является их склонность к окислению при нагреве, начиная уже с 450°С. Основной способ защиты от окисления - поверхностное силицирование. Тонкая (0,03-0,04 мм) пленка МоSi₂ полностью защищает сплав от окисления до 1200°С. При 1700°С силицированные детали могут работать без окисления до 30 ч.

Вольфрам - самый тугоплавкий металл. Его широко используют в качестве легирующего элемента в сталях и других сплавах, применяют в качестве армирующих тонких нитей в так называемых композиционных материалах. Например, армированная волокнами W медь имеет σ_в до 2000 Н/м², модуль упругости Е=40000 Н/м². Самостоятельное применение W имеет в электротехнике и электронике (нити накала, эмиттеры, нагреватели в вакуумных приборах).

В сплавах вольфрама в качестве легирующих элементов присутствуют 0,25-0,40% Мо, 1,5 - 12% Та, 3-35% Rе. Сплавы W-Rе сохраняют пластичность до - 196°С (температура жидкого азота).

Наибольшее повышение жаропрочности сплавов достигается при добавлении в их состав дисперсного двуоксида тория (1-2% ТhО₂).

Недостатком сплавов вольфрама является их склонность к окислению на воздухе при нагреве, начиная уже с 500°С.