20.3 Жаростойкость, жаростойкие стали и сплавы

 

Жаростойкость (окалиностойкость) – это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени.

Сплавы на основе железа при температурах выше 570 C интенсивно окисляются с интенсивным образованием хрупкой окалины (вюстита (FeO)).

Для повышения жаростойкости в состав стали вводят элементы, которые образуют с кислородом оксиды с плотным строением кристаллической решетки (хром, кремний, алюминий).

Степень легирования стали для предотвращения окисления зависит от температуры. Чем выше содержание хрома, тем более окалиностойки стали (например, сталь 15Х25Т является окалиностойкой до температуры (1100…1150) C).

Высокой жаростойкостью обладают сплавы с содержанием кремния – сильхромы, сплавы на основе никеля – нихромы, стали 08Х17Т, 36Х18Н25С2, 15Х6СЮ.

20.4 Жаропрочность, жаропрочные стали и сплавы

 

Жаропрочность – это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах.

Критериями оценки жаропрочности являются кратковременная и длительная прочности, ползучесть.

Кратковременная прочность определяется с помощью испытаний на растяжение разрывных образцов. Образцы помещают в печь и испытывают при заданной температуре. Обозначают кратковременную прочность , например = 300 МПа. Прочность зависит от продолжительности испытаний.

Пределом длительной прочности называется максимальное напряжение , которое вызывает разрушение образца при заданной температуре за определенное время.

Например, = 200 МПа, верхний индекс означает температуру испытаний, а нижний – заданную продолжительность испытания в часах. Для котельных установок требуется невысокое значение прочности, но в течение нескольких лет.

Ползучесть – свойство металла медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре.

При обычной температуре и напряжениях выше предела упругости  >  _упр это явление не наблюдается, а при температуре выше 0,6Т_пл, протекают процессы разупрочнения, при напряжениях выше предела упругости  >  _упр наблюдается ползучесть.

В зависимости от температуры скорость деформации при постоянной нагрузке выражается характерной кривой (рис. 20.1):

Рисунок 20.1 – Кривая ползучести.

1. ОА – упругая деформация в момент приложения нагрузки;

2. АВ – участок, соответствующий начальной ползучести;

3. ВС – участок установившейся скорости ползучести, когда удлинение имеет постоянную скорость.

4. Если напряжения достаточно велики, то протекает третья стадия (участок СД), связанная с началом разрушения образца (образование шейки).

Для углеродистых сталей ползучесть наблюдается при нагреве до температур выше 400 С.

Предел ползучести – напряжение, которое за определенное время при заданной температуре вызывает заданное суммарное удлинение или заданную скорость деформации .

Например = 250 МПа, где верхний индекс – температура испытания в С, первый нижний индекс – заданное суммарное удлинение в процентах, второй – заданная продолжительность испытания в часах.

При температурах до 300 C обычные конструкционные стали имеют высокую прочность, нет необходимости использовать высоколегированные стали.

Для работы в интервале температур (350…500) C применяют легированные стали перлитного, ферритного и мартенситного классов.

Перлитные жаропрочные стали. К этой группе относятся котельные стали и сильхромы. Эти стали применяются для изготовления деталей котельных агрегатов, паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания. Стали содержат относительно мало углерода (марки 12Х1МФ, 20Х3МФ). Используются в закаленном и высокоотпущенном состоянии. Иногда закалку заменяют нормализацией. Предел ползучести этих сталей должен обеспечить остаточную деформацию в пределах 1 % за время (10 000…100 000) ч работы.

Обладают удовлетворительной свариваемостью, поэтому используются преимущественно для сварных конструкций (трубы пароперегревателей, теплообменные аппараты, котлы).

Для деталей газовых турбин применяют сложнолегированные стали мартенситного класса 12Х2МФСР, 12Х2МФБ, 15Х12ВНМФ. Термическая обработка состоит из закалки в масле или на воздухе и высокого отпуска при температурах выше температуры эксплуатации.

Для изготовления жаропрочных деталей, не требующих сварки (клапаны двигателей, лопатки и диски газовых турбин), применяются хромокремнистые стали – сильхромы: 40Х10С2М, 40Х9С2, Х6С. Жаропрочные свойства последних растут с увеличением степени легирования.

При рабочих температурах (500…700) C применяются стали аустенитного класса. Из этих сталей изготавливают клапаны высокофорсированных двигателей, лопатки первых венцов газовых турбин, сопловые аппараты реактивных двигателей и т.д.

Основными жаропрочными аустенитными сталями являются хромоникелевые стали, дополнительно легированные вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Обладают жаропрочностью и жаростойкостью, пластичны, хорошо свариваются, но затруднена обработка резанием и давлением.

По структуре эти подразделяются на две группы:

1. Аустенитные стали с гомогенной структурой 17Х18Н9, 09Х14Н19В2БР1,12Х18Н12Т. Содержание углерода минимально.

2. Аустенитные стали с гетерогенной структурой 37Х12Н8Г8МФБ, 10Х11Н20Т3Р.

Детали, работающие при температурах (700…900) C, изготавливают из сплавов на основе никеля и кобальта (лопатки, венцы, камеры сгорания турбин реактивных двигателей).

Никелевые сплавы преимущественно применяют в деформированном виде. Они содержат более 55 % никеля и минимальное количество углерода ((0,06…0,12) %).

По структуре эти сплавы разделяют на гомогенные (нихромы) и гетерогенные (нимоники).

Нихромы. Основой этих сплавов является никель, а основным легирующим элементом – хром (ХН60Ю, ХН78Т). Нихромы не обладают высокой жаропрочностью, но они очень жаростойки. Их применяют для деталей, работающих в окислительных средах, в том числе и для нагревательных элементов.

Нимоники являются четвертными сплавами никель – хром (около 20 %) – титан (около 2%) – алюминий (около 1 %) (ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТФКЮ). Используются только в термически обработанном состоянии.

Основными материалами, которые могут работать при температурах выше 900 C (до 2500 С), являются сплавы на основе тугоплавких металлов – вольфрама, молибдена, ниобия и др.

Температуры плавления основных тугоплавких металлов: вольфрам – 3400 С, тантал – 3000 С, молибден – 2640 С, ниобий – 2415 С, хром – 1900 С.

Наиболее часто применяют сплавы на основе молибдена. В качестве легирующих добавок в сплавы вводят титан, цирконий, ниобий. С целью защиты от окисления проводят силицирование.

Вольфрам – наиболее тугоплавкий металл. Его используют в качестве легирующего элемента в сталях и сплавах различного назначения, в электротехнике и электронике (нити накала, нагреватели в вакуумных приборах). В качестве легирующих элементов к вольфраму добавляют молибден, рений, тантал. Сплавы вольфрама с рением сохраняют пластичность до –196 С и имеют предел прочности 150 МПа при температуре 1800 С.