Жаростойкие стали

Жаростойкость (окалиностойкость) характеризует сопротивление металла окислению при высоких температурах.

Начальная стадия окисления стали – чисто химический процесс. Но дальнейшее течение окисления – уже сложный процесс, заключающийся не только в химическом соединее кислорода и металла, но и в диффузии атомов кислорода и металла через многофазный окисленный слой. При плотной оксидной пленке скорость нарастания окалины определяется скоростью диффузии атомов сквозь толщину окалины, что в свою очередь зависит от температуры и строения оксидной пленки.

С повышением температуры скорость окисления возрастает (рис. 6), особенно резко при 570 °С, когда вместо плотных оксидов типа Fe₂O₃ и Fe₃O₄ образуется рыхлый оксид FeO.

Повышение жаростойкости достигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, то есть элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки окислов (Cr, Fe)₂O₃, (Al, Fe)₂O₃. Введение в сталь 5…8 % Cr повышает окалиностойкость до 700…750 °С; увеличение содержания Cr до 15…17 % делает сталь окалиностойкой до 950…1000 °С, а при введении 25 % Cr сталь остается окалиностойкой до 1100 °С. Легирование сталей с 25 % Cr алюминием в количестве 5 % повышает жаростойкость до 1300 °С.

Рис. 6. Влияние температуры на скорость окисления железа

Важно, что окалиностойкость, столь существенно зависящая от состава стали или сплава, не зависит от его структуры, то есть это свойство структурно нечувствительное. Так, окалиностойкость ферритных (чисто хромистых) и аустенитных (хромоникелевых) сталей, как видно из рис. 7. практически одинакова.

В табл. 8 приведены составы сталей и сплавов, применяемых как жаростойкие. Предельная температура эксплуатации указана в таблице и показывает температуру, выше которой сплав не должен нагреваться при работе во избежание быстрого окисления. Поскольку повышение предельной температуры эксплуатации создается за счет дорогого легирования, то следует точно определять температуру условия работы металла и выбирать в соответствии с этой таблицей и другими справочными данными жаростойкий сплав.

Рис. 7. Влияние хрома на окалиностойкость сталей:

1 – ферритных; 2 – аустенитных

В табл. 9 представлены механические свойства и режимы термообработки некоторых жаростойких сталей.

К жаростойким (окалиностойким) сталям относят все 13 %-ные хромистые нержавеющие стали, сложнолегированные хромистые нержавеющие стали и др.

Стали, легированные Сr и Si, называют сильхромами; Сr и Аl – хромалями; Сr-А1-Si – сильхромалями. Среди сильхромов широкое применение получили жаростойкие (с температурой окалинообразования 850 °С) и одновременно жаропрочные (до 600 °С) стали мартенситного класса 40Х9С2 и 40Х10С2М. Стали подвергаются закалке в масле с 1000…1050 °С с последующим отпуском при 500…540 °С (охлаждение на воздухе; сталь 40Х9С2) или при 720…780 °С (охлаждение в масле; сталь 40Х10С2М). Ускоренное охлаждение после отпуска в масле или на воздухе необходимо для избежания охрупчивания сильхромов в интервале 450…600 °С. Сильхромы применяют для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания и деталей печного отопления.

Сталь 10Х13СЮ (сильхромаль) окалиностойка до 950 °С; она устойчива в серосодержащих средах. Однако высокое содержание алюминия и кремния в сталях вызывает их охрупчивание, в связи с чем эти элементы добавляют в небольших количествах.

Ферритная сталь 08X17Т жаростойка до 900 °С и применяется в теплообменниках.

Аустенитные стали 12X18Н9Т и 36Х18Н25С2 обладают высокой технологичностью и достаточной прочностью при повышенных температурах. Они жаростойки соответственно до 800 и 1100 °С.

Сталь 36Х18Н25С2 благодаря добавке кремния обладает высокой жаростойкостью в среде с повышенным содержанием серы; она применяется для изготовления сопловых аппаратов и жаровых труб в газотурбинных установках.

Таблица 8.

Составы и применение некоторых жаростойких сталей

Марка стали	Окалино-стойкость, °С	Содержание элементов, %
		C	Si	Mn	Cr	Ni	Прочие			Применение
		не более
12Х17	900	0,12	0,8	0,8	16,0…18,0	-	-		Лист, пруток
15Х25	1050	0,15	1,0	0,8	24,0…27,0	-	Ti 0,5…0,9		Лист, пруток, трубы
12Х18Н9	850	0,12	2,0	2,0	17,0…19,0	8,0…10,0	-		Лист, пруток, трубы
10Х23Н18	1050	0,10	1,0	2,0	22,0…25,0	17,0…20,0	-		Лист, пруток
12Х25Н16Г7АР	1100	0,12	1,0	7,0	23,0…26,0	15,0…18,0	Ni 0,30…0,45 В 0,010		Лист, пруток
ХН32Т	1100	0,05	0,7	0,7	19,0…22,0	30,0…34,0	Ti 0,25…0,60		Лист, пруток, трубы
ХН45Ю	1300	0,10	1,0	1,0	15,0…17,0	44,0…46,0	Al 2,9…3,9		Лист, пруток, трубы
ХН78Т	1150	0,12	0,8	0,7	19,0…22,0	Основа	Ti 0,15…0,35		Лист, пруток
15Х25ТЛ	1050	0,15	0,5…1,2	0,5…0,8	24,0…27,0	-	Ti 0,4…0,8		Литые детали
30Х24Н12СЛ	1050	0,4	1,5…1,5	0,3…0,8	22,0…26,0	11,0…13,0	-		Литые детали
15Х25Н19СЛ2	1150	0,2	2,0…3,0	0,5…1,5	23,0…27,0	18,0…20,0	-		Литые детали

Таблица 9.

Механические свойства и режимы термообработки

некоторых жаростойких сталей

Марка стали	Термическая обработка при Т, °С; охлаждающая среда		σ0,2	σв	δ5		ψ	KCU
	закалка	отпуск (старение)	МПа		%			МДж/м2
40Х10С2М	1030 (вз, м)	750 (м)	735	930	10	35		0,20
10Х13СЮ	отжиг 850 (вз, м)	-	345	490	15		60	-
12X18Н9Т	1050 (в)	-	280	620	41		63	2,50
36Х18Н25С2	1200 (в)	800 (вз)	550	855	17		18	0,50
45X14H14B2M	1100 (в)	820 (вз)	315	710	20		35	-
Примечание. Охлаждающая среда: в – вода; вз – воздух; м – масло.

Жаропрочная и жаростойкая сталь аустенитного класса марки 45X14H14B2M работает в условиях высоких температур (до 1000 °С), сохраняет длительное время жаропрочность и жаростойкость без образования заметных остаточных деформаций. После закалки в воде от 1050...1100 °C сталь имеет структуру аустенита (рис. 8, а).

Рис.8 а. Микроструктура стали марки 45Х14Н14В2М

после закалки в воде от 1050…1100 °С, ×500

После закалки и старения при 750 °С структура стали состоит из аустенита и карбидов (рис. 8 б). Сталь применяется для изготовления клапанов мощных двигателей, трубопроводов и др.

Рис. 8 (б). Микроструктура стали марки 45Х14Н14В2М

после старения при 750 °С, ×500