Основные принципы легирования котельных сталей

Для пароперегревательных, паропроводных и коллекторных труб паровых котлов высокого и сверхвысокого давления следует применять стали относительно стабильные по структуре и свойствам.

Структура таких сталей состоит из твердого раствора и карбидной фазы, скоагулированной в той или иной степени.

Прочностные характеристики этих сталей, т. е. пределы текучести и длительной прочности, обусловливаются главным образом свойствами твердого раствора и в меньшей степени свойствами карбидной фазы.

Несмотря на относительно устойчивое структурное состояние жаропрочных котельных сталей, в процессе длительного нагрева в них протекают заметные диффузионные процессы, приводящие к перераспределению легирующих элементов между твердым раствором и карбидной фазой, и к изменению размеров и расположения карбидной фазы, а в некоторых случаях и к образованию небольшого количества новых фаз.

Поскольку одним из упрочняющих твердый раствор элементов в перлитных сталях является молибден, то, прежде всего, имеется в виду диффузия его из твердого раствора в карбидную фазу при длительном нагреве. В перераспределении между твердым раствором и карбидной фазой могут принимать участие, помимо молибдена, также и такие элементы, как хром, вольфрам, ванадий, титан и ниобий, но в значительно меньшей степени. Скорость и степень процесса перераспределения легирующих элементов при длительном нагреве зависят от состава и термической стойкости карбидной фазы, а также от температуры и времени нагрева стали.

Легирующие элементы на прочностные характеристики перлитных сталей при высоких температурах и длительных выдержках влияют через твердый раствор и через карбидную фазу. Упрочнение стали может быть достигнуто за счет создания более гетерогенной структуры, при которой устойчивая карбидная фаза будет играть роль упрочняющей фазы, например, путем повышения углерода и, следовательно, количества карбидов в стали, в которой углерод не будет вызывать изменения состава твердого раствора во времени. Кроме того, упрочнение стали может быть достигнуто применением закалки и отпуска.

Эффект упрочнения стали за счет создания более гетерогенной структуры путем закалки и отпуска может быть использован лишь до определенных температур и длительности работы стали. Подобное упрочнение может быть получено в сталях и с очень низким содержанием углерода.

Влияние углерода может быть и отрицательным в том случае, когда благодаря наличию в структуре стали, легированной молибденом, карбидов, диффузионные процессы перехода молибдена из твердого раствора в карбидную фазу приводят к обеднению твердого раствора молибденом и вследствие этого к увеличению скорости ползучести стали.

Такие карбидообразующие элементы, как ниобий, титан, ванадий, помимо упрочнения твердого раствора стали, уменьшают скорость диффузионных процессов перераспределения элементов, упрочняющих твердый раствор (например, молибдена). Кроме того, эти элементы способствуют образованию термически стойких мелкодисперсных карбидов, препятствующих развитию сдвиговых процессов при пластической деформации и, следовательно, упрочняющих сталь. Термическая стойкость различных карбидов, а следовательно, и роль влияния того или иного элемента на карбидную фазу, и тем самым на свойства металла Может быть с некоторой точностью оценена теплотой образования карбида.

Легирующие элементы оказывают различное влияние упрочнение перлитных сталей.

Молибден и ванадий, входящие преимущественно в твердый раствор, сильно упрочняют перлитные котельные стали. Такие элементы, как ниобий или титан, являясь активными карбидообразующими элементами, упрочняют твердый раствор только при избытке их по отношению к углероду.

Такие элементы, как хром и никель, наоборот, при содержании их в твердом растворе выше определенного количества разупрочняют его, снижая сопротивление ползучести стали, поэтому повышать их содержание в стали выше определенного для каждой марки количества не рекомендуется.

Влияние границ зерен на жаропрочность сталей перлитного класса проявляется более слабо, поскольку в этом случае имеем дело со слабо упрочненным твердым раствором, тогда как на предел длительной прочности, на запас пластичности такой стали состояние границ зерен имеет несомненное влияние.

Таким образом, говоря о принципах легирования перлитных сталей, необходимо знать не только влияние легирующих элементов на упрочнение стали и механизм этого влияния, устойчивость карбидной фазы в отношении перераспределения легирующих элементов между твердым раствором и карбидной фазой в результате диффузионных процессов, протекающих в стали с течением времени при рабочих температурах. Следует также учитывать и влияние легирующих элементов на технологические свойства.

При разработке структурно устойчивых перлитных котельных сталей следует учитывать следующие основные принципы легирования:

1. Сталь должна содержать минимально возможное по условиям металлургического производства количество углерода, если такая сталь недостаточно структурно устойчива в отношении перераспределения упрочняющих легирующих элементов между твердым раствором и карбидной фазой. К таким сталям относятся стали, содержащие молибден (15М, 12ХМ, 15ХМ), но не содержащие элементов, которые образуют термически стойкие карбиды (Ti, Nb, Zr).

2. Сталь должна быть легирована, помимо элементов, наиболее эффективно повышающих теплоустойчивые свойства, также такими элементами, которые образуют наиболее термически стойкие карбиды, затрудняющие диффузионные процессы перераспределения легирующих элементов между твердым раствором и карбидной фазой.

3. Элементы, образующие термически стойкие карбиды, следует вводить в сталь в количестве, необходимом для связывания всего углерода в такие карбиды.

4. При введении в сталь избыточного, по отношению к углероду, количества таких легирующих элементов, которые сильно упрочняют твердый раствор (ванадий, ниобий, титан), содержание их не должно превышать предела, при котором сталь переходит в полуферритный класс, так как иначе возникнут очень большие технологические трудности при производстве труб, и сталь при определенных условиях будет очень легко приобретать пониженную вязкость и пластичность.