4.2.4.2 Сталі з карбідним зміцненням

Сталі з карбідним зміцненням (45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС) призначені для роботи при температурах 650...750 °С та високих рівнях напружень. Їх використовують для виготовлення відповідальних деталей енергомашинобудування (клапани ДВЗ, диски та лопатки турбін, деталі кріплення) [1].

Відносно високі жароміцні властивості сталей цього типу обумовлені двома основними факторами: багатокомпонентним легуванням матриці та наявністю субмікроскопічної тонкої структури, яка утворюється при виділенні карбідних фаз.

Основа сталей цієї групи – хромонікелевий або хромонікельмарганцевий аустеніт, що містить 0,25...0,5 % С.

З метою забезпечення достатнього рівня опору окисленню всі сталі цього класу містять не менше 12 % Cr. При вивченні впливу фазового складу сталей на жароміцність було показано, що найбільш високою жароміцністю володіють чисто аустенітні сталі (без наявності -фази), в зв’язку із чим кількість вуглецю та інших аустенітостабілізаторів – нікелю, марганцю, азоту – повинна бути такою, щоб при усіх варіантах термічної обробки забезпечувався стійкий аустенітний стан [10].

Було встановлено, що присутність марганцю сприяє деякому підвищенню жароміцності сталей. Однак сталі із повною заміною нікелю марганцем, тобто на основі хромомарганцевого аустеніту, не знайшли широкого використання як жароміцний матеріал в зв’язку з їх недостатньою жаростійкістю та низькою температурою плавлення, оскільки необхідно знижувати вміст хрому в сталях для забезпечення аустенітної структури [1].

Особливість легування аустенітних сталей із карбідним зміцненням полягає ще в тому, що в процесі старіння повинна виділятися значна об’ємна кількість карбідів для забезпечення високої міцності при підвищених температурах при збереженні високої пластичності. Поєднання високих показників міцності та пластичності досягається завдяки тому, що дисперсійне твердіння в сталях відбувається завдяки виділенню з твердого розчину не одного якогось карбіду, а декількох типів карбідів водночас або в певній послідовності. При цьому швидкість виділення та характер розподілення різноманітних карбідних фаз суттєво відрізняються. Реалізація такого принципу зміцнення дисперсійнотвердіючих матеріалів дозволяє суттєво уповільнити швидкість руху дислокацій всередині зерен, зменшити ефект проковзування зерен одне відносно іншого та зберегти в структурі деякий об’єм зерен, що вільний від виділень. Останній фактор дозволяє релаксувати піковим напруженням, що виникають в структурі в процесі повзучості. Тим самим створюються передумови для збереження певного рівня пластичності сталі.

В складі аустенітних сталей з карбідним типом зміцнення обов’язково присутні карбідоутворювачі V, Nb, W, Mo, що зв‘язують частину вуглецю в спецкарбіди, а також зміцнюють аустенітну матрицю. Фазами-зміцнювачами в сталях цього типу є карбіди ванадію та ніобію (VC, NbC), а також хрому (типу Ме₂₃С₆ та Ме₇С₃), останні також можуть розчиняти в собі інші елементи (Fe, W, Mo тощо) [10].

Структура та механічні властивості сталей в значній мірі залежать від термічної обробки, умов старіння. Термічна обробка для сталей цієї групи складається з двох операцій:

1. Гартування (від 1050...1200 °С), метою якого є розчинення карбідних та інтерметалідних фаз та отримання після охолодження однорідного високолегованого твердого розчину з найменшою твердістю. Іноді для підвищення жароміцності використовують подвійне гартування: перше гартування (нормалізація) від 1150...1200 °С для отримання крупного зерна, оскільки ця структура характеризується більш високим опором повзучості, та друге – від 1000...1100 °С для забезпечення гетерогенності сплаву.

2. Старіння при 600...850 °С. Воно призначене для виділення дисперсних фаз (карбідів) з твердого розчину. При цьому температура старіння не повинна призвести до помітної коагуляції надлишкових фаз [3].

Із всієї групи монокарбідів найменш стійким є карбід ванадію. Характерною особливістю цього карбіду є те, що він починає розчинятися в матриці при порівняно низьких температурах та вище 950…980 °С увесь карбід ванадію переходе в твердий розчин. При старінні, навпаки, карбід ванадію інтенсивно виділяється з твердого розчину, утворюючи структуру, що характерна для безперервного розпаду. Завдяки стійкому когерентному зв’язку карбіду із матрицею він впродовж тривалого часу зберігає високу дисперсність, зміцнюючи тим самим сталь при тривалій експлуатації.

Спеціальні карбіди ніобію типу МеС в процесах старіння майже не беруть участь, оскільки мають високі температури розчинення при аустенітизації (карбіди та карбонітриди ніобію починають розчинятися тільки після нагріву вище 1250 °С), і в основному присутні в сталях у вигляді первинних виділень. Позитивна роль цих фаз полягає в тому, що вони перешкоджають росту аустенітного зерна при нагріванні, та утворенню різнозеренності.

Рівень жароміцності та термічна стабільність сталей даного класу залежать від температури старіння. При низьких температурах (500…600 °С) виділення карбідних фаз відбувається повільно, утворюються високодисперсні частинки, властивості міцності при ізотермічній витримці безперервно зростають. Із підвищенням температури старіння (або випробування) швидкість процесів виділення та коагуляції зростає, досягається певний максимум зміцнення, положення якого залежить від складу сплаву. Чим розвиненіше склад карбідних фаз, тим більш легованим є аустеніт сталі, та тим більшим є ефект зміцнення при старінні та повільніше розвиваються процеси знеміцнення. З метою отримання найбільш вигідних властивостей для цих сталей використовують старіння при температурах на 100…150 °С вище робочої температури або подвійне старіння (низькотемпературне + високотемпературне).

При подвійній термічній обробці використання низькотемпературного старіння забезпечує рівномірне виділення зміцнювальних фаз; високотемпературна стадія слугує для зняття напружень.

З метою запобігання короблення та розтріскування виробів при термічній обробці не слід допускати вилежування сталей між операціями подвійного старіння.

Тривала міцність та опір втомі сталей в значній мірі залежать від однорідності розмірів зерен. В зв’язку з цим не рекомендується перегрівати сталі вище 1160 °С та завершувати деформацію нижче 1000 °С з метою отримання рівномірної структури [10].

В табл. 4.5 наведено властивості основних аустенітних сталей із карбідним зміцненням.