3.1.2 Дослідження механічних властивостей хромоалюмінієвих сталей
Підвищення вмісту хрому і алюмінію в досліджених сталях супроводжується зниженням їх щільності, оскільки хром і алюміній мають меншу у порівнянні з залізом щільність.
Щільність металу суттєво впливає на характеристики міцності виробів в умовах високих температур, особливо коли вони працюють як консолі. Зменшення щільності сприятиме зниженню рівня деформаційних процесів у таких виробах під час їх експлуатації.
Установлено, що збільшення концентрації хрому значною мірою знижує опір розриванню всіх досліджених сталей (рис. 3.9) через зростання кількості шкідливих домішок і карбідів та їх коагуляції. В структурі металу з’являються колонії крупних карбідів хрому, які мають гострокутну форму, що сприяє збільшенню концентраторів напружин. Кількість алюмінію в хромистій сталі необхідно визначати з урахуванням дії навантажень на виріб під час його експлуатації.
Рисунок 3.9 – Міцність сталей залежно від вмісту в них хрому і алюмінію
Установлено, що суттєвим недоліком сталей з хромом та алюмінієм є їх низька пластичність. Підвищення концентрації хрому та алюмінію зменшує ударну в’язкість досліджених сталей (рис. 3.10). Під час дослідження міцності та ударної в’язкості за зламами зразків виявлено їх крихке руйнування, а тому відносне подовження всіх досліджених сплавів не перевищує 1%.
Рисунок 3.10 – Ударна в’язкість сталей залежно від вмісту в них хрому та алюмінію
Крім того вуглець у хромоалюмінієвій сталі утворює міцні карбіди з хромом та залізом, коефіцієнт термічного розширення яких нижчий, ніж легованого алюмінієм фериту.
На тривалість експлуатації деталей в умовах високих температур і агресивних середовищ суттєвий вплив справляє щільність металу.
Установлено, що додавання до хромоалюмінієвої сталі невеликої кількості титану (до 0,15%), призводить до підвищення її щільності через сильну розкиснювальну дію титану та подрібнення первинного зерна. Подальше підвищення концентрації титану знижує щільність сталі, оскільки він утворює твердий розчин (щільність титану менша за щільність заліза – 4,54 г/см3 проти 7,86 г/см3).
Суттєвий вплив на механічні властивості хромоалюмінієвих сталей справляє структура металу (рис. 3.11)
а |
б |
в |
г |
Рисунок 3.11 – Мікроструктура хромоалюмінієвої сталі, мікролегованої титаном (0,25% Ті; 30,20% Cr; 1,50% Al) залежно від вмісту в ній вуглецю (×100): а – 0,10% С; б – 0,19% С; в – 0,41% С; г – 0,79% С
Отже для одержання якісних виливків з урахуванням ливарних і механічних властивостей оптимальним вмістом вуглецю в базовій хромоалюмінієвій сталі слід вважати 0,25...0,35%, а титану – 0,15…0,25%.
Подальше підвищення вмісту титану призводить до появи в структурі металу дрібних кутастих карбронітридів, які розташовуються переважно усередині зерен. Карбонітриди титану є додатковим центрами кристалізації, що і сприяє зменшенню розмірів зерна з 82 до 48 мкм. Проте присадки титану в сталь більше 0,6% сприяють появі в структурі значної кількості неметалевих вкраплин і тому є небажаними.
Підвищення вмісту вуглецю сприяє підвищенню міцності базової хромоалюмінієвої сталі. Максимальне значення тимчасового опору розриванню в усіх дослідженнях спостерігається при вмісті в сталі вуглецю близько 0,4% (рис. 8). Подальше підвищення вмісту вуглецю в хромоалюмінієвій сталі знижує міцність внаслідок збільшення кількості, коагуляції та нерівномірного розташування карбідів (рис. 3.12).
а |
б |
в |
г |
д |
е |
Рисунок 3.12 – Мікроструктура хромоалюмінієвої сталі (0,4% С; 30,0% Cr; 1,5% Al) залежно від вмісту в ній титану (× 100): а – без Ті; б – 0,13% Ті; в – 0,26% Ті; г – 0,52% Ті; д – 0,68% Ті; е – 1,36% Ті
Отже комплексне дослідження впливу хрому та алюмінію на властивості вуглецевих сталей дає можливість зробити важливий висновок: для виготовлення високоякісних виливків із жаростійких сталей з урахуванням ливарних та механічних характеристик, останні повинні мати в своєму складі 28…32% хрому та 1,2…2,2 % алюмінію. Для виготовлення виливків простої конфігурації вміст алюмінію може бути збільшеним до 3,0%.
Невеликі присадки титану (до 0,15%) збільшують кількість неметалевих вкраплин, переважно оксидів титану, які він утворює внаслідок розкиснення розплаву і які залишаються в металі (рис. 3.12, б) та знижують механічні властивості (рис. 3.13), а тому необхідні умови для спливання неметалевих вкраплин в плавильному агрегаті або в ковші.
Рисунок 3.13 – Зміна міцності хромоалюмінієвої сталі залежно від вмісту
в ній вуглецю і титану (30,2% Cr; 1,5% Al)
Збільшення вмісту вуглецю до 0,4% підвищує ударну в’язкість базової хромоалюмінієвої сталі у середньому на 25% (рис. 3.14) внаслідок подрібнення первинного зерна. Більший вміст вуглецю призводить до зниження ударної в’язкості через ріст розмірів карбідів, їх коагуляції та виокремлення на межах зерен.
Титан при збільшенні його концентрації в сталі не суттєво впливає на ударну в’язкість (див. рис. 3.14).
|
Рисунок 3.14 – Ударна в’язкість базової хромоалюмінієвої сталі залежно від вмісту в ній вуглецю і титану (30,2% Cr; 1,5% Al)
Підвищення в базовій хромоалюмінієвій сталі вмісту вуглецю і титану сприяє зростанню твердості (рис. 3.15) внаслідок пропорційного збільшення в структурі металу кількості карбідів різного складу та карбонітридів, які мають значно вищу твердість, ніж ферит, легований хромом та алюмінієм. Зміна вмісту вуглецю в хромоалюмінієвій сталі від 0,08 до 0,8% сприяє зростанню загальної мікротвердості металу на 20…25%, а зміна вмісту титану до 1,4% – на 30…35%.
На підставі детального аналізу результатів досліджень щодо впливу вмісту вуглецю та титану на властивості базової хромоалюмінієвої сталі можна зробити висновок, що найкращий комплекс ливарних, механічних та спеціальних характеристик сталь в діапазоні концентрацій 0,25…0,35% вуглецю та 0,15…0,25%. титану.
Проте ці межі необхідно корегувати залежно від технологічних особливостей литої деталі та умов її експлуатації. Наприклад, якщо вироби використовують для роботи при підвищених навантаженнях в умовах високих температур, тоді вміст титану має бути на рівні 0,45…0,50%.
|
Рисунок 1.15 – Твердість базової хромоалюмінієвої сталі залежно від вмісту в ній вуглецю і титану (30,2% Cr; 1,5% Al)
Комплексне дослідження впливу вуглецю і титану на технологічні і спеціальні властивості базової жаростійкої хромоалюмінієвої сталі дало можливість рекомендувати як кращий ливарний матеріал для виробництва виливків, що працюють при високих температурах, хромоалюмінієвий сплав, мікролегований титаном, такого складу, %: С = 0,25…0,35; Cr = 25…32; Al = 1,2…3,0; Ті = 0,15…0,25; Si < 1,0; Mn < 0,8; P < 0,025; S < 0,025.