2. Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочностью называется способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению, когда рабочие температуры деталей превышают 0,3t_пл.

Основные группы жаропрочных материалов.

1. Перлитные стали работают при температурах не выше 500–580 С. Являются низкоуглеродистыми, содержат от 0,08 до 0,3 % С и не более 2–3 % карбидообразующих элементов, из которых самые важные – Мо, Cr и v (12Х1МФ). Перлитные стали пластичны в холодном состоянии, удовлетворительно обрабатываются резанием и свариваются. Оптимальной термической обработкой являются нормализация после нагрева до 1000 С и последующий отпуск при 650–750 С в течение 2–3 ч.

2. Мартенситные стали предназначены для изделий, работающих при 450–600 С. От перлитных они отличаются повышенной стойкостью к окислению в атмосфере пара или топочных газов. По своей жаропрочности эти стали немного превосходят перлитные.

Различают две группы мартенситных сталей:

1. стали с содержанием хрома 10–12 %, добавками Мо, V, Nb, W и низким (0,10–0,15 %) содержанием углерода (15ХМ, 15Х11МФ). Оптимальная термическая обработка заключается в закалке или нормализации после нагрева до 950–1100 С (для растворения карбидов) и отпуске при 600–740 С. Мартенситные стали данной группы имеют разнообразное применение в паровых турбинах.

2. сильхромы с содержанием хрома 5–10 %, добавками кремния в количестве до 2–3 % и повышенным содержанием углерода (до 0,4 %). Чем больше содержание хрома и кремния в стали, тем выше ее рабочая температура. сталь 40Х10С2М закаливают после нагрева до 1030 С и отпускают при 720–780 С. сильхромы используются для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания.

3. Аустенитные стали по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали, используют их при температурах выше 600 С. Основные легирующие элементы – хром и никель. Однофазные стали имеют устойчивую структуру однородного аустенита с незначительным содержанием карбонитридов титана или ниобия (для предупреждения мeжкристаллитной коррозии). Такая структура получается после закалки от 1020–1100 С. Стали этой группы применяют как жаропрочные в теплоэнергетике (например, 12Х18Н10Т). Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением – самые жаропрочные. Для повышения жаропрочности аустенита стали легируют Сг, Мо, W. Добавки Al, Ti, Nb и Та служат для формирования выделений упрочняющей фазы типа Ni₃Al. Их упрочняют закалкой и старением. Например, сталь 10Х11Н20Т3Р закаливают от 1100–1170 С и старят при 700–750 с в течение 15–25 ч. Хорошо известная сталь ЭИ69 (40Х14Н14В2М), имея аустенитную однофазную структуру, является термически неупрочняемой, способами упрочнения является высокое легирование твердого раствора и деформация (наклеп).

Жаропрочные никелевые сплавы.

Жаропрочные никелевые сплавы (нимоники) содержат, как правило, 10–12 % Cr и такие элементы, как W, Мо, V, Со, Al, Ti, в и др.

Термическая обработка сплавов заключается в закалке с 1080–1250 С и старении. Жаропрочные никелевые сплавы подразделяются на литейные и деформируемые. Широко используется деформируемый сплав ЭИ437Б (ХН77ТЮР), термически упрочняемый при старении (700 С), для изготовления дисков и лопаток турбины реактивного двигателя.

Для изготовления монокристаллических и литых лопаток применяют сплав ЖС6–К, это литейный сплав, более легированный (сумма Cr, W, Mo, Co, Al, Ti достигает более 30 %). Указанные сплавы способны работать при температурах до 900–1000 С.