25.Жаростойкость металлов и сплавов и методы ее повышения.
Жаростойкость (окалиностойкость) – это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени.
Если изделие работает в окислительной газовой среде при температуре 500..550oC без больших нагрузок, то достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей).
Жаропрочность. Жаропрочные стали. Жаропрочные сплавы. Жаропрочные стали и сплавы. Ползучесть. Предел ползучести.
Сплавы на основе железа при температурах выше 570oC интенсивно окисляются, так как образующийся в этих условиях на поверхности металла оксид железа FeO (вюстит) с простой решеткой, имеющей дефицит атомов кислорода (твердый раствор вычитания), не препятствует диффузии кислорода и металла. Происходит интенсивное образование хрупкой окалины.
Влияние хрома на жаростойкость хромистой стали
Для повышения жаростойкости в состав стали вводят элементы, которые образуют с кислородом оксиды с плотным строением кристаллической решетки (хром, кремний, алюминий). Степень легированости стали, для предотвращения окисления, зависит от температуры. Влияние хрома на жаростойкость хромистой стали показано на рисунке.
Легирующие элементы. Легирующие элементы стали. Влияние легирующих элементов. Назначение легирующих элементов. Хромансиль. Легированные стали. Классификация легированных сталей. Классификация легированных сталей по микроструктуре. Маркировка легированных сталей.
Чем выше содержание хрома, тем более жаростойки стали (например, сталь 15Х25Т является окалиностойкой до температуры 1100…1150oC).
Высокой жаростойкостью обладают сильхромы, сплавы на основе никеля – нихромы, стали 08Х17Т, 36Х18Н25С2, 15Х6СЮ.
Из приведенных зависимостей следует, что коэффициент диффузии углерода в аустените увеличивается с увеличением содержания углерода в стали. Это, очевидно, связано с увеличением искажения кристаллической решетки аустенита и термодинамической активностью углерода.
Легирующие элементы оказывают существенное влияние на диффузию углерода в аустените, что связано с искажением кристаллической решетки, изменением энергии межатомной связи в твердом растворе и термодинамической активности углерода.
При других температурах влияние некоторых элементов на коэффициент диффузии углерода в аустените изменяется, карбидообразующие элементы обычно замедляют, а некарбидообразующие ускоряют диффузию углерода. Однако следует заметить, что это обобщение требует существенного уточнения. Так, например, кремний увеличивает коэффициент диффузии углерода в аустените при низких температурах (ниже 950о С), что согласуется с представлением о кремнии как о некарбидообразующем элементе, искажающем кристаллическую решетку аустенита и вследствие этого ускоряющем диффузию [3].
Сталь для цементации. Цементированные детали после соответствующей термической обработки должны иметь твердый, прочный поверхностный слой, стойкий против износа и продавливания, и достаточно прочную и вязкую сердцевину. В связи с последним требованием для цементации применяют низкоуглеродистую сталь, содержащую 0,08 - 0,25 %С.
В последние годы для высоконагруженных зубчатых колес и других ответственных, в том числе крупных, деталей начали использовать цементуемую сталь с более высоким (0,25 - 0,35%) содержанием углерода.
Положительное влияние повышения содержания углерода в цементованной стали отмечалось и в ряде последующих работ. Показано, что увеличение содержания в некоторых сталях углерода повышает предел их выносливости лишь в случае одновременного некоторого снижения глубины цементованного слоя.
Для цементации широко используют низкоуглеродистую качественную сталь (08, 10, 15 и 20) и автоматную сталь (А12, А15, А15Г, А20), а для неответственных деталей низкоуглеродистую сталь обыкновенного или повышенного качества (Ст.2, Ст.3, Ст.4, Ст.5, М12, М16, Б09, Б16 и др.).ответственные изделия изготавливают из легированной стали.
Основное назначение легирующих элементов в цементуемой стали - повышение ее прокаливаемости и механических свойств сердцевины. Большинства легирующих элементов понижает склонность зерна стали к росту при нагреве, а некоторые из них улучшают механические свойства цементованного слоя.
Цементация в разных средах: цементация в твердом карбюризаторе; цементация в твердом карбюризаторе с нагревом током высокой частоты; цементация в пастах; цементация в пастах с нагревом; газовая цементация; высокотемпературная газовая цементация стали в печах; цементация с нагревом; ионная цементация; газовая цементация кислородно-ацетиленовым пламенем; цементация в жидкой среде; цементация в расплавленном чугуне [3]. Как видно из приведенного списка видов цементации, их существует довольно много.
Азотированием (азотизацией или нитрированием) стали называется процесс поверхностного насыщения стали азотом. Азотированию, как и цементации, подвергают детали, работающие на износ и воспринимающие знакопеременные нагрузки. Азотированные детали имеют следующие преимущества: высокую твердость, износостойкость, теплостойкость и коррозийную стойкость. Так как азотированию подвергают в основном легированные стали определенных составов, и процесс имеет большую продолжительность (30-60 ч.), применение его оказывается экономически целесообразным лишь для обработки ответственных инструментов и деталей авиамоторов, дизелей, турбин, приборов и т. п.
Для насыщения целесообразнее использовать атомарный азот, образующийся в момент разложения соединений, содержащих этот элемент. В качестве такого соединения обычно применяют аммиак, диссоциация которого сопровождается выделением азота в атомарном активном состоянии, который, однако, вскоре переходит в молекулярное состояние и теряет свою активность:
2NH3 = 2N + 6H
2
N
N2
6
H
3H2.
Поэтому азотирование интенсивно протекает лишь в том случае, когда диссоциация аммиака происходит в непосредственной близости от азотируемой поверхности.
Стали для азотирования. Все шире применяется азотирование аустенитных и нержавеющих теплостойких сталей. Аустенитная сталь, как известно, имеет низкую износостойкость, но в то же время обладает рядом ценных свойств: парамагнитностью, высокой жаропрочностью, окалиностойкостью, коррозийной стойкостью и высокой ударной вязкостью при температуре ниже 0 0С. Азотирование - наиболее эффективный способ повышения износостойкости аустенитных нержавеющих сталей.
В ряде зарубежных работ освещены результаты исследований сталей, содержащих титан. Эти стали азотируются быстрее, чем хромомолибденоаллюминиевая, и отличаются более высокой поверхностной твердостью и красностойкостью.
Разработана сталь, содержащая 18% Ni, насыщение азотом при 425-455 0С в течение 20 ч приводит к превращению в поверхностном слое феррита в аустенит, а последний, при охлаждении на воздухе превращается в мартенсит.
Рекомендовано подвергать азотированию (взамен цианирования) инструмент из быстрорежущих сталей Р9 и Р18.
Азотированию подвергают также детали из высокопрочного магниевого чугуна (в частности, коленчатые валы тепловоза и детали из специальных чугунов, легированных алюминием).
Свойства азотированной легированной стали. Азотированный слой обладает высокой твердостью и износостойкостью. Износостойкость азотированной стали в 1,5-4 раза выше износостойкости закаленных высокоуглеродистых, цементованных, а также цианированных и нитроцементованных сталей.
Азотирование снижает вязкость стали, повышает ее прочность, ослабляет влияние концентраторов напряжений на снижение предела выносливости стали и существенно повышает предел выносливости, особенно тонких деталей и деталей, работающих в некоторых коррозионных средах.
Азотирование повышает сопротивление задираемости и налипанию металла под нагрузкой и особенно при повышенных температурах.
Азотированная сталь обладает теплостойкостью (красностойкостью), и ее твердость сохраняется после воздействия высоких температур. Например, сталь 38ХМЮА сохраняет свою твердость при нагреве до 500-520 0С в течение нескольких десятков часов. Еще большую устойчивость твердости против воздействия температур (до 600 0С) имеет аустенитная сталь. Однако при длительной эксплуатации в условиях высоких температур азотированный слой постепенно рассасывается, на поверхности образуются окислы и происходит глубокая диффузия кислорода по нитридным прожилкам, образующимся как в процессе азотирования, так и при длительном нагреве во время эксплуатации.
В результате азотирования коррозионная стойкость конструкционной стали (в среде воздуха, водопроводной воде, перегретом паре, слабых щелочных растворах) повышается и, наоборот, аустенитной хромоникелевой и нержавеющей хромистой стали некоторых марок понижается. Окалиностойкость последних сталей также понижается. Это объясняется тем, что в азотированном слое этих сталей из твердого раствора устраняется значительная часть хрома, входящего в состав образующихся нитридов. В аустенитной стали некоторых составов, например с малым содержанием никеля, это может сопровождаться даже выпадением в азотированном слое -фазы, в результате чего поверхностный слой становится слегка магнитным.
Азотированная сталь обладает высокой эрозионной стойкостью в потоках горячей воды и водяного пара.
Для цианирования на небольшую глубину используют ванны составом:
№1 NaCN 20-25%, NaCl 25-50%, Na2CO3 25-50%, температура цианирования 840-870 0С, продолжительность процесса - 1ч.
№2 цианплав ГИПХ 9%, NaCl 36%, CaCl2 55%.
Реакции, идущие в ванне №1:
2NaCN + O2 = 2NaCNO
2NaCNO + o2 = Na2CO3 + 2N + CO.
реакции, идущие в ванне №2:
Ca(CN)2 = CaCN2 + C
CaCN2 + O2 = CaO + CO + 2N
2Ca(CN)2 + 3O2 = 2CaO + 4CO + 4N.
После цианирования непосредственно из ванны производится закалка. Структура нитроцементованного и цианированного слоя.
При цианировании при 850-900 0С в цианистых ваннах, содержащих цианплав, и при глубоком цианировании при 900-950 0С в низкопроцентных ваннах с цианистым натрием и хлористым барием сталь с поверхности насыщается углеродом примерно до той же концентрации, что и при цементации, и лишь немного азотом. При цианировании в ванне №1 сталь насыщается углеродом несколько меньше, чем при цементации, а азотом в поверхностной зоне слоя больше, чем в других ваннах.
Низкотемпературной нитроцементации и цианированию при 560-700 0С подвергаются стали различного назначения для повышения их поверхностной твердости, износостойкости, предела выносливости, теплостойкости и противозадирных свойств. Обычно такая обработка проводится при 560-580 0С, т. е. при температуре, которая немного ниже минимальной температуры существования ?-фазы в системе Fe - N. Поэтому в процессе обработки при такой температуре на стали образуется, по существу, азотированный слой, а углерод проникает на глубину лишь нескольких микрон, где может образовываться тонкая карбонитридная зона.
Свойства нитроцементованной и цианированной стали.
Нитроцементованная и цианированная конструкционная сталь благодаря присутствию азота более износостойка, чем цементованная.
Нитроцементация и цианирование существенно повышают предел выносливости, причем нитроцементация в большей степени, чем цианирование, а в ряде случаев в большей степени, чем цементация.
При цианировании невозможно регулировать концентрацию азота и углерода в слое. Поэтому в цианированном слое количество остаточного аустенита всегда больше, чем в нитроцементованном
повышение жаростойкости достигается главным образом введением в сталь хрома, а также алюминия и кремния, то есть элементов, находящихся в твёрдом растворе и образующих в процессе нагрева защитные плёнки оксидов.
|