4.1.1 Принципи легування жаростійких сталей
Окалина, що утворюються на залізі та сталях при нагріванні в повітрі або середовищах, що містять кисень, складається з трьох шарів: вюстита FeO, магнетиту Fe3O4 та гематиту Fe2O3.
Будова дифузійного шару відповідає ізотермічним перерізам відповідної діаграми стану (рис. 4.3) при температурі дифузії. При температурах нижче евтектоїдної (570 °С) окислений шар складається з двох зон окислів: Fe2O3 та Fe3O4. Кристалічна структура цих окислів складна, й швидкість дифузії в них низька [4].
Рисунок 4.3 – Діаграма стану Fe-О2 [4]
При температурах вище 570 °С структура окалини складається з трьох окислів: Fe2O3, Fe3O4 та FeO, при чому основним шаром окалини є окис FeO. Вюстит FeO уявляє собою твердий розчин віднімання із дефіцитом атомів заліза; наявність значної кількості вакансій у окисла FeO значно полегшує проходження дифузійних процесів. Окисли Fe3O4 та особливо Fe2O3 містять малу кількість вакансій й тому вони володіють кращими захисними властивостями. Кількість окисла FeO в окалині, що отримана при температурі вище 570 °С, в 10 разів більша, ніж окисла Fe3O4 та в 100 разів більша, ніж окисла Fe2O3.
Для отримання доброї захисної плівки у заліза при температурах вище 570 °С необхідно створити такі умови, щоб виключалося утворення окисла FeO та стимулювалося б утворення окисла типу Fe2O3. Для цього необхідно до заліза додавати елементи, які із киснем утворюють сполуки, що є ізоморфними окислу Fe2O3, та більш споріднені до кисню ніж залізо. До таких елементів відносяться хром та алюміній, що утворюють окисли Cr2O3, Al2O3 При нагріванні хром та алюміній, що знаходяться в розчині заліза, в першу чергу з’єднуються із киснем та утворюють надійний захисний шар, що складається з плівки окислів (Cr,Fe)2O3, (Al,Fe)2O3. Тому для підвищення жаростійкості залізо, яке не може експлуатуватися в окислювальних середовищах вище 570°С, легують хромом або алюмінієм. Коефіцієнт еквівалентності (Кекв) Al по відношенню до Cr складає 1:10.
Так, введення в сталь 5…8 % Cr підвищує окалиностійкість до 700...750 °С; збільшення Cr до 15...17 % робить сталь окалиностійкою до 950...1000 °С, а при введенні 25 % Cr сталь зберігає окалиностійкість до 1100 °С. Легування сталі з 25 % Сr алюмінієм в кількості 5 % підвищує окалиностійкість до 1300 °С [2, 4].
Окис кремнію (SiO2), також як і окиси хрому, алюмінію є керамічним матеріалом, що володіє високою стійкістю при підвищених температурах, тому кремній як легувальний елемент широко використовується для підвищення жаростійкості сталей.
Сплави з високим вмістом кремнію або алюмінію є нетехнологічними: вони крихкі та важко оброблюються тиском, тому ці елементи додають до складу сталей в незначних кількостях.
Опір окисленню хромистих сталей порівняно мало залежить від вмісту вуглецю. Знижений вміст вуглецю в жаростійких сталях обумовлений вимогами забезпечення феритної структури та технологічних властивостей, а не жаростійкістю [4].
Нікель має більш високу жаростійкістю, ніж залізо в окислювальних середовищах. Нікель утворює тільки окисел NiO, який на відміну від вюстита FeO має в структурі мало вакансій, що утруднює дифузію крізь плівку окисла. Позитивний вплив нікелю на жаростійкість сталей стає помітним при його достатньо високому вмісті, зазвичай більше 10…12 %. Вважають, що максимальний опір окисленню при температурах 800…1200 °С у Сr-Ni сталей може бути отриманий в достатньо широкому інтервалі концентраційних співвідношень хрому та нікелю, при цьому чим вищим є вміст хрому, тим в меншому ступені потрібний нікель для досягнення високої жаростійкості.
Кобальт може утворювати окисли СоО та Со3О4 та займає по жаростійкості проміжне положення між залізом та нікелем. Легування кобальтом мало змінює жаростійкість сталей.
Ванадій, молібден та вольфрам мають негативний вплив на жаростійкість сталей та сплавів внаслідок утворення окислів із низькими температурами плавлення та випаровування. Так, молібден може утворювати окисел МоО3 з температурою плавлення 795 °С, а ванадій – окисел V2О5 з температурою плавлення 658 °С. Температури плавлення та випаровування окислів вольфраму та його негативний вплив проявляється при більш високих температурах випробування (вище 1000 °С). Додавання цих елементів викликає утворення пористої, пухкої окалини, яка не володіє захисними властивостями.
Вплив марганцю на жаростійкість сталей та сплавів вважається негативним, що виявляється при високих температурах випробування (вище 800°С) й утворенні пухкої та крихкої окалини.
Таким чином, жаростійкі сплави переважно є сплавами заліза із хромом (рідше із нікелем). Для збільшення жаростійкості їх додатково легують алюмінієм та кремнієм, але в незначних кількостях (менше 4 %). Сталі, що леговані Cr та Si називають сильхромами; Cr та Al – хромалями (або фехралями); Cr-Si-Al – сильхромалями. Сприятливий вплив кремнію на жаростійкість проявляється в основному в окислювальному середовищі. В присутності газів, що містять велику кількість парів води, при високих температурах в кремністих сталях спостерігається більш сильне руйнування, ніж в хромистих та хромонікелевих [1].
Чим вищий вміст хрому, алюмінію або кремнію в сталі, тим більшою є окалиностійкість сталі та тим більш високими є температури, до яких вони зберігають необхідні експлуатаційні властивості. Мінімальний вміст хрому, що забезпечує окалиностійкість при різних температурах, можна визначити із рис. 4.4. При робочій температурі 900 °С для достатньої окалиностійкості сплав (сталь) повинний містити не менше 10 % Cr, а при робочій температурі 1100 °С – не менше 20…25 % C [2].
1 – феритні сталі; 2 – аустенітні сталі
Рисунок 4.4 – Вплив хрому на окалиностійкість сталі [2]
Є важливим те, що окалиностійкість, яка суттєво залежить від складу сталі або сплаву, не залежить від його структури, тобто ця властивість є структурно нечутливою. Так, окалиностійкість феритних (чисто хромистих) та аустенітних (хромонікелевих) сплавів, як можна побачити з рис. 4.4, є практично однаковою [2].
Нижче розглядаються сталі та сплави, що найбільш часто використовуються як жаростійкі.