Жаростойкие (окалиностойкие) стали

Способность металла сопротивляться химической коррозии в сухой газовой среде при высоких температурах называется жаро­ стойкостью или окалиностойкостъю.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали (ГОСТ 5632-72) – это стали, устойчивые против газовой коррозии при высоких темпе­ратурах (выше 550 °С).

Железо с кислородом может образовывать оксиды трех видов: F еО, F е₃О₄, F е₂О₃. До 560¸600° С окалина состоит преимущественно из плотного слоя оксидов F е₂О₃ и F е₃О₄, что затрудняет диффузию атомов кислорода и металла. Выше 600 °С происходит растрескивание этих оксидов и вместо них защита металла осуществляется лишь рыхлым оксидом F еО, что облегчает доступ кислорода к поверхности металла. Нагрев более 600 °С при­водит к интенсивному окислению сплавов на основе железа.

Основным фактором, влияющим на жаростойкость, является химический состав металла, определяющий защитные свойства ок­сидной пленки.

Повышения окалиностойкости достигают введением в сталь хрома, алюминия или кремния, т.е. элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные плён­ки оксидов типа (Сг, Fе)₂О₃ или (А1, Fе)₂О₃. Хром и алюминий  наряду с кремнием используют для повышения жаростойкости легированных сталей. Оксид легирующе­го элемента должен быть плотным, не подверженным растрескива­нию при нагреве, иметь высокие температуры сублимации и плавле­ния.

Введение в сталь 5¸8 % Сг повышает окалиностойкость до 750 °С; увеличение содержа­ния Сг до 17 % делает сталь окалиностойкой (до 1000 °С), а при введении 25 % Сг сталь остается окалиностойкой до 1100 °С. Ле­гирование сталей с 25 % Сг алюминием в количестве 5 % повы­шает окалиностойкость до 1300 °С. Окалиностойкость зависит от состава стали, а не от её структуры. В связи с этим окалиностой­кость (жаростойкость) ферритных и аустенитных сталей при рав­ном количестве хрома практически одинакова.

 Принцип минимально необходимого легирования применительно к выбору жаростойких сталей может быть сформулирован следующим образом: сумма легирующих элементов Σ ≥ ( 5 ¸ 8), 17 или 25 % Cr + n % ( А1 + Si ), где количество хрома должно скачкообразно возрастать по мере увеличения требуемой температуры эксплуатации.

Для изготовления различного рода высокотемпературных уста­новок, деталей печей и газовых турбин применяют ферритные (12X17, 15Х25Т и др.) и аустенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2, 20Х25Н20С2 и др.) стали, обладающие также жаропрочностью.

Температура окалиностойкости стали 15Х6СЮ составляет 800 °С, а стали 15Х18СЮ – около 1050 °С. Стали, легированные комплексом Сг + Si + А1 (10Х13СЮ, 15Х18СЮ и др.), устойчивы в серосодержащих средах. Стали, содержащие никель, плохо про­тивостоят действию сернистых газов, но они могут обладать вы­сокой окалиностойкостью и коррозионной стойкостью (стали 12Х18Н9Т, 08Х18Н10 и др.).

Учитывая, что высокое содержание алюминия и кремния спо­собствует охрупчиванию и ухудшает технологическую пластичность при обработке давлением, основным легирующим элементом в жаро­стойких сталях является хром. Жаростойкие свойства растут с увели­чением его содержания в стали. Сталь, содержащая 5 % Сг, сохраняет окалиностойкость до 600 °С (15X5), 9 % (40Х9С2 – до 800 °С, 17 % (08X17Т) – до 900 °С.

Для изготовления деталей печного оборудования применяют стали 20Х23Н18, 20Х25Н20С2, имеющие окалиностойкость до 1100 °С. Эти марки относятся к аустенитному классу и характеризу­ются не только высокой жаростойкостью, но и высокой жаропрочно­стью. Хотя уровень жаростойкости стали и ее максимальная рабочая температура в основном определяются содержанием хрома, повыше­ние температуры эксплуатации обусловливает одновременный рост концентрации никеля, что связано с необходимостью стабилизации аустенитной структуры.

Жаропрочные стали

При длительной работе под нагрузкой, не превышающей преде­ла текучести, и нагреве до температур около 0,4¸0,5 (или более) от абсолютной температуры плавления Т_т металл испытывает медлен­ную пластическую деформацию. Такая деформация называется пол­зучестью.

Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах. Основными критериями жаропрочности металлов являются предел ползучести и предел длительной прочности.

Пределом длительной прочности называют напряжение, кото­рое приводит к разрушению образца при заданной температуре за оп­ределённое время, соответствующее условиям эксплуатации изделий. Предел длительной прочности обозначают σ^t_τ, где индексы t и τ ука­зывают температуру (° С) и время испытаний (ч).

Пределом ползучести называют напряжение, вызывающее за­данную суммарную деформацию за определенное время при задан­ной температуре. Предел ползучести обозначают σ^t_δ/_τ: где t – темпера­тура, ° С; δ – суммарное удлинение, %; τ – время, ч. Для деталей, дли­тельное время работающих при повышенных температурах, задаётся обычно скорость ползучести на установившейся стадии процесса, на­пример 0,1 % за 10⁴ ч или за 10⁵ ч.

В качестве температурного критерия удобно рассматривать не заданную абсолютную температуру Т, а ее отношение к абсолютной температуре плавления Т/Т_т,

При деформации нагретого металла в нем развиваются два противоположных процесса: упрочнение за счет наклёпа при пластической деформации и разупрочнение в результате рекристаллизации. Если второй процесс преобладает, то в металле начинает развиваться диффузионное разупрочнение – отдых, коагуляция фаз, рекристаллизация, способствующие ползучести.

Температура и срок службы, на которые рассчитана машина или механизм, определяют выбор критерия жаропрочности и материала для их изготовления.

В соответствии с некоторыми рекомендациями срок службы ряда жаропрочных конструкций в зависимости от назначения составля­ет; ч:

Ракеты и их силовые установки                                  1

Силовые установки самолетов-истребителей             100

Силовые установки гражданских самолетов             1000

Газовые турбины локомотивов и судов                     10 000

Газовые турбины стационарных силовых установок     30 000

Паровые турбины стационарных силовых установок             100 000

Жаропрочные стали (ГОСТ 5632 - 72) способны работать под напряжением при температурах выше 500 °С в течение определен­ного времени и обладают при этом достаточной жаростойкостью. Жаропрочные стали подразделяют по структурным классам на перлитные, мартенситные, мартенситно-ферритные и аустенитные (с твёрдорастворным, карбидным и интерметаллидным упрочнением). В этом же порядке возрастает жаропрочность сталей при переходе от одного структурного класса к другому. Для материалов, работающих при повышенных температурах в условиях окисления, например в энергетике или двигателестроении, характеристиками конструкционной проч­ности являются предел прочности σ^t_τ, предел ползучести σ^t_δ/_τ и скорость окисления (или температура начала интенсивного окис­ления).

Для жаропрочных сталей выбор структурного класса и в пределах этого класса минимального уровня достаточного легирования определяется максимальной рабочей температурой, действующим напряжением и требуемым сроком службы детали.

Жаропрочные стали в общем случае должны обладать следующими свойствами:

1) жаростойкостью, чтобы противостоять воздействию горячих газов;

2) достаточной жаропрочностью, чтобы за требуемый срок службы не происходила недопустимая пластическая деформация, обусловленная ползучестью;

3) высоким пределом выносливости при 20 °С, так как компрессор начинает работать от температур окружающей среды;

4) достаточным запасом пластичности и малой чувствительностью к надрезу, так как стали применяют для изготовления сложных деталей, работающих при знакопеременных нагрузках;

5) высокой термостойкостью, т.е. нечувствительностью к теплосменам, особенно в тех случаях, когда двигатель работает с частыми остановками;

6) высокой ударной вязкостью, чтобы противостоять динамическим нагрузкам при запуске двигателя.

Для конкретных деталей в зависимости от условий работы на первый план выходит тот или иной набор свойств из перечисленных или он может быть дополнен другими свойствами, например сопротивлением абразивному, адгезионному или эрозионному изнашиванию.

Этому комплексу свойств удовлетворяют хромоникелевые стали мартенситного класса с карбидным упрочнением и стали аустенитного класса с карбидным или интерметаллидным упрочнением. На рис. 4. показано изменение рабочей температуры деталей в зависимости от структурного класса сталей и типа упрочнения. Рабочая температура повышается в ряду:
стали перлитного класса → стали мартенситного класса с карбидным упрочнением → стали аустенитного класса «гомогенные» (только твёрдорастворное упрочнение) → стали аустенитного класса с карбидным упрочнением → стали_аустенитного класса с интерметаллидным упрочнением.

До температур порядка 0,5 Т_пл деформация ползучести опреде­ляется стабильностью дислокационной структуры. При более высо­ких температурах активизируются диффузионные процессы, проис­ходит растворение скоплений атомов легирующих элементов и при­месей, что ослабляет степень закрепления дислокаций и облегчает их перемещение по кристаллу. В этих условиях сопротивление ползуче­сти будет определяться силами межатомной связи.

Прочность межатомных связей большинства металлов недоста­точна при высоких температурах. Для повышения жаропрочности не­обходимо снизить подвижность дислокаций и замедлить диффузию. ГЦК - решётка твёрдого раствора аустенитной стали в отличие от ферритной стали с решеткой ОЦК характеризуется более плотной упа­ковкой атомов. Благодаря этому коэффициент диффузии для γ-железа с ГЦК-решёткой примерно на два порядка меньше, чем для α-железа с ОЦК-решёткой. В частности, этим объясняется то, что скорость пол­зучести стали резко изменяется при температуре превращения ОЦК → ГЦК. Аустенитные стали с ГЦК-решёткой имеют значитель­но более высокую жаропрочность по сравнению со сталями с ОЦК-решёткой.

Создание препятствий перемещению дислокаций достигается применением материалов, упрочнённых дисперсными частицами. Упрочняющими фазами в жаропрочных сталях являются специаль­ные карбиды, в никелевых сплавах – выделения γ'-фазы с регулярной решеткой типа Ni ₃ (Т i , А1, Nb , Та). В сплавах, упрочнённых большим количеством γ'-фазы, деформация обусловлена сдвигом в частицах этой фазы, поэтому такие сплавы характеризуются высокой прочно­стью и вязкостью. Гетерогенная структура с дисперсными частицами в сталях достигается после закалки и отпуска, а в жаропрочных спла­вах - после закалки и старения.

Прочность межатомных связей в кристаллической решетке воз­растает при легировании элементами с высокой температурой плав­ления – Сг, Мо, W, Nb, Та. Кроме того, эти же элементы снижают ко­эффициент самодиффузии и сдвигают температуру рекристаллизации в область более высоких температур, что также способствует росту жаропрочности.

Стали, предельные рабочие температуры которых не превышают
600¸650 °С, относят к теплоустойчивым. Они используются в энер­гетическом машиностроении для изготовления котлов, сосудов, паронагревателей, паропроводов и др. Эти же стали применяют в хи­мическом и нефтяном машиностроении для работы при повышен­ных температурах. Как правило, теплоустойчивые стали работают в газовых или жидких средах при давлении 20¸30 МПа. Так, рабочие температуры в паросиловых установках обычно составляют 500¸585 °С при давлении 25,5 МПа, а в наиболее мощных установках достигают 650 °С и
31,5 МПа. Детали таких установок должны работать длительное время без замены (до 100000¸200000 ч), поэтому основными требованиями яв­ляются заданное значение длительной прочности и сопротивление ползучести за весь ресурс эксплуатации.

Для изготовления деталей энергетических установок используют перлитные стали. Эти стали содержат Сг, Мо и V (12ХМ, 12Х1МФ, 25Х1МФ),
табл. 4.7. Их подвергают нормализации от тем­пературы 960¸980 °С и отпуску при температуре 600¸750 °С.

Таблица 4.7

Состав и предел длительной прочности σ_дл,
низколегированных теплоустойчивых сталей

Марка стали	Содержание основных элементов, %					Режим термической обработки		tисп,оС	σдл, МПа, за время,ч
	С	Cr	Mo	V	другие	tзак,оС	tотп,оС		103	105
12ХМ	0,09¸ 0,16	0,4¸ 0,7	0,4¸ 0,6	-	-	910¸930	670¸690	480	250	200
12Х1МФ	0,08¸ 0,15	0,9¸ 1,2	0,25¸ 0,35	0,15¸ 0,30	-	960¸980	740¸760	520	200	140
								560	140	108
								580	120	95
25Х1МФ	0,22¸ 0,29	1,5¸ 1,8	0,25¸ 0,35	0,15¸ 0,30	-	880¸900	640¸660	500	260¸290	-
								550	100¸150	-
25Х2М1Ф	0,22¸ 0,29	2,1¸ 2,6	0,9¸ 1,1	0,3¸ 0,5	-	1050	680¸700	550	160¸220	-
12Х2МФСР	0,08¸ 0,15	1,5¸ 1,8	0,5¸ 0,8	0,15¸ 0,3	<0,8Si, 0,005%В	970¸980	730¸750	580	120	95
								600	90	70
20Х3ВМФ	0,15¸ 0,23	2,8¸ 3,3	0,35¸ 0,55	0,6¸ 0,8	(0,3¸0,5)W	1030¸1080	660¸700	500	340	300
								550	200	160
								580	140	100

В более легированных теплоустойчивых сталях, например 12Х2МФСР, превращение аустенита в верхней области температур с образованием полигонального феррита и перлита происходит только частично и при малых скоростях охлаждения (менее 1¸5 °С/мин), при больших скоростях охлаждения сталь имеет бейнитную, а при закал­ке – преимущественно мартенситную структуру (рис. 4.13).

Влияние скорости охлаждения и, следовательно, типа исходной структуры этих сталей на жаропрочность весьма сложное и зависит от длительности и температуры испытания. При длительности испытания 1000 ч и температуре 500 °С –наибольшей жаропроч­ностью обладают стали с бейнитной структурой; при более длитель­ных испытаниях (до 16000 ч) в интервале 500¸600 °С наибольшую жаропрочность имеют стали после закалки и высокого отпуска. Экстраполяция этих данных на длительность 10⁴¸10⁵ ч предполага­ет более высокую жаропрочность сталей со структурой отпущенно­го мартенсита.

Поскольку эти стали после закалки и нормализации обязательно подвергаются высокому отпуску (например, сталь 12Х2МФСР при 730¸750 °С, 3 ч), то в структуре стали всегда присутствуют специ­альные карбиды. Превращения в этих сталях при отпуске включают распад остаточного аустенита (содержание которого может состав­лять после закалки 3¸8 %), выделение специальных карбидов, ук­рупнение карбидов и рекристаллизацию феррита. До 600 °С в сталях обнаруживаются в основном карбиды цементитного типа, а при 600¸700 °С также карбид ванадия (типа МеС) в высокодисперсном состоянии. Повышение температуры отпуска сопровождается рас­творением карбидов цементитного типа и коагуляцией карбидов ва­надия. В сталях, подвергнутых улучшению, специальные карбиды распределены равномерно, что можно объяснить более однородным распределением дефектов структуры, как предпочтительных мест зарождения карбидов.

Для любых дисперсионно-упрочнённых сплавов жаропрочность зависит от размеров карбидных частиц и расстояния λ между частицами. Экспериментально показано, что время до разрушения непосредственно связано с дисперсностью структуры (1/λ).

 

 

Рис. 4.13. Структура стали 12Х1МФ после различных режимов термической обработки,

^х 800: а- закалка в воду; б- закалка в масло; в- охлаждение с печью

 Хромистые стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов. В эту группу входят стали, содержащие от 5 до 13 % Сг и дополнительно легированные карбидообразующими элементами – молибденом, вольфрамом, ниобием, ванадием при содержании 0,08¸0,22 % С. В структуре этих сталей могут присутствовать сле­дующие составляющие: мартенсит, δ-феррит, карбиды (Ме₂₃С_6, Ме₇С_з, МеС) и интерметаллиды, в основном фазы Лавеса Fе₂Мо, Fе₂(Мо, W), Fе₂(Мо, W). Эти стали помимо более высокого зна­чения длительной прочности обладают высокой жаростойкостью. В зависимости от содержания хрома и углерода они относятся или к мартенситному (до 10¸11 % Сг) или к мартенситно-ферритному (11¸13 % Сг) классу, что определяется также сочетанием дополнительных леги­рующих элементов. Состав и свойства некоторых типичных сталей этой группы приведены в табл. 4.8.

Таблица 4.8

Состав и σ_дл. некоторых хромистых теплоустойчивых сталей

Марка стали	Содержание основных легирующих элементов, %						Режим  термической обработки	tисп,оС	σдл,МПа за время, ч
	С	Сг	Мо	V	W	другие			104	105
15X5	≤0,15	4,5¸6,0	-	-	-	-	Нормализация 850¸870 °С	-	-	-
15Х5М	≤0,15	4,5¸6,0	0,45¸0,6	-	-	-	Нормализация 950¸980 °С	480	180	150
							Отпуск 840¸880 °С	540	100	75
15Х5ВФ	≤0,15	4,5¸6,0	-	0,4¸0,6	0,4¸0,7	-	Отжиг 850 °С	500	120	92
							870 °С	550	89	70
15Х11МФ	0,12¸ 0,19	10,0¸11,5	0,6¸0,8	0,25¸0,40	-	-	Нормализация 1080¸1100°С	500	190	-
							Отпуск 720¸740°С	550	120	100
								600	100	-
14Х12В2МФ	0,10¸ 0,17	11,0¸13,0	0,6¸0,9	0,15¸0,30	1,7¸2.2	-	Нормализация 1020¸1050°С	575	170	143
								585	155	130
							Отпуск 700¸730 °С	600	140	118
								630	105	85
12Х8ВМ1БФР	0,1¸ 0,15	6,0¸8,0	0,7¸1,0	0,2¸0,5	0,55¸0,8	(1,15¸0,4)Nb (0,005¸0,1) В	Нормализация 1000¸1050°С	550	175	140
							Отпуск 700¸720°С	600	116	94
								650	68	45

Эти стали являются более теплоустойчивыми и жаростойкими, чем низколегированные. Они также более жаростойки в про­дуктах сгорания жидкого и твёрдого топлива, чем хромоникелевые аустенитные стали. Высокая жаропрочность достигается за счет упроч­нения твёрдого раствора, образования карбидов и интерметаллидных фаз. Наиболее сильно повышают жаропрочность вольфрам и ванадий в сочетании с молибденом. Легирование стали бором, цирконием, церием и азотом дополнительно увеличивает жаро­прочность. Рабочие температуры этих сталей могут достигать 580¸600 °С. Однако количество ферритообразующих элементов должно быть ограничено, в противном случае сталь может стать полуферритной, что снизит жаропрочность.

Хромистые стали этой группы обладают хорошими технологи­ческими свойствами, высокой прочностью, пластичностью, ударной вязкостью. Кроме того, некоторые стали этой группы имеют высокую демпфирующую способность и удовлетворительную релаксацион­ную стойкость.

Указанные стали применяют для различных деталей энергети­ческого машиностроения (лопатки, трубы, крепёжные детали, дета­ли турбин и др.), в основном работающие длительное время при температурах 600¸650 °С.

Для изготовления деталей газовых турбин и паросиловых уста­новок применяют мартенситные стали 15X11МФ, 15Х12ВНМФ. Их подвергают закалке в масле от температуры 1000¸1100 °С и высокому отпуску при 650¸750 °С. Для изготовления рабочих лопаток паровых турбин широко используется сталь 15Х11МФ, которая проходит закалку на воздухе (масле) от 1050¸1100 °С, отпуск при 680¸750 °С. Высокие температуры закалки необходимы для растворения карбидов М₂₃С₆ и М₆С в аустените. Более высокие температуры закалки приводят к образованию в структуре большого количества δ-феррита, снижающего прочность. После отпуска структура сталей – сорбит. Предел длительной прочности стали 15X11МФ при 550 °С σ₁₀⁵ = 150¸170 МПа. Ста­ли поступают в виде сортового проката — горячедеформированного толстого листа и или горячедеформированных холодно- и теплодеформированных труб.

Для изготовления выпускных клапанов двига­телей внутреннего сгорания применяют специальные углеродисто-хромисто-кремнистые мартенситные стали, например, 40Х9С2 и 40X10С2М (сильхромы, ГОСТ 5632–72) .

Кремний (2¸3 %) и хром (6¸14 %) обеспечивают сопротивление газовой коррозии за счёт образования на поверх­ности защитных пленок. Повышенное содержание углерода (до 0,4¸0,6 %) необходимо для того, чтобы в присутствие ферритообразующих элементов (хром, кремний) не допустить образования феррита в структуре и обеспечить закалку на структуру мартенсита, необходимую для придания сталям износостойкости и сопротивления расклёпу. Введение молибдена и вольфрама повышает жаропрочность сталей, устра­няет хрупкость после замедленного охлаждения.

Термообработка  сильхромов. Особенность фазовых превращений в сильхромах состоит в том, что вследствие высокого содержания хрома, кремния и углерода существенно повышаются критические точки перехода в аустенитное состояние. Так, температура начала пре­вращения ферритно-цементитной смеси или мартенсита с карбидами в аустенит (А_с1) повышена по сравнению с обычными углероди­стыми сталями (723 °С) на 100¸170 °С . Это позволяет применять после закалки высокий отпуск или высокотемпературный отжиг. Закалку сильхромов производят от температур 1000¸1100 °С с охлаждением в масле и отпуском  при  температурах 720¸800 °С.

При высоком отпуске или отжиге выделяются карбиды на основе хрома – Сг₂₃С₆ и Сг₇С₃. Эти карбиды также легированы молибденом (вольфрамом). Присутствие тугоплавких элементов в составе кар­бидов повышает их термостабильность –  частицы медленнее коагу­лируют при повышенных температу­рах, что обеспечивает сохранение прочности. Высокая температура отпуска гарантирует повышенную рабочую температуру. Она обычно на 100¸150 °С ниже температуры отпуска.

После полной тер­мообработки сильхромы имеют структуру высокоотпущенного мартенсита с частицами карбида хрома. В сильхромах уровень прочности достигается в результате мартенситного превращения, дисперсионного твердения (частицы карбидов) и твёрдорастворного упрочнения (замещение атомов железа хромом, молибденом, вольфрамом).

Сильхромы обладают жа­ропрочностью до температур не выше 700  °С. При эксплуатации возможны кратковременные забросы температур, но не выше тем­пературы начала интенсивного окисления. С увеличением в сталях содержания хрома и кремния повышается температура на­чала интенсивного окисления, что обусловлено влиянием этих элементов на образование плотных защитных пленок. К сталям 15Х6СЮ и 40Х9С2 применяют высокотемператур­ный отжиг. С учетом жаропрочности эти марки сильхромов могут работать при температурах до 600¸700 °С, при этом допускаются забросы температур до 800 °С. К более высокохромистым сильхромам 40X10С2М и 30Х13Н7С2 применяют упрочняющую об­работку, состоящую из закалки и отпуска, что существенно повышает их прочностные характеристики. Рабочие температуры этих марок выбирают в соответствии с температурой отпуска. Стали 40X10С2М и 30Х13Н7С2 имеют максимально возможную прочность для материалов этого класса. Так, предел длительной прочности при температуре 550 °С за 10 тыс. ч со­ставляет 130 МПа, предел ползучести на базе 100 ч – 62 МПа. При температурах выше 600¸700 °С эти стали разупрочняются.

Жаропрочные стали аустенитного класса

Для получения структуры аустенита эти стали должны содержать большое количество хрома, никеля и марганца. Для достижения высокой жаропрочности их дополнительно, легируют Мо, W, V, Nb и В (табл. 4.9). Эти стали применяют для деталей, работающих при 500¸750 °С. Жаропрочность ау­стенитных сталей выше, чем жаропрочность перлитных, мартенситных, мартенситно-ферритных и ферритных.

Аустенитные стали пластичны и хорошо свариваются, однако по сравнению с перлитными и мартенситными обработка их ре­занием затруднена вследствие повышенной способности к наклёпу и худшей теплопроводности. Сварной шов аустенитных сталей при наличии крупного зерна обладает повышенной хрупкостью. Полученное при перегреве крупное зерно вследствие отсутствия γ↔α пре­вращения термической обработкой не измельчается. Аустенитные стали по способу упрочнения подразделяют на три группы: 1) твёрдые растворы, не упрочняемые старением; 2) твёрдые растворы с карбидным упрочнением, в этом случае упрочняющими фазами могут быть как первичные (TiС, VС, ZгС, NbС и др.), так и вторичные карбиды (М₂₃С_c, М₆С, М₇С₃), выделя­ющиеся из твердого раствора; 3) твёрдые растворы с интерметаллидным упрочнением. Чаще в этих сталях упрочняющей фазой является γ'-фаза типа Ni₃Тi, Ni₃А1, Ni₃ (Тi, Аl), Ni₃Nb и др. Стали с интерметаллидным упрочнением более жаропрочны, чем стали с карбидным упрочнением.

 

Таблица 4.9

Состав и σ_дл некоторых аустенитных сталей

Марка стали	Содержание основных легирующих элементов, %				Режим термической обработки		tисп,оС	σдл, МПа
	C	Cr	Ni	другие	tзак,оС	tисп,оС/τ,ч		σ100	σ104	σ105
Гомогенные стали
10Х18Н12Т	≤0,12	17¸ 19	11¸13	1¸2%Mn; ≤0,7%Ti	1100¸ 1200	-	600	-	-	110
							650	-	-	70
							700	-	-	45
08Х15Н24В4ТР	≤0,8	14¸ 16	22¸25	1,4¸1,8%Ti; 4¸5%W; ≤0,05%В	1130	-	700	260	180	120
							750	170	110	80
Стали с карбидным упрочнением
37Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481)	0,34¸ 0,4	11,5¸ 13,5	7,0¸9,0	7,5¸9,5%Mn; 1,1¸1,4% Mo; 0,25¸0,45%Nb; 1,25¸1,55%V	1140	660/16   790/-	600 650 800	450 360 150	320 220
40Х15Н7ГФ2МС	0,38¸ 0,47	14¸ 16	6¸8	6¸8%Mn;	1180¸ 1220	800/16	600	420
(ЭП388)				0,65¸0,95%Mo;			700	240
				1,5¸1,9%V			800	125
Стали с интерметаллидным упрочнением
10Х11Н20Т3Р	≤0,1	10¸ 12,5	18¸21	2,6¸3,2%Ti;	1100¸ 1180	740/16	600	600
(ЭП686)				0,8%Al; ≤0,02%В			700 800	350 180
08Х11Н35МТЮР	≤0,1	12¸ 14	34¸36	2,1¸2,5%Ti;	1150¸ 1180	780/25	600	650
				2,6¸3,0%Al;			700	450
				3,0¸3,8%Mo; ≤0,005%В			800	250

Аустенитные жаропрочные стали со структурой твёрдых раст­воров, например 10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР, 09Х14Н18В2БР и 09Х14Н19В2БР, предназначенные для изготовления пароперегревателей и турбопроводов силовых установок высокого дав­ления, работающих при 600¸700 °С, применяют в закаленном состоянии. Закалку проводят от 1100¸1160 °С в воде или на воз­духе. После закалки стали приобретают умеренную прочность и высокую пластичность
(σ₁₀₀ = 250¸260 МПа при 700 °С).

Для достижения высокой жаропрочности аустенитные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением подвергают терми­ческой обработке, состоящей из двух последовательных опера­ций:

1. Закалка от 1050¸1200 °С в воде, масле или на воздухе. Такую закалку проводят для растворения карбидных и интерметаллидных фаз в твёрдом растворе (аустените) и получения после охлаждения высоколегированного твёрдого раствора.

2. Старение при 600¸850 °С. Оно предназначено для выделения дисперсных фаз из твёрдого раствора, упрочняющих сталь. Температура старения не должна вызывать заметной коагуляции избыточных фаз.

С увеличением легированности сплавов элементами, тормо­зящими процессы диффузии, температура старения возрастает. Для максимального и равномерного выделения интерметаллидных и карбидных фаз иногда применяют ступенчатое старение, напри­мер двойное: сначала при более высокой температуре, а затем при более низкой (или наоборот).

Состав некоторых аустенитных жаропрочных сталей, упроч­няемых термической обработкой, приведен в табл. 4.9.

Высокая жаропрочность и карбидное упрочнение сталей до­стигаются введением в хромоникелевый или хромоникелемарганцевый аустенит 0,3¸0,5 % С и карбидообразующих элементов Мо, W, V, Nb и др. Такими сталями являются 45Х14Н14В2М и 40Х15Н7Г7Ф2МС. Сталь 45Х14Н14В2М применяют после отжига при 820 °С (охлаждение на воздухе) для изготовления клапанов авиационных двигателей и в газотурбостроении для крепежа. После отжига структура стали — аустенит и карбиды типа М₂₃С₆ и М₆С.

Для изготовления различных деталей газотурбинных устано­вок, работающих при небольших нагрузках (турбовозы, газовые стационарные турбины), а также для крепёжных деталей приме­няют сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС, в которой никель частично  заменён  марганцем.  Упрочнение  стали  достигается  закалкой  от 1170¸1190 °С в воде (на воздухе) и старением при 800 °С в течение
8¸10 ч. В процессе старения образуются дисперсные карбиды М₂₃С₆ и VС, которые повышают механические свойства при нор­мальной и высоких температурах. Стойкость стали против окис­ления при температурах свыше 700 °С невелика, поэтому детали алитируют или подвергают электролитическому никелированию.

К сталям с интерметаллидным упрочнением относится большая группа сложно легированных сталей (табл. 4.9). Основной упрочняющей фазой является γ', по составу отвечающая соединению Ni₃Тi, а в присутствии алюминия – соединению Ni₃(А1, Тi). При старении возможно образование также карбидов типа МС (TiC). Содержание углерода в этих сталях должно быть небольшим, так как он связывает молибден и вольфрам в карбиды, что понижает жаропрочность аустенита. Бор упрочняет границы зёрен аустенита в результате образования бори- дов.

Сталь 10Х11Н20Т3Р применяют в виде листов для изготовления сварных элементов высокопрочных конструкций, работающих при температуре
до 700¸750 °С. Эту же сталь с большим количеством титана и алюминия, без сварки, ис­пользуют для изготовле­ния деталей газотурбин­ных двигателей, работаю­щих при температуре 650¸700 °С. Листовую сталь упрочняют закалкой от 1060¸1080 °С и старением при 700 °С 3¸8 ч (в зави­симости от толщины листа). Холодная деформация пе­ред старением повышает временное сопротивление.

Сталь 10Х11Н23Т3МР, содержащая несколько больше никеля и дополнительно легированная молибденом, имеет лучшую жаропроч­ность при температурах 700¸750 °С по сравнению со сталью 10Х11Н20Т3Р. Режим тер­мической обработки пер­вой из них для получения максимальной жаропроч­ности: закалка от 1100¸1130 °С на воздухе ( при крупных сечениях – в масле) и двойное старение при 750 ¸785 °С 16 ч и при 600¸650 °С 10¸16 ч.

Дальнейшее повышение жаропроч­ности достигнуто при переходе от сталей к сплавам на никелевой основе, которые в рамках настоящего учебного пособия рассмотрены в т. 2.

⇐ Предыдущая21222324252627282930Следующая ⇒

Поделиться: