Опишите жаропрочные и жаростойкие стали. Назначение, основные требования, легирование, марки

В соответствии с ГОСТ 5632—72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные» к группе жаростойких (окалиностойких) отнесены стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550 °С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

К сталям и сплавам этой группы предъявляют достаточно сложный комплекс требований, включающий наряду с высоким сопротивлением газовой коррозии хорошую технологичность в металлургическом переделе (изготовление листов, ленты и труб) и при изготовлении сложных сварных конструкций. Требуется также определенный уровень жаропрочности, поскольку в отличие от сплавов сопротивления, используемых для электронагревателей и также обладающих высоким сопротивлением окислению, жаростойкие конструкционные стали и сплавы в процессе эксплуатации обычно испытывают воздействие механических напряжений, хотя бы от собственной массы детали (муфели, экраны, газоходы, опоры, подвески и т.д.).

Жаростойкость материалов измеряется изменением массы образца (увеличением массы в результате окисления или уменьшением после стравливания окалины) за определенное время при определенных условиях испытания (обычно при постоянных температуре и составе атмосферы) и выражается величиной изменения массы (г/м²) за данный отрезок времени либо в единицах скорости — [г/(м² ·ч)]. Чем меньше эти величины, тем выше жаростойкость. В случае хорошей жаростойкости скорость окисления при увеличении времени испытания снижается в связи с затуханием процесса.
Практически удобной является оценка скорости окисления в мм/год, которая определяется пересчетом величины потери массы по следующей формуле:

ν ок = (Δq/γ · 10³) · 8,7,

где Δq - скорость окисления по убыли массы, г/(м² ·ч); γ — плотность стали, кг/м³.

Высокое сопротивление окислению обеспечивается обычно не низким сродством компонентов сплава к кислороду, а свойствами слоя оксидов, образующихся на сплаве. Основные требования к защитной окалине — это ее сплошность, низкая диффузионная проницаемость для ионов кислорода в направлении к поверхности раздела металл-окалина и ионов компонентов сплава к поверхности окалина—газовая среда, а также хорошая адгезия окалины с металлом.

Обеспечение этих требований зависит не только от состава стали или сплава, но и от условий эксплуатации (температуры, состава и давления газовой среды, продолжительности, наличия теплосмен, уровня механических напряжений и т.п.).

Основным элементом, определяющим уровень жаростойкости сталей и сплавов, является хром, образующий защитную пленку, состоящую из Cr2O5 или шпинели NiO · Cr2O3. или более сложного состава типа (Fe,Ni)O · (Cr,Fe) 2O3.

Поскольку хром определяет также и коррозионную стойкость сталей, в процессе развития качественной металлургии высоколегированных сталей было установлено, что целый ряд материалов обладает как коррозионной стойкостью, так и жаростойкостью. К таким материалам относятся стали типа 15Х25Т, Х18Н(9-12), 10Х14П4Н4Т и сплав ХН78Т. Поэтому четкую границу между коррозионностойкими и жаростойкими материалами провести нельзя.

Безникелевые хромистые стали с 20-25 % Cr относятся к ферритному классу, и жаропрочность их при высоких температурах невысока. Сталь 15Х25Т имеет ряд недостатков (в частности, ограниченную свариваемость), что, несмотря на высокую жаростойкость и относительную дешевизну, сдерживает ее широкое применение.

Улучшение характеристик хромистой основы было достигнуто: 1. введением 2,5-3,5 % Аl, что позволило значительно повысить жаростойкость за счет образования в окалине защитных фаз Al2O3 и FeO · (Al,Cr) 3O3;2. использованием внепечного рафинирования металла, существенно снижающего количество примесей внедрения и, как следствие, повышающего технологические свойства стали в холодном состоянии. Кроме того, при выплавке стали может быть использовано до 100 % отходов.

Наиболее широкое распространение находят хромоникелевые и хромоникельмарганцовистые стали аустенитного класса. Основные преимущества этих сталей — более высокая жаропрочность и хорошая технологичность как в горячем, так и в холодном состоянии, хорошая свариваемость, ремонтоспособность.

Из сталей этого класса можно отметить не имеющие зарубежных аналогов экономнолегированные никелем стали 12Х25Н16Г7АР и 07Х25Н16АГ6Ф (вторая с улучшенной свариваемостью), нашедшие применение в ракетно-космической технике (сопла, диафрагмы).

Легированная алюминием сталь 10Х18Н18Ю4Д имеет высокую жаростойкость до температуры 1100 °С.