2014-02-04
2072
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.
