Жаропрочные аустепитные стали

Теплоустойчивые стали

Жаропрочные и жаростойкие стали

Жаропрочные стали применяют, для длительной работы под нагрузкой при высоких температурах. Эти стали должны обладать не только жаропрочностью, т. е. сопро­тивлением деформации и разрушению при высоких температурах, но и жаростойко­стью, под которой понимают сопротивление газовой коррозии.

Стали, предназначенные для работы при температурах до ~ 600 °С, называют теплоустойчивыми (ГОСТ 20072-74). Их применяют в теплоэнергетике, нефтехимичес­кой промышленности и химическом машиностроении. Теплоустойчивые стали предназначены для длительных сроков эксплуатации (до 20 лет) и поэтому должны иметь очень стабильную структуру. Низколегированные теплоустойчивые стали применяют для изготовления паропроводных и пароперегревательных труб, деталей котельных становок, работающих при температурах до 580 °С; например - сталь 12Х1МФ. Хром упрочняет α - раствор, образует специальные карбиды и повышает сопротивление окислению. Молибден, находясь в α-растворе на основе железа, увеличиваег силы межатомной связи, что повышает сопротивление ползучести. Ванадий образует при отпуске очень дисперсные и стойкие против укрупнения частицы карбида С. Содержание углерода в низколегированных теплоустойчивых сталях не > 0,2 %. При большем содержании углерода снижается жаропрочность (молибден, связываясь в карбид, выходит из α-раствора, ускоряется укрупнение карбидов) и ухудшается свариваемость сталей.

Низколегированные теплоустойчивые стали подвергают закалке или охлаждению навоздухе с температур 950-1000 °С и высокому отпуску при 650—750. Марки стали: 12Х1МФ, 37Х12Н8Г8МФБ, 10Х11Н20ТЗР (ЭИ696).

Таблица 13-6. Теплоустойчивые и жаропрочные стали

Марка стали	Содержание, %	Термическая обработка	Длительная прочность, МПа
С	Сг	Ni	Мп	Мо	V	Другие элементы
12Х1МФ	0,08- 0,15	0,90-1,20		0,40-0,70	0,25-0,35	0,15-0,30		Зак. 970 °С, отп.750 °С	о520 = 200
37Х12Н8-Г8МФБ (ЭИ481)	0,34-0,40	11,5-13,5	7,0- 9,0	7,5-9,5	1,1-1,4	1,25-1,55	Nb0,25-0,45	Зак. 1145°С, в*, стар.670°С, 16 ч, 780°С, 16 ч.	абоо _200 = 300-350
10Х11Н20-ТЗР (ЭИ696)	<0,1	10,0-12,5	18,0-21,0	-	-	-	Ti 2,3-2,8, А1до 0,8 и В до 0,008	Зак. 1235 °С, вз* или м*, отп. 1020 °С 15 ч, вз	о™ = 400
"Охлаждение в воде - в	, на воздухе -	- вз, в масле — м.

Температуpa отпуска должна не менее чем на 100° превышать рабочую температуру, чтобы при отпуске сформировалась стабильная структура, мало изменяющаяся во время эксплу­атации изделия.

Для работы при температурах 650—850 °С стали, основу которых составляет рас­твор на базе α-железа, непригодны. У растворов на базе у-железа с ГЦК решеткой можно достичь значительно более высокого уровня жаропрочности, чем у растворов на базе а-железа с ОЦК решеткой. Это объясняется, во-первых, меньшей диффузи­онной подвижностью в аустените, чем в феррите, и, во-вторых, возможностью ввести в у-раствор легирующие элементы в значительно большем количестве. Высокое со­держание хрома (> 10 %) во всех аустенитных сталях обеспечивает сопротивление окислению.

Широко используемую в качестве нержавеющей термически неупрочняемую хромоникелевую аустенитную сталь 12Х18Н10Т применяют и как жаропрочную, но толь­ко для работы при температуре не выше 600 °С и при небольших нагрузках (сварные конструкции, трубы, выхлопные патрубки).

Более высокий уровень жаропрочности достигается при комплексном легирова­нии аустенита, за исключением Сг, Ni, W, Mo, Ti, Nb и других элементов, обеспечива­ющих не только сложный состав высоколегированного аустенита, но и образование при закалке в воде, масле или на воздухе пересыщенного у-раствора, способного к сильному дисперсионному твердению при последующем старении. В зависимости от типа фаз-упрочнителей, выделяющихся при старении, различают жаропрочные аустенитные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением (ГОСТ 5632-72).

Аустенитные стали с карбидным упрочнением содержат 0,25—0,5 % С, Сг и Ni в коли­чествах, обеспечивающих стабильность аустенита при всех температурах, и карбидообразующие элементы — Mo, W, V, Nb. Фазами-упрочнителями при старении являются карбиды этих элементов. Дефицитный Ni может быть частично заменен Мп, который, как и Ni, расширяет область существования аустенита. Стали с карбидным упрочнени­ем могут работать при температурах до 650—750 °С и высоких нагрузках. Примером яв­ляется сталь ЭИ481 (см. табл. 13.6), предназначенная для изготовления крупных дета­лей ответственного назначения — турбинных дисков, бандажных колец, а также кре­пежных деталей энергетических установок. Сталь закаливают с 1150 °С в воде и под­вергают двукратному старению при 660 и 790 °С, по 10—16 ч. Высокая температура на­грева под закалку необходима для перевода в аустенит труднорастворимых карбидов.

Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением содержат не более 0,1 % С, очень много Ni (до ~ 38 %), Ti, Al, W, Mo, Nb. Суммарное содержание легирующих элементов может доходить до 60 %, и граница между сталями, т. е. сплавами на осно­ве железа и сплавами на смешанной железоникелевой основе, размывается. Фазами-упрочнителями при старении являются Ni₃Ti, Fe₂Mo, Fe₂W и др.

Примером аустенитной стали с интерметаллидным упрочнением является сталь ЭИ696 (см. табл. 13.6), которую применяют для работы при температуре до 700 °С (де­тали газотурбинных двигателей).

13.4.2.3. Жаростойкие стали

Жаростойкие (окалиностойкие) стали (ГОСТ 5632—72) применяют для изготовле­ния изделий, работающих при температурах выше 550 °С в ненагруженном или слабонагруженном состоянии (выхлопные патрубки, детали печного оборудования, жа­ровые трубы, поддоны, чехлы для термопар и пр.).

Жаростойкость сталей повышается при легировании их хромом, алюминием и медью, образующими на поверхности изделия плотные и прочные защитные пленки оксидов, шпинелей и силикатов с низкой диффузионной проницаемостью. Хром и алюминий повышают жаростойкость легированных сталей благодаря образованию ок­сидов Сг₂0₃, А1₂0₃ и двойных оксидов типа шпинелей FeO • Cr₂0₃, FeO ■ A1₂0₃, NiO ■ Cr₂0₃. Добавка около 2 % Si повышает жаростойкость стали благодаря образованию за­щитного слоя силиката 2FeO ■ Si0₂.

Хромистые стали ферритного класса — наиболее дешевые жаростойкие материалы. Коррозионно-стойкую хромистую сталь 08X13 (см. пп. 13.4.1) используют как жаро­стойкую до 800 °С. Специальная жаростойкая сталь 15X28 благодаря большому содер­жанию Сг может работать до 1100 °С. Основной недостаток жаростойких сталей фер­ритного класса - сильное охрупчивание из-за выделения δ-фазы (интерметаллида FeCr) в интервале 600-800 °С.

Жаростойкие хромоникелевые стали аустенитного класса отличаются от ферритньгх лучшей свариваемостью и меньшей склонностью к охрупчиванию при длительных высо­котемпературных выдержках. Коррозионно-стойкую (нержавеющую) сталь типа Х18Н9 (см. пп. 13.4.1) используют в качестве жаростойкой до температур не выше 800 °С.

Таблица 13. 7. Жаростойкие стали

	Содержание, %	Термообработка	Скорость
Марка стали	С	Сг	Ni	Другие элементы	окисления, мм/год при \ °С
15X28	< 0,15	27,0-30,0	-	-	Отжиг 680-780 °С	0,45(1050)
12Х18Н9	0,12	17-19	8,0-10,0	Мп2,0, Si 0,8	Зак.1050 °С, в*	0,17(800)
20Х25Н20С2	<0,20	24,0-27,0	18,0-21,0	Si 2,0-3,0	Зак. 1100 °С, в* или вз*	0,476(1050)
ХН45Ю	<0,1	15,0-17,0	44,0-46,0	Al 2,9-3,9	Отжиг 1150 °С, вз*	0,1(1250)

■"Охлаждение в воде — в, на воздухе — вз.

Увеличение содержания в аустените Сг и Ni, а также добавка Si позволяют повысить рабочую температуру. Например, сталь 20Х25Н20С2 (см. табл. 13.7) можно использовать для изготовления деталей печного оборудования, работающих до 1100 °С.

Жаростойкий сплав на железоникелевой основе ХН45Ю (см. табл. 13.7) использют для изготовления деталей печей, горелок и чехлов термопар, длительно работающих при рекордно высоких температурах до 1300 °С.