1.3 Матеріали для виготовлення жароміцних і корозійностійких деталей та їх властивості

Жароміцні сталі мають витримувати механічні навантаження в умовах високих температур протягом певного часу. Сталі, з яких виготовляють литі деталі, що працюють при температурах до 600 °С, називають теплостійкими.

Сталі і сплави, які призначені для роботи в умовах підвищених і високих температур, повинні мати не тільки необхідну жароміцність, але і достатній опір хімічній дії газового середовища, тобто жаростійкість, протягом заданого ресурсу експлуатації. Основну групу цих сталей складають сталі аустенітного класу на хромонікелевій основі з додатковим легуванням різними елементами. Умовно ці сталі розділяють на три підгрупи:

– гомогенні (однофазні) аустенітні сталі, жароміцність яких забезпечується легованістю твердого розчину;

– сталі з карбідним зміцненням;

– сталі з інтерметалідним зміцненням.

Найбільш поширеними у промисловості є сталі першої групи. Аустенітна структура таких сталей, а разом з нею і їх гомогенність досягаються, переважно, внаслідок вмісту в сталях достатньої кількості нікелю.

Для оцінки теплостійкості і жароміцності в умовах виробництва виливків та під час проведення дослідних робіт використовують випробовування на розривання при підвищених температурах, на повзучість і тривалу міцність, тобто використовують методи одноосного розтягування.

Оцінку жаростійкості цієї групи сталей здійснюють, як і жаростійких сплавів – за зміною маси стандартних зразків та визначенням механічних або фізичних властивостей сплавів.

Часто як характеристику жароміцності використовують час до руйнування зразка або виробу при певних температурах і напружинах.

Під час вибирання жароміцних сталей для виготовлення литих деталей, які працюють в складних умовах, перш за все звертають увагу на їх хімічний склад.

Склад жароміцних сталей має забезпечувати високий опір повзучості і газовій корозії з урахуванням умов роботи матеріалу протягом певної тривалості експлуатації.

Жароміцні сталі, які використовують як ливарний матеріал, уявляють собою багатокомпонентні тверді розчини на основі заліза, які зміцнюються дисперсними виокремленнями надлишкових фаз – карбідів, карбонітридів, боридів, інтерметалідів тощо.

Легування сталей з метою підвищення жароміцних властивостей необхідно здійснювати елементами, які підвищують сили міжатомних зв’язків у твердому розчині і в зміцнювальних фазах, температуру рекристалізації, зменшують дифузійну рухомість атомів розчинника і утворюють дисперсні зміцнювальні фази.

Основною причиною виходу із ладу жароміцних деталей є їх деформація внаслідок повзучості металу. Деформація під час повзучості здійснюється як зсувовим механізмом, тобто шляхом руху дислокацій, так і дифузійним, переважно через дифузію вакансій. З підвищенням температури вплив перешкод на рух дислокацій зменшується, знімається зміцнення, яке створене попередньою деформацією або термічним обробленням, щільність дислокацій знижується внаслідок їх рекомбінації при переповзанні і поглинанні межами зерен, що мігрують. Велике значення має при високих температурах зерномежова повзучість.

Чим вища робоча температура матеріалу, тим інтенсивніше проявляються дифузійні процеси в деформації повзучості. При малих швидкостях повзучості, які допускаються в реальних умовах, контрольованим процесом є дифузія вакансій до меж зерен, утворення і ріст пор на межах. Отже, важливу роль відіграє концентрація і рухомість вакансій. Легувальні елементи, які зміцнюють твердий розчин, підвищують сили зв’язку в гратці, утруднюють дифузійні переміщення, зменшують концентрацію і рухомість вакансій, а отже, підвищують жароміцність.

Fe, Co і Ni при взаємному утворенні твердих розчинів незначно змінюють температуру солідусу сплавів та їх високотемпературну жароміцність, тоді як марганець різко знижує температуру солідусу і жароміцність. При визначенні ефективності дії і оптимальної кількості легувальних елементів в жароміцних сплавах, необхідно враховувати тип діаграм стану розчинника і легувальних елементів.

Аустенітні сталі мають більш високі робочі температури. Це пояснюється впливом типу кристалевої структури і поліморфних перетворень на механічні властивості сталей при високих температурах.

Для використання сплаву в широкому діапазоні температур необхідно легувати його комплексно різними елементами, які мають різну дифузійну рухомість, щоб при різних швидкостях повзучості був «у крайньому випадку один легувальний елемент, рухомість якого буде оптимальною для гальмування руху дислокацій». Таким чином, теорія природно призводить до ідеї використання складнолегованих жароміцних сплавів.

Жароміцні сталі, до складу яких входить не менше 7% нікелю, є також корозійностійкими і їх використовують для виготовлення деталей, які працюють в хімічноактивних середовищах.

Хромонікелеві сталі. Високу жароміцність мають, перш за все, аустенітні хромонікелеві сталі, яким притаманний цілий ряд специфічних властивостей, обумовлених їх однофазною структурою, немагнетністю і підвищеною в’язкістю аустеніту. Специфічність властивостей цих сталей обумовлюється високим вмістом нікелю, який має такі особливості:

– нікель знижує температуру перетворення γ→α і сприяє переохолодженню сталі та зменшує критичну швидкість гартування литих деталей. Мартенситну будову можна одержати в деталях з меншим вмістом вуглецю, наприклад, виливки, виготовлені із сталі з 5...10% нікелю загартовуються на повітрі навіть при вмісті 0,05% вуглецю;

– нікель підвищує більше межу текучості, ніж тимчасовий опір розриванню, а тому суттєво підвищує конструкційну міцність, (σ_τ/σ_Β)·100, тобто сталі з нікелем можуть мати однаковий тимчасовий опір розриванню з іншими класами сталей, але їх частіше використовують як конструкційний матеріал;

– нікель, знижуючи критичну швидкість гартування, різко підвищує прогартовуваність сталі та забезпечує рівномірність механічних властивостей в усьому перерізі виливка, наприклад, достатньо додати у сталь 2% нікелю, щоб виливок набув після гартування рівномірних властивостей по перерізу стінки товщиною до 200 мм;

– механічні властивості сталей з нікелем досить високі, а виливки мають високу квазіізотропію, тобто однорідність структури.

Властивість хромонікелевих сталей не піддаватися корозії, що обумовлюється вмістом хрому, і аустенітна структура, яка забезпечується додаванням у сплав нікелю, дають найкраще поєднання спеціальних і механічних властивостей цих сталей.

Хромонікелеві сталі для виливків в залежності від вмісту хрому, нікелю і вуглецю можна поділити на такі групи (додатково до прийнятої класифікації: низько -, середньо - та високолеговані):

– сталі з повним фазовим перетворенням, тобто сталі перлітного або мартенситного класу. Ці сталі використовують як конструкційний матеріал, але вони вже мають деякі спеціальні хімічні або фізичні властивості;

– сталі з частковим перетворенням, які в свою чергу розділяють на дві підгрупи: аустенітно-феритні, в яких у будові переважає аустеніт, і феритно-аустенітні, в яких у будові переважає ферит.

Ці сталі використовують для виготовлення жаростійких та жароміцних виливків, які повинні мати підвищені механічні властивості;

– сталі без фазових перетворень, які також розділяють на дві підгрупи: феритні – характеризуються високим вмістом хрому та порівняно низьким вмістом вуглецю і нікелю та аустенітні – характеризуються високим вмістом нікелю.

Ці сталі використовують для виготовлення виливків із спеціальними властивостями: перші для роботи в умовах високих температур, другі – агресивних середовищ;

– феритно-карбідні, які характеризуються високим вмістом хрому та вуглецю і порівняно низьким вмістом нікелю. Сталі використовують для жаростійких виливків, які працюють без навантажень;

– аустенітно-карбідні – за умов високого вмісту хрому та вуглецю у складі сталей знаходиться така кількість нікелю, яка забезпечує аустенітну будову основи металу з вкраплинами карбідів, переважно, евтектичних. Сталі використовують тільки як хімічно стійкі для виготовлення виливків, що не піддаються навантаженням. Сталі мають дещо кращі пластичні властивості, ніж феритно-карбідні;

Сталі, одночасно леговані хромом та нікелем, є найбільш поширеним ливарним матеріалом для виготовлення виливків різного призначення.

Узагальнюючи спільний вплив хрому і нікелю на властивості цієї групи сталей, можна визначити основні характеристики, які обумовлюють їх використання як конструкційного матеріалу, оскільки метал литих деталей має міцність, найвищу у порівнянні з іншими класами ливарних сталей.

Високолеговані хромонікелеві сталі використовують для виготовлення жароміцних, жаростійких та корозійностійких виливків, а тому вони в загальному виробництві сталевого литва посідають друге місце після високомарганцевих зносостійких сталей.

Властивості ливарних хромонікелевих сталей типу 10Х18Н9Л вивчені досконально як під час спеціальних досліджень, так і в умовах експлуатації.

Сталі цього класу мають високий опір окисленню навіть при високих температурах (до 1100 °С). Проте як жаростійкі їх використовують значно менше, ніж як корозійностійкі, оскільки цьому сприяє наявність в їх складі нікелю.

Хромонікелеві сталі є найкращим корозійностійким матеріалом, який чутливий лише до деяких кислот. Аустенітні хромонікелеві сталі немагнітні.

Виплавляння сталей, які вмістять значну кількість нікелю, не має ніяких утруднень, оскільки нікель по відношенню до кисню є більш благородним металом, ніж залізо і, отже, при будь-якому металургійному переробленні залишається в сталевій ванні і не утворює ніяких продуктів окиснення. Така поведінка нікелю і обумовлює високі механічні властивості сталей. Сталі з нікелем можна виплавляти в будь-якому плавильному агрегаті, але практикою установлено, що кращим варіантом є піч з основною футеровкою, особливо під час виплавлянні сталі, в складі якої вміститься титан, оскільки коригувати його утруднено.

Угар титану суттєво залежить від типу футеровки, вмісту титану в феротитані, кусковатості феротитану, температури та швидкості розливання сталі. Крім того слід враховувати, що угар титану менший із феротитану з меншим вмістом титану. При використанні 18%-ного феротитану угар складає в середньому 24,5%, а при використанні 45%-ного феротитану – 67,5% [6]. Другою перевагою феротитану з меншим вмістом титану є його більша питома маса, що дає можливість легше занурювати його в розплавлену сталь. Можна вважати, що угар титану складає ≈ 30%. Розмір кусків феротитану повинен бути у межах 50...80 мм у поперечнику залежно від місткості печі. Температура рідкої сталі перед присадкою феротитану має бути не нижче за 1600 °С.

Аустенітні хромонікелеві сталі мають гірші ливарні властивості, ніж вуглецеві або низьколеговані конструкційні сталі. Рідкотекучість аустенітних сталей ще більше погіршується після додавання титану, незважаючи на те, що хром і нікель знижують температуру ліквідусу на 25...30 °С.

Ливарні властивості залежать від багатьох факторів, зокрема від рідкотекучості, яка швидко зменшується після випускання сталі в ківш, бо цей процес супроводжується утворенням плівок внаслідок вторинного окислення металу. Розливання сталі необхідно здійснювати швидко, при цьому слід використовувати спеціальні ливникові системи. Вибрана ливникова система дуже впливає на однорідність металу у виливках. Такий же вплив справляють на якість виливків розміри і розташування надливів та холодильників.

Аналізом літератури щодо жароміцних сталей установлено загальні рекомендації щодо підвищення якості виливків:

– форми і стрижні можна виготовляти із звичайних піщано-глинястих сумішей, сушити і фарбувати. Форми і стрижні повинні бути податливими;

– перед розливанням металу необхідно підігрівати форми, причому бажано, щоб стрижні мали вищу температуру, ніж форма;

– ливникова система має забезпечувати безперервне і оптимально швидке заповнення форми металом, а тому його необхідно підводити декількома живильниками. Краще використовувати сифонне заливання;

– температура рідкої сталі перед заливанням у форму повинна бути не нижчою за 1570 °С. Найкращі показники мають місце за температури заливання 1580...1600°С;

– високу температуру заливання рекомендується використовувати навіть тоді, коли це призводить до утворення пригару на виливках.

Термічне оброблення виробів із хромонікелевих сталей складається з нагрівання виробів до високої температури і наступного швидкого їх охолодження. Для високолегованих хромонікелевих сталей чим вищий вміст вуглецю, тим вища температура нагрівання виробу під гартування. Крім того, вироби після гартування не піддають відпуску для зняття напружин, оскільки це призвело б до миттєвого випадання карбідів і порушення однорідності структури. Це явище є основним недоліком жароміцних і корозійностійких хромонікелевих сталей. Після такого режиму метал якісних виливків задовольняє вимогам щодо механічних властивостей.

Висококремнисті сталі. До корозійностійких сплавів, крім розглянутих хромистих та хромонікелевих аустенітних сталей, відносять сталі з високим вмістом кремнію.

На підставі численних досліджень щодо впливу кремнію на властивості сплавів на основі заліза можна запропонувати такі принципові положення для вибору складу кремнистої сталі відповідно до призначення литих деталей:

– низьколеговані кремнисті конструкційні сталі треба використовувати для виготовлення виливків, які характеризуються підвищеними механічними властивостями: хімічний склад сталі, що вибирається, має забезпечувати повне фазове перетворення і після відповідного термічного оброблення мати сорбітну будову, оптимальну для поєднання найвищих показників міцності і пластичності;

– середньолеговані кремнисті феритні сталі треба використовувати для виготовлення виливків із спеціальними фізичними властивостями: хімічний склад сталі має забезпечувати при відповідному співвідношенні вмісту кремнію і вуглецю повну відсутність фазових перетворень (сталь повинна мати феритну будову). Такі сталі мають спеціальні фізичні та хімічні властивості. Кремній підвищує електроопір і одночасно покращує магнітну проникність. Це є тією основною спеціальною фізичною властивістю, яка визначає галузі використання цієї групи сталей: деталі електричних машин, які працюють в умовах мінімальних витрат на петлю гістерези і великої магнітної проникності за малої коерцитивної сили. Такі сталі вмістять до 3,5...4,0% кремнію. Основне призначення сталей цієї групи – клапани автомобільних, тракторних і авіаційних двигунів середньої потужності. До цих сталей пред’являють специфічні вимоги: збереження високих твердості і міцності при робочих температурах до 700 °С, опірності дії теплозмін і утоми, опору газовій корозії в продуктах згоряння рідкого палива. Сталі використовують для виготовлення литих деталей регуляторів, теплообмінювачів і колосникових ґраток для котельного і хімічного машинобудування;

– високолеговані кремнисті сталі треба використовувати для виготовлення виливків, які мають високі хімічні властивості. При 12% кремнію значно підвищуються антикорозійні властивості кремнистої сталі з одночасним різким зниженням її пластичності.

Виливки із цих сталей дуже крихкі, потребують бережного обходження, дуже чутливі до температурних змін і тому мають обмежене використання. Крихкість їх збільшується з підвищенням вмісту кремнію. Сплави з вмістом кремнію більше 18% на практиці не використовують.

Крупнозернинна будова металу внаслідок різкого зниження теплопровідності металу призводить до зниження механічних властивостей і корозійної стійкості сталей, особливо стійкості проти міжкристалевої корозії.

Величину зерна не можна змінити ніякими режимами термічного оброблення.

Твердість сталей знаходиться в межах 300...460 НВ, внаслідок чого ці сплави практично не оброблюються різанням. Їх можна оброблювати тільки абразивним інструментом або електроіскровим методом. Усі отвори, пази, внутрішні порожнини у виливках мають виконуватися стрижнями. Висока твердість є також однією із причин підвищеної корозійної стійкості цих сталей, яка перевищує стійкість вуглецевої сталі в таких же умовах приблизно в 100 разів (за тривалістю експлуатації).

Щільність сталей залежить від вмісту в них кремнію і коливається в межах 6,7...7,0 г/см³. Кремній дуже знижує теплопровідність сталі, яка в 2 рази нижча, ніж вибіленого чавуну, тому виливки із цих сплавів не витримують швидкого або місцевого перегрівання.

Із висококремнистих сталей виготовляють виливки, які піддають дії сірчаної і азотної кислот до температур їх кипіння, соляної кислоти – при кімнатній температурі та інших мінеральних кислот. Особливу цінність має висока антикорозійна стійкість цих сталей в гарячій кислоті, що і визначає їх використання для виготовлення відповідних виливків хімічної промисловості замісить дорогих і дефіцитних корозійностійких сталей. При цьому треба мати на увазі, що навіть в інтервалі 12...16% кремнію, чим вищий його вміст, тим вищий опір корозії.

Ці сталі мають високу стійкість по відношенню до оксидів азоту при підвищених температурах, сухого або вологого хлору, сірководню, синильної кислоти, розчинів хлористого амонію, альдегідів і інших агресивних середовищ. Сталі незамінні там, де у процесі виробництва виокремлюється водень в газоподібному стані. Вміст кремнію в сталях регулюють залежно від призначення виробів.

Метод виплавляння сталей цієї групи має велике значення для виготовлення якісних виливків. Основною умовою якісного виплавляння таких сталей є максимальна дегазація розплаву. Якщо це не вдається здійснити, то виливки неодмінно будуть неякісними. Під час випускання металу із печі та під час розливанні його у форми необхідно дуже точно витримувати температурний режим. Навіть короткочасне перегрівання розплаву після додавання феросиліцію суттєво відбивається на остаточному вмісті водню у виливку.

Температура розплаву під час виплавляння сталі не має перевищувати 1450°С. При більшій температурі перегрівання рідкої сталі, навіть короткочасному, виливки мають велику кількість газових дефектів.

Останнім часом знайшов використання подвійний процес виплавляння висококремнистих сталей. Спочатку виготовляють заготовки чушкового металу. Чушки виготовляють у піщаних формах або на ливарній машині. При цьому значна частина газів видаляється при твердненні заготовок. Під час повторного переплавлення заготовок здійснюють додаткову дегазацію металу. Цей метод раціонально використовувати тоді, коли на переплав надходить ще гарячий метал, оскільки це є гарантією того, що метал не вмістить у собі великої кількості поглинутих газів. Під час переплавлення метал не перегрівають як у випадку додавання феросиліцію і наявності екзотермічної реакції. Це дає можливість здійснювати плавку з додержуванням правильного температурного режиму.

Узагальнюючи матеріал літературних джерел щодо сталей з високим вмістом кремнію під час їх виплавляння необхідно враховувати наступне:

– треба вибирати такі шихтові матеріали, які дають можливість одержувати в металі найменшу кількість водню;

– навуглецьовування металу слід здійснювати тільки вибіленим чавуном;

– попереджувати місцеві перегрівання розплаву;

– використовувати подвійний процес виплавляння і під час переплавляння менше перегрівати метал;

– плавлення доцільно здійснювати у високочастотній індукційній печі з кислою футеровкою.

У зв’язку з тим, що виливки із сталей цього класу дуже крихкі і в них можуть накопичуватися великі внутрішні напружини, необхідно, щоб конструктивні форми виливка задовольняли правилам уписаної кулі, тобто створювали умови напрямленого тверднення.

У виливках із цих сталей зовсім неприпустимі гострі кути. Виливки мають бути простої конфігурації і без будь-яких потовщень. Для запобігання утворення тріщин необхідно у відповідних місцях установлювати ребра. Оскільки сталі практично не можна обробляти різанням, необхідно ще під час проектування литих деталей передбачати мінімальну кількість отворів і западин, які виконуються стрижнями.

Із цих сталей не можна виготовляти деталі, швидкість обертання яких при експлуатації перебільшує 30 с^–1 або які працюють під тиском, що перевищує 0,3...0,4 МПа.

Для виготовлення виливків використовують сухі форми та стрижні, що мають мінімальну газотвірну здатність. Стрижні повинні легко видалятися із виливка після його тверднення.

Не дивлячись на те, що з сталей цього класу виготовляють виливки в невеликих кількостях і виробництво їх досить складне, їх часто використовують як висококислотостійкі сплави в хімічному машинобудуванні, де вони є незамінними.