Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

Для материалов, используемых при высоких температурах, основными характеристиками являются жаростойкость (окалиностойкость) и жаропрочность.

Стали, обладающие высокой сопротивляемостью окислению (газовой коррозии) при высоких температурах называются жаростойкими.

К жаропрочным относятся стали, обладающие необходимой прочностью при высоких температурах. Жаропрочность достигается введением в состав стали легирующих элементов, повышающих прочность межатомных связей основного твердого раствора (феррита и аустенита), а также образующих вторичные упрочняющие фазы (карбиды, интерметаллиды), обладающие высокой термической стойкостью (устойчивостью против коагуляции при длительном воздействии высоких температур.

Большая роль в получении требуемой жаропрочности принадлежит термической обработке. Последняя должна обеспечивать:

- оптимальное распределение легирующих элементов между твердым раствором и вторичными упрочняющими фазами;

- высокую дисперсность частиц упрочняющих фаз и их равномерное распределение по объему стали (сплава);

Жаропрочные стали и сплавы в зависимости от состава и температурной области применения разделяются на 4 основные группы.

К первой группе относятся перлитные жаропрочные стали, используемые для деталей с рабочей температурой до 570 ºC.

Основными легирующими элементами этой группы являются хром, молибден, вольфрам, ванадий и в отдельных случаях титан, ниобий и бор в незначительных количествах. Термическая обработка сталей состоит в нормализации или закалки в масле с последующим высоким отпуском. Широкое практическое применение нашли стали: 12ХМФ, 15Х1М1Ф (корпусные элементы турбин), 34ХМ1А, 25Х2М1ФА, 20Х3МВФА (цельнокованые роторы), 25Х1МФ (крепежные детали) и др.

Вторую группу составляют хромистые жаропрочные стали мартенситного класса, содержащие 12% Cr и другие легирующие элементы (Mo, W, V, Nb, B) в сравнительно небольших количествах. Стали этой группы применяются для деталей, работающих при температурах до 560-600 ºC. Термическая обработчика –улучшение. Хромистые жаропрочные стали используются для изготовления лопаточного аппарата паровых и газовых турбин. Применяемые стали: 15Х11МФ, 18Х11МФ5, 20Х12ВНМФ и др.

Третью группу составляют хромоникелевые стали аустенитного класса, дополнительно легированные молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном и др. Они используются для деталей турбин, работающих при температурах до 700 ºC (стали 08Х16Н13М2Б, ХН35ВТ и др.). Термическая обработка жаропрочных аустенитных сталей состоит из нагрева до высоких температур (1050-1150 ºC) с последующим быстрым охлаждением(аустенизации) и одноступенчатого или двухступенчатого отпуска (старения) в интервале температур 700-850 ºC. В процессе отпуска из аустенита выделяются дисперсные частицы упрочняющих фаз (карбидов, интерметаллидов).

К четвертой группеотносятся жаропрочные сплавы на никелевой основе, предназначенные для работы при температуре до 750-850 ºC. Сплавы на никелевой основе принадлежат к сложнолегированным сплавам, отличительными особенностями которых является сравнительно высокое содержание хрома (10-20%), а также наличие в составе алюминия и титана в умеренных количествах (1-6%). Алюминий и титан образуют интерметаллическое соединение Ni₃(AlTi), являющееся основной упрочняющей фазой в подобных сплавах. Это соединение получило название γ΄-фазы. Выделение высокодисперсных частиц этой фазы из твердого раствора происходит в процессе отпуска закаленных сплавов. В наиболее жаропрочных сплавах объемная доля упрочняющих фаз достигает 60% (расстояние между частицами составляет 200-400 Â). Дополнительное повышение жаропрочности достигается введением в состав сплава молибдена (3-4%), вольфрама (4-9%), ниобия (1-1,5%), кобальта (5-16%), а также бора и церия в незначительных количествах. Термообработка сплавов состоит из закалки в воде с температур 1150-1180 ºC и последующего длительного одноступенчатого отпуска (старения) при 750-800 ºC или многоступенчатого старения. Основным достоинством сплавов является высокая жаропрочность, по показателям которой они превосходят жаропрочные стали всех рассмотренных групп. Применяемые сплавы ХН65ВМТ, ХН55ВМТК и др.