Жаростойкие и жаропрочные стали

Жаростойкие стали. Под жаростойкостью (окалиностойкостью) пони­мают сопротивление металла окислению в газовой среде при высоких тем­пературах. К жаростойким относят стали, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при температурах выше 550 °С.

Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами (хромом, алюминием и кремнием), имеющими большее сродство к кислороду, чем железо, и образующими на поверхности стали плотные оксидные пленки

типа (Сг Fe)₂0₃, (Al,Fe)₂0₃ и др. В связи с тем, что диффузия (особенно ки­слорода) через эти пленки затруднена, наличие на поверхности указанных тонких пленок приводит к торможению процесса дальнейшего окисления. Стали, легированные Сг и Si, называют сильхромами; Сг и А1 — хромалями; Сг—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 40X10С2М) — см. табл. 7.3. Ускоренное охлаждение после отпуска в масле или на воздухе необходимо для избежания охрупчивания сильхромов в интервале 450—600 °С. Силь-хромы 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 12Х18Н9Т и 36Х18Н25С2 (см. табл. 7.1 и 7.3) 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.

Жаропрочные стали. Жаропрочные стали используются при работе под нагрузкой (в течение заданного промежутка времени) и обладают доста­точной жаростойкостью при температурах выше 500 °С. Легирование вносит существенный вклад в повышение жаропрочности сталей: во-первых, воз­растает энергия межатомной связи в твердых растворах (а следовательно, затормаживаются диффузионные процессы); во-вторых, за счет легирования и термической обработки (закалка с последующим старением) формируется специальная гетерогенная структура, состоящая из твердого раствора и вкрапленных в него дисперсных карбидных или интерметаллидных фаз, ко­герентных с основой.

Жаропрочные стали перлитного класса — это низколегирован­ные стали (12Х1МФ, 25Х1М1Ф, 20Х1М1Ф1БР и др.), содержащие 0,08—0,25% С и легирующие элементы — Сг, V, Mo, Nb (см. табл. 7.1). Ряд легирующих эле­ментов (например, Мо, Сг), растворяясь в феррите, затормаживает диф­фузионные процессы, повышая тем самым прокаливаемость, температуру рекри­сталлизации и жаропрочность сталей. Роль ванадия и ниобия заключается в об-

разовании дисперсных карбидов, упрочняющих твердый раствор. Хром по­вышает жаростойкость. Предельное максимальное содержание углерода 0,25% ограничивается опасностью обеднения феррита молибденом и сниже­ния в связи с этим уровня прочностных и технологических свойств. Лучший комплекс механических свойств обеспечивается закалкой в масле (или нор­мализацией) с 880—1080 °С с последующим высоким отпуском при 640— 750 °С. Стали перлитного класса используются для изготовления деталей, длительно (10000 ч и более) работающих в режиме ползучести при темпера­турах до 500—580 °С и малых нагрузках: это трубы пароперегревателей, арматура паровых котлов, детали крепежа. Длительная прочность ст⁵⁸° для

стали 12Х1МФ при 580 °С равна 120 МПа.

Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов (15X11МФ, 11Х11Н2В2МФ, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР и др.) используются при температурах до 580—600 °С. Введение в высокохроми­стые (8—13% Сг) стали вольфрама и ванадия совместно с молибденом спо­собствует существенному повышению их жаропрочности. Стали с меньшим содержанием хрома (до 11% Сг) принадлежат к мартенситному классу, а с большим (11—13% Сг) — к мартенситно-ферритному. Стали закаливают на мартенсит с температур 1000—1100 °С в масле или на воздухе (см. табл. 7.3). В процессе нагрева под закалку происходит растворение в аустените карбидов М₂зС₆ и МвС. После отпуска при 600—750 °С стали приобретают структуру сорбита (смесь упрочненного легированного феррита и выделившихся мел­ких карбидов). Длительная прочность стали 15Х12ВНМФ составляет при 550 °С а", =200 МПа. Стали используют для изготовления деталей газовых

турбин и паросиловых установок.

К жаропрочным сталям мартенситного класса можно отнести также силь-хромы 40Х9С2 и 40X10С2М, рассмотренные в разделе жаростойких сталей.

Аустенитные стали обладают большей жаропрочностью, чем мартенситные, — их рабочие температуры достигают 700—750 °С. Аусте­нитные стали пластичны, хорошо свариваются. По способу упрочнения ау­стенитные стали подразделяют на три группы:

1) твердые растворы, не упрочняемые старением;

2) твердые растворы с карбидным (МС, М7С3, MbQ, МбС) упрочнением;

3) твердые растворы с интерметаллидным (Ni₃Ti, №зА1, Ni₃(Ti,Al),
МзМЬ и др.) упрочнением.

Стали первой группы (08Х15Н24В4ТР, 09Х14Н19В2БР) применяют в закаленном состоянии (закалка 1100—1160 °С, вода или воздух). Эти. стали используют для изготовления трубопроводов силовых установок высокого давления, работающих при 600—700 °С.

Аустенитные жаропрочные стали с карбидным и интерметаллидным уп­рочнением, как правило, подвергают закалке с 1050—1200 °С в воде, масле

или на воздухе и последующему старению при 600—850 °С. При закалке происходит растворение карбидов и интерметаллидов в твердом растворе (аустените) с их последующим выделением в мелкодисперсном виде при старении. Иногда применяют двойную закалку и ступенчатое старение.

В аустенитных сталях с карбидным упрочнением 45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС высокая жаропрочность достигается введением в хромо-никелевый аустенит 0,3—0,5% углерода и карбидообразующих элементов — Mo, W, V и др. После закалки, в процессе последующего старения образуют­ся дисперсные карбиды типа М₂зС₆ и МС, повышающие механические свой­ства сталей. Сталь 45Х14Н14В2М в отожженном состоянии (после выдерж­ки при 810—830 °С с охлаждением на воздухе) используют для изготовления клапанов авиационных двигателей (табл. 7.3).

Стали с интерметаллидным упрочнением (10Х11Н20ТЗР, 10X11Н23ТЗМР) содержат небольшое количество углерода и дополнительно легированы титаном, алюминием, молибденом и бором (см. табл. 7.1). Титан и алюминий образуют основную упрочняющую у'-фазу (Ni₃Ti или Ni₃TiAl). Бор упрочняет границы зерен аустенита. Молибден легирует твердый рас­твор, повышая энергию межатомной связи. Стали используют для изготов­ления камер сгорания, дисков и лопаток турбин, а также сварных конструк­ций, работающих при температурах до 700 °С.

Жаропрочные сплавы на железоникелевой основе (например, ХН35ВТ, ХН35ВТЮ и др.) дополнительно легированы хромом, титаном, вольфрамом, алюминием, бором (см. табл. 7.1). Они упрочняются, как и ау-стенитные стали, закалкой и старением (см. табл. 7.3). Сплав ХН35ВТЮ применяют для изготовления турбинных лопаток и дисков, колец соплового аппарата и других деталей, работающих при температурах до 750 °С.

Контрольные вопросы

1. Какое влияние оказывают легирующие элементы на дислокационную структуру стали?

2. Какова взаимосвязь между дислокационной структурой и свойствами сталей?

3. Как влияют легирующие элементы на свойства стали?

4. Почему легированные стали перлитного и мартенситного классов целесообраз­нее закаливать в масле, а не в воде?

5. Какой элемент, в первую очередь, обеспечивает коррозионную стойкость стали?

6. Что такое отпускная хрупкость стали, в чем она проявляется и как ее можно уст­ранить?

7. В чем принципиальное различие структуры и свойств сталей перлитного, мар­тенситного и аустенитного классов после нормализации?

8. Какой термической обработкой упрочняются аустенитные жаропрочные стали?

9. Какими эксплуатационными свойствами должны обладать пружинные и шари­коподшипниковые стали?