4.2.6 Жароміцні сплави на основі кобальту

Жароміцні сплави на основі кобальту мають більш низькі характеристики жароміцності в порівнянні зі сплавами на основі нікелю, до того ж вони є дуже коштовними. Рівень жароміцності кобальтових сплавів пов’язаний зі зміцненням твердого розчину при легуванні та із виділенням зміцнювальних фаз.

Кобальтові сплави внаслідок специфіки механізмів зміцнення мають підвищений вміст вуглецю, зазвичай від 0,25 до 1 %.

Перевагами сплавів на основі кобальту є їх висока корозійна стійкість при підвищених температурах, наприклад в продуктах горіння палива, що містить сірку; такі сплави характеризуються високою стабільністю структури при тривалих термінах експлуатації під навантаженням й, внаслідок цього, мають більш похилий хід кривих залежності властивостей міцності від температури та часу витримки; кобальтові сплави мають більш високу теплопровідність та менший коефіцієнт термічного розширення, ніж нікелеві жароміцні сплави. Тому кобальтові сплави краще підходять для виготовлення деталей, що призначені для тривалої роботи в корозійному середовищі, в умовах термічної втоми та виробів порівняно крупних розмірів (наприклад, соплові та робочі лопатки потужних газових турбін). Прикладами жароміцних кобальтових сплавів є такі: ЭИ 416 (0,35…0,45 % C, 18…21 % Cr, 18…22 % Ni, 3,5…5,8 % Mo, 3,8…5,8 % W), Віталіум (ЛКУ) (0,20…0,35 % C, 25…30 % Cr, 1,5…3,5 % Ni, 4,5…6,5 % Mo), S-816 (0,34…0,42 % C, 19…21 % Cr, 20 % Ni, 3,5…5,5 % Mo, 3,5…5,0 % W, 4,0…5,0 % Nb).

В кобальтових сплавах можуть утворюватися такі фази: γ-матриця з ГЦК-граткою, карбіди, бориди, карбонітриди та топологічно щільно паковані (ТЩП) фази (σ, μ, фази Лавеса). Інтерметалідна -фаза в них не виділяється. При ретельному контролі складу утворення ТЩП-фаз, що мають негативний вплив на жароміцність та пластичність, можна уникнути, тобто, жароміцні кобальтові сплави будуть складатися з γ-твердого розчину та зміцнювальних карбідних та карбонітридних фаз.

Марганець та залізо негативно впливають на жароміцність та жаростійкість сплавів на основі кобальту, а благородні метали є коштовними та дефіцитними; тому легування такими елементами не використовується. Тому основним елементом, що стабілізує ГЦК-структуру, в сплавах на основі кобальту є нікель. Вміст нікелю в жароміцних кобальтових сплавах зазвичай складає 10…30 %. Важливе значення в цих сплавах має хром, який забезпечує високу корозійну стійкість та позитивно впливає на їх жароміцність. Вміст хрому в деформівних сплавах звичайно складає 18…20 %, а в ливарних – 23…28 %, що значно вище, ніж є припустимим в сплавах на нікелевій основі. Крім того, в сплави додають до 10 % W або Мо та W (сумарно), а також Nb, Ti, V. Молібден та вольфрам є водночас зміцнювачами твердого розчину та частково входять в карбідні фази, а Nb, Ti, V в основному присутні в карбідах. В кобальтових сплавах зазвичай утворюються карбіди типів МеС, Ме₆С, Ме₇С₃, Ме₂₃С₆ [1].

4.2.7 Інші матеріали

4.2.7.1 Помірно жароміцні матеріали

До помірно жароміцних матеріалів можна віднести високолеговані чавуни із кулястим графітом. Механічні властивості деяких високолегованих чавунів при підвищених температурах наведені в табл. 4.9 [7].

Таблиця 4.9 – Механічні властивості (не менше) високолегованих чавунів [7]

Чавун	20 °С				600 °С
	σВ	σТ	δ, %	КСU, Дж/см2	σ10	σ1000	vповз, %/год (σ=40 МПа)
	МПа				МПа
ЧЮ22-Ш	350	–	0,5	5	100	–	4,0·10-5*
ЧН11Г7-Ш	300	180	10,0	20	–	120	1,8·10-4
ЧН19Х3-Ш	250	180	2,0	20	–	120	1,0·10-4, 2,0·10-4*

Примітка.

*Швидкість повзучості при 700°С та напруженні 30МПа.

Жароміцні кольорові сплави на основі магнію, алюмінію та титану можна вважати як помірно жароміцні. Вказані матеріали, незважаючи на більш високу коштовність, використовують в тих випадках, якщо не можна використовувати сталі внаслідок їх високої густини. Однак вони є менш жароміцними та використовуються при таких температурах: сплави магнію – до 150…250 °С, сплави алюмінію – до 300…350 °С (за виключенням САП, які можна використовувати до 500 °С), сплави титану – до 500…600 °С.

Властивості деяких жароміцних сплавів магнію наведені в табл. 4.10. Недоліками магнієвих сплавів є їх низька технологічність при плавленні, литті, обробці тиском та термообробці; недостатня корозійна стійкість і жароміцність у порівнянні з алюмінієвими сплавами [7].

Таблиця 4.10 – Властивості жароміцних сплавів магнію та алюмінію [7]

Сплав	Рекомендована Текспл,	Твипр	σВ	σ100	σ0,2/100
	°С		МПа
Сплави на основі магнію
Деформівні
МА8 МА9 МА11	150-200 150-200 200-250	200 200 250	130 170 180	75 70 80	35 28 20
Ливарні
МЛ15 МЛ11	150-200 200-250	200 250	120 120	65 50	40 30
Сплави на основі алюмінію
Деформівні
ВД17 АК4 Д20	250-300 250-300 250-300	300 300 300	170 160 180	55 40 80	32 35 65
Ливарні
АЛ19 АЛ21 АЛ33	250-300 300-325 300-350	300 300 300	150 – 160	65 70-80 90	40 50 –
Спечені
САП-1	300-500	350 500	– –	70 40	60 30

Алюмінієві сплави більш міцні та мають високі технологічні властивості. Високі тепло- та електропровідність дозволяють використовують їх як провідникові матеріали. Жароміцні алюмінієві сплави широко використовуються в різноманітних галузях промисловості, також і в авіаційній та ракетній техніці. Властивості основних алюмінієвих жароміцних сплавів приведені в табл. 4.10.

Властивості та галузі використання жароміцних сплавів титану приведені в табл. 4.11 [7].

Таблиця 4.11 – Властивості та галузі використання жароміцних титанових сплавів [7]

Сплав	Текспл, °С	Використання	Твипр, °С	σВ	σ100	σ0,2/100	σ-1, (N=107)
				МПа
α-сплави
ОТ4	350-400	Корпусні деталі	400	560	390	200	230-250
ВТ5-1	450-500	Те ж саме	500	480	310	150	270
ВТ20	500-550	Те ж саме, фа-сонні відливки	500	690	450-480	150-170	360
ВТ18	550-600	Лопатки ком-пресора та ін.	500 600	880 770	650-700 300-330	370 110	– 400-430
(α+β)-сплави
ВТ3-1	350-400	Лопатки, дис-ки, кільця, де-талі кріплен-ня, фасонні відливки	400	800/950	780/920	500/250	450-480*
ВТ8	450-500	Деталі авіадвигунів	500	750/870	500/580	250	440
ВТ9	450-500	Деталі комп-ресора, фасон-ні відливки	500	750	600/7890	350/450	420*
ВТ25	500-550	Деталі авіадвигунів	500	850/900	680/750	360	420*

Примітка. 1. *База випробувань N=2·10⁷

2. В чисельнику вказано значення для сплавів у відпаленому, а в знаменнику – в термічнозміцненому (після гарту та старіння) стані.