Жаростойкие и жаропрочные материалы
1. Жаропрочность
Жаропрочные стали и сплавы предназначены дляизготовления деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет,атомных устройств и др., работающих при высоких температурах.
Повышение температуры сильно понижаетмеханические свойства. При этом следует иметь в виду, что если при высокойтемпературе нагрузить металл постоянно действующим напряжением, даже нижепредела текучести при этой температуре, и оставить его под нагрузкой длительноевремя, то металл в течение всего времени действия температуры и нагрузки будетформироваться с определенной скоростью. Это явление получило названиеползучести или крипа. Развитие ползучести может привести к разрушению металла.
Сопротивление металла ползучести и разрушению вобласти высоких температур при длительном действии нагрузки называютжаропрочностью. Жаропрочность характеризуется условным приделом ползучести ипределом длительной прочности.
Явление ползучести наблюдается тогда, когдарабочая температура выше температура рекристаллизации, действующее напряжениевыше предела упругости.
Жаропрочность в первую очередь зависит оттемпературы плавления металла. Чем выше температура плавления металла, тем вышеего температура рекристаллизации. Между названными температурами существуетследующая зависимость:
Тр = αТпл К,
где α = 0,3…0,4 для технически чистыхметаллов, α = 0,6 …0,8 для сплавов.
Под условным приделом ползучести понимаютнапряжение, которое за установленное время испытания при данной температуревызывает заданное удлинение образца или заданную скорость деформации(ползучести).
Ползучесть представляет собой медленноенарастание пластической деформации под действием напряжений, меньших пределатекучести. Типичная зависимость деформации от времени нагружения представленана рис. 1.
/>
Рис. 1. Кривая ползучести: I –неустановившаяся стадия; II – установившаяся стадия; III – стадия разрушения
Кривая ползучести состоит из трех участков.Стадия I так называемой неустановившейся ползучести отличается постепеннымзатуханием скорости деформации до определенного постоянного значения. Стадия II –установившейся ползучести – характеризуются постоянной скоростью деформации. Настадии III – стадии разрушения –скорость деформации нарастает до момента разрушения. Как правило, онанепродолжительна и для деталей недопустима.
Предел ползучести обозначают через σ ичисловыми индексами. Так, σ7000,2/100 означаетпредел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 100 ч. испытания при700ОС. В случае определения предела ползучести его обозначают буквойσ с двумя числовыми индексами. Нижний индекс означает заданную скоростьползучести (%/ч), верхний индекс – температуру испытания, ОС; так, σ60010-5– предел ползучести при скорости ползучести 1* 10-5%/ч при 600ОС.
Предел длительной прочности, т.е. наибольшеенапряжение, вызывающее разрушение металла за определенное время при постояннойтемпературе, обозначают σ с двумя числовыми индексами. Так σ7001000означает придел длительной прочности за 1000 ч. при 700ОС.
Повышения жаропрочности достигают легированиемтвердого раствора, приводящим к увеличению энергии связи между атомами, врезультате чего процессы диффузии и самодиффузии задерживаются, а температурарекристаллизации возрастает, созданием у сплава специальной структуры,состоящей из вкрапленных в основной твердый раствор и по границам зерендисперсных карбидных и особенно интерметаллидных фаз. Такая структураполучается в результате закалки с высоких температур и последующего старения.Наличие равномерно распределенных дисперсных избыточных фаз затрудняетпластическую деформацию при высоких температурах. Чем крупнее зерно, тем вышежаропрочность.
Жаропрочные сплавы для работы при высокихтемпературах (до 700 – 950 ОС) создаются на основе железа, никеля икобальта, а для работы при еще более высоких температурах (до 1200–1500ОС)– на основе хрома, молибдена и других тугоплавких металлов.
Рабочие температуры жаропрочных сталейсоставляют 500 – 750ОС. При температурах до 600 ОС чащеиспользуют стали на основе α-твердого раствора, а при более высокихтемпературах – на основе γ-твердого раствора с гранецентрированнойкубической решеткой.
2. Стали перлитного класса(ГОСТ 20072–79)
Для изготовления малонагруженных деталей иузлов энергетических установок, работающих при температурах не выше 500– 580 ОС, используют низкоуглеродистые стали перлитного класса,содержащие не менее 1% хрома, молибдена и ванадия. Эти элементы, повышаятемпературу рекристаллизации феррита и затрудняя диффузионные процесс, повышаютжаропрочность стали.
Для изготовления деталей котельных установок,работающих при 510 ОС и давлении 1000–1100 МПа, применяют сталь 15ХМили более жаропрочную 12Х1МФ. Сталь 12Х1МФ удовлетворительно обрабатываетсядавлением и сваривается. После нормализации 960 – 980 ОС и отпускапри 740 ОС предел ползучести этой стали σ56010-4= 85 МПа; предел длительной прочности σ560104= 140 МПа.
3. Сталимартенситно-ферритного класса
Детали и узлы газовых турбин и паросиловыхустановок изготавливают из мартенситных сложнолегированных сталей 18Х12ВМБФР и15Х12ВНМФ, в состав которых входят Mo, W, V, Nb, B. Эти элементы повышают температуру рекристаллизации. Ониобразуют карбиды типа М23С6, М7С3,М2С, МС и соединение Fe2Mo, в результате повышается жаропрочность стали.
Рабочие температуры этих сталей могут достигать600 – 620 ОС.
Для получения оптимальной жаропрочностивысокохромистые стали закаливают на мартенсит. Структура сталей после отпуска –сорбит и троостит. Для стали 18Х12ВМБФР при 550 ОС σ105= 250÷300, а для стали 15Х12ВНМФ – 200 МПа.
4. Стали аустенитногокласса (ГОСТ 5632–72)
Для получения структуры аустенита эти сталидолжны содержать большое количества хрома, никеля и марганца. Для достижениявысокой жаропрочности их дополнительно легируют Mo, W, V, Nb и B. Эти сталиидут для изготовления деталей, работающих при 500–750ОС.Жаропрочность аустенитных сталей выше, чем перлитных и мартенситно-ферритных.Сталей.
Аустенитные стали пластичны и хорошосвариваются, однако обработка их резанием затруднена.
Аустенитные стали по способу упрочнения делятна три группы:
1. твердые растворы, содержащиесравнительно мало легирующих элементов;
2. твердые растворы с карбиднымупрочнением. В этом случае упрочняющими фазами могут быть как первичные (TiC, VC, ZrC, NbC и др.), таки вторичные карбиды (М23С6, М7С3, М6С),выделяющиеся из твердого раствора;
3. твердые растворы с интерметаллидным упрочнением.Упрочняющей фазой в этих сталях является γ-фаза типа Ni3Ti, Ni3Al, Ni3Nb и др.
Стали с интеметаллидным упрочнением болеежаропрочны, чем стали с карбидным упрочнением.
Аустенитные жаропрочные стали со структуройтвердых растворов (например, 09Х14Н16Б и 09Х14Н18В2БР) предназначены для работыпри 600–700ОС, их применяют после закалки с 1100–1160ОС вводе или на воздухе.
Для достижения высокой жаропрочности аустенитныестали с карбидным и интерметаллидным упрочнением подвергают закалке с 1050–1200ОСв воде, масле или на воздухе для растворения карбидных и интерметаллидных фаз втвердом растворе – аустените – и получения после охлаждения однородноговысоколегированного твердого раствора и старению при 600–850ОС длявыделения дисперсных фаз из твердого раствора, упрочняющих сталь.
Высокая жаропрочность сталей с карбиднымупрочнением достигается введением в хромоникелевый илихромоникельмарганцовистый аустенит 0,3 – 0,5% С и карбидообразующих элементов Mo, W, V, Nb и др. К этимсталям относятся, например, стали 45Х14Н14В2М и 40Х12Н8Г8МФБ, а также сталь40Х15Н7Г7Ф2МС, в которой никель частично заменен марганцем. Длительнаяпрочность σ600100 этой стали составляет 400 МПа.
К сталям с интерметаллидным упрочнениемотносится большая группа сложнолегированных сталей, содержащих, кроме хрома иникеля, титан, алюминий, вольфрам, молибден и бром. Содержание углерода в этихсталях должно быть небольшое, так как он связывает молибден и вольфрам вкарбиды, что понижает жаропрочность аустенита. Бор упрочняет границы зеренаустенита в результате образования боридов.
К этой группе относится сталь 10Х11Н2Т3Р,применяемая в виде листов для изготовления сварных деталей, работающих притемпературах 550 – 750 ОС, а также сталь 10Х11Н23Т3МР. Длительнаяпрочность σ600100 и σ700100этих сталей составляет 550 – 600 и 300 – 400 МПа соответственно.
сталь сплав жаропрочный деталь
5. Жаропрочные стали на никелевойоснове (ГОСТ 56321–32)
Жаропрочные сплавы на основе никеля называютнимониками. Эти сплавы предназначены для изготовления деталей с длительнымсроком службы при 650–850ОС.
Для получения высокой окалиностойкости никельлегируют хромом (20%), а для повышения жаропрочности – титаном (1,0–2,8%) иалюминием (0,55–5,5%). В этом случае при старении закаленного сплава в основномγ-твердом растворе образуется интерметаллидная γ-фаза [типа Ni3 (Ti, Al)], а также карбиды TiC и нитриды TiN,увеличивающие прочность при высоких температурах. Дальнейший рост жаропрочностидостигается легированием сплавов 2,0–11% Мо и 2,0–11% W, повышающими температурурекристаллизации и затрудняющими процесс диффузии в твердом растворе,определяющий коагуляцию избыточных фаз и рекристаллизацию. Добавление ксложнолегированным сплавам 4–16% Со еще больше увеличивает жаропрочность итехнологическую пластичность сплавов. Для упрочнения границ зерен γ-твердогораствора сплав легируют бором и цирконием. Они устраняют вредное влияниепримесей, связывая их в тугоплавкие соединения. Примеси серы, сурьмы, свинца иолова понижают жаропрочность сплавов и затрудняют их обработку давлением.
Наиболее широко используют никелевый сплавХН77ТЮР. После закалки с 1080–1120ОС он имеет структуру, состоящуюиз пересыщенного γ-раствора с г.ц.к. решеткой, и поэтому небольшуюпрочность и высокую пластичность, допускающую глубокую штамповку, гибку иполирование. Сплав удовлетворительно сваривается. После закалки и старения при700ОС сплав получает высокую жаропрочность.
Широко применяют сплав ХН70ВМТЮ, обладающийхорошей жаропрочностью и достаточной пластичностью при 700 – 800 ОС.
Предел длительной прочности сплава σ800100= 200÷250 МПа.
6. Тугоплавкие металлы исплавы на их основе
Тугоплавкими называют металлы, температураплавления которых выше, чем у железа.
Наибольшее значение в технике имеют тугоплавкиеметаллы Nb, Mo, Cr, Ta и W с температурой плавления соответственно 2468, 2625, 1275,2996 и 3410 ОС.
Интерес к тугоплавким металлам и сплавам на ихоснове возрос в связи со строительством ракет, космических кораблей, атомныхреакторов и развитием энергетических установок, отдельные детали и узлы которыхработают при температурах до 1500–2000 ОС.
Молибден, вольфрам и хром обладают высокойжаропрочностью, однако они склонны к хрупкому разрушению из-за высокойтемпературы порога хладноломкости, которую особенно сильно повышают примесивнедрения С, N, Н и О. после деформации ниже температуры рекристаллизации(1100–1300ОС) порог хладноломкости молибдена и вольфрама понижается.Ниобий и тантал в отличие от вольфрама и молибдена – металлы с хорошейпластичностью и сворачиваемостью.
Молибден и вольфрам в Чистов виде используют врадио- и электронной промышленности (нити накаливания, листовые аноды, сетки,пружины катодов, нагреватели и т.д.) вследствие малого поперечного сечениязахвата нейтронов и отсутствия взаимодействия с расплавленными щелочнымиметаллами ниобий применяют для изготовления теплообменников атомных реакторов.
Жаропрочность чистых металлов сравнительноневелика. Более высокой жаропрочностью обладают сплавы на основе тугоплавкихметаллов. Повышение жаропрочности достигается в результате образованиялегированного твердого раствора или твердого раствора, который добавочноупрочняется мелкодисперсными выделениями типа карбидов ZrC, (Ti, Zr) C и др.,оксидов (ZrO2) и т.д. Всетугоплавкие металлы обладают низкой жаропрочностью. Поэтому при температурах600 – 800 ОС их нужно защищать от окисления.
Для молибдена и вольфрама лучшими считаютсятермодиффузионные силицидные покрытия (MoSi2, WSi2).
Поверхностные покрытия чаще применяют длядеталей, работающих малый срок службы, или одноразового действия.
Под жаростойкостью (окалиностойкостью) понимаютспособность металла сопротивляться окислению при высоких температурах. Дляповышения окалиностойкости стали легируют элементами, которые существенноизменяют состав и строение окалины. Железо при температурах выше 570 ОСобразует три окисла: FeO (вюстит), Fe3O4 (магнетит), Fe2O3 (гематит), которые слабо защищают поверхность металла отвоздействия кислорода. При введении в железо хрома, алюминия или кремния,обладающих большим сродством к кислороду, на поверхности образуются плотныеокислы Cr2O3, Al2O3, SiO2, затрудняющиепроцесс дальнейшего окисления.
Чем выше содержание хрома, алюминия или кремнияв стали, тем выше окалиностойкость стали и тем выше может быть рабочаятемпература. Количество хрома, необходимое для обеспечения окалиностойкости приразных температурах, можно определить по рис. 2. следует подчеркнуть, чтоокалиностойкость не зависит от структуры стали, а зависит только от химическогосостава.
/>
Рис. 2. Влияние хрома на окалиностойкость:1 – ферритные стали; 2 – аустенитные стали
Сравнительная оценка жаростойкости чистыхметаллов по скорости окисления на воздухе в интервале допустимых рабочихтемператур приведена в табл. 1.
Таблица 1. Жаростойкость чистых металловМеталл Жаростойкость Определяющий фактор Mg Очень плохая Рыхлые оксиды Nb, Ta, Mo, W, Ti, Zr Плохая Плотные оксиды с плохими защитными свойствами Cu, Fe, Ni, Co Удовлетворительная Плотные оксиды с большой дефектностью Al, Zn, Sn, Pb, Cr, Mn, Be Хорошая Плотные оксиды с хорошими защитными свойствами Ag, Au, Pt Отличная Малое химическое сродство к кислороду
Очень плохая жаростойкость магния притемпературах выше 450 ОС связана с образованием рыхлого оксида MgO, у которогокоэффициент объема φ = 0,79. В интервале 500 – 600 ОС скоростьокисления магния лежит в пределах 10-1 – 101 г / (м2 * ч).
Металлы Nb, Ta, Mo, W имеют плотныеоксиды, но их защитные свойства ухудшаются при нагреве выше 550 ОС.Это объясняется тем, что у них φ > 2,5, поэтому возникают большиенапряжения, вызывающие растрескивание оксидов. Кроме того, оксид молибдена принагреве испаряется. Оксиды титана и циркония, образующиеся при нагреве, теряюткислород вследствие его большой растворимости в металле и не защищают отдальнейшего окисления. Это явление называют деградацией оксида. При высокихтемпературах и длительных выдержках оксид становится даже рыхлым. Длятугоплавких металлов скорости окисления на воздухе в интервале 700 – 800 ОСлежат в пределах 101–103 г / (м2 * ч).
Металлы Cu, Fe, Ni, Co (см. табл.1) в интервале 500–600ОС окисляются на воздухе со скоростью от 10-3до 103 г / (м2*ч), а в интервале 700–800ОС –от 101 до 1 г / (м2*ч). относительно высокие скоростиокисления у этих металлов связывают с большой дефектностью образующихся принагреве оксидов.
В процессе окисления железа и стали наповерхности растут несколько оксидов, у которых химический состав,кристаллическая структура и защитные свойства различны.
Температурная зависимость скорости окисленияжелеза на воздухе отражает изменения состава и структуры образующихся наповерхности оксидов (рис. 3.). До 560ОС окисление идетмедленнее, так как на поверхности образуются оксиды Fe3O4 и Fe2O3 с хорошимизащитными свойствами. При дальнейшем нагреве единственным защитным оксидомстановится FeO с худшими защитными свойствами, чем у Fe3O4 и Fe2O3. именно по этойпричине предельно допустимая рабочая температура нагрева на воздухе для чистогожелеза составляет 560 ОС. Благодаря легированию эту температуруудается повысить до 1000–1200 ОС.
/>
Рис. 3. Влияние температуры на скоростьокисления Δm железа на воздухе
Металлы Al, Zn, Sn, Hb, Cr, Mn, Be (см. таб.1.) обладают хорошей жаростойкостью. Скорость окисления хрома на воздухе винтервале 400 – 600 ОС менее 10-6 г / (м2 *ч), а в интервале 700–800ОС составляет 10-4 – 10-3г/(м2*ч).
Жаростойкость промышленных медных сплавов –латуней и бронз – выше жаростойкости чистой меди. Легирующие элементы в медныхсплавах (см. табл. 1.) имеют большее химическое сродство к кислороду, чем медь,и при достаточном их количестве образуют при нагреве собственные оксиды,обладающие лучшими защитными свойствами, чем Cu2O. Сплавы медис бериллием, алюминием, марганцем отличаются высокой жаростойкостью; несколькоуступают им сплавы меди с цинком, оловом и кремнием.
Титановые и циркониевые сплавы поглощаюткислород, поэтому защитные оксиды на поверхности не образуются и жаростойкостьтитана при легировании не улучшается. Повысить жаростойкость удается лишьприменением жаростойких покрытий.
Жаростойкость железа и сталей повышаютлегированием хромом, алюминием и кремнием. Наибольшее распространение приобъемном и поверхностном легировании железа и сталей получил хром, содержаниекоторого доходит до 30%. С увеличением количества хрома в стали, а также ростомтемпературы и выдержки содержание хрома в оксиде возрастает. Легированныеоксиды железа заменяются оксидами хрома, что ведет к повышению жаростойкости.
Жаростойкими являются высоколегированныехромистые стали ферритного и мартенситного класса, хромоникелевые ихромомарганцевые стали аустенитного класса. Чем больше хрома содержит сталь,тем выше максимальная температура ее применения и больше срок эксплуатацииизделий. Жаростойкость определяется главным образов химическим составом стали (т.е.содержанием хрома) и сравнительно мало зависит от ее структуры.
Дополнительное легирование жаростойких сталейкремнием (до 2–3%) и алюминием (до 1–2% в сталях и до 4–5% в сплавах с высокимэлектрическим сопротивлением) повышает температуру эксплуатации.
Низкоуглеродистая сталь при большом содержаниихрома приобретает однофазную ферритную структуру. В процессе длительной работыпри высоких температурах кристаллы феррита растут, что сопровождаетсяпонижением ударной вязкости. Для предотвращения охрупчивания сталь дополнительнолегируют карбидообразующими элементами (например, Ti). Карбиды затрудняютрост зерна феррита. Химический состав и свойства некоторых жаростойких сталейприведены в табл. 2.
Таблица 2. Химический состав (ГОСТ 5632–72) ихимические свойства жаростойких сталейМарка Содержание элементов, % С Cr Ni Si
σв, МПа δ, %
08Х17Т* 15Х28* 20Х23Н18** 20Х25Н20С2** Следует отметить, что стали 08Х17Т и 15Х25Тферритного класса (в структуре преобладает феррит) не жаропрочны, поэтому ихиспользуют в изделиях, которые не испытывают больших нагрузок, особенноударных. Сплавы 20Х23Н18 и 20Х25Н20С2 аустенитного класса не только жаростойки,но жаропрочны. Области применения жаростойких сталей и сплавов указаны в табл.3.
Таблица 3. Жаростойкие стали и сплавы,применяемые в электропечахМарка
Рабочая температура, ОС Назначение Х13Ю4 900 – 950 Электронагреватели печей Х23Ю5Т 1350–1400 То же Х20Н80 1050–1100 » 15Х25Т 800 – 1000 Малонагруженные детали печей 20Х23Н18 800 – 1000 Муфели, направляющие, детали вентиляторов, конвейеров и рольгангов печей 20Х25Н20С2 950 – 1050 Муфели, ролики рольгангов, подовые плиты и другие детали печей, работающие в углеродсодержащей атмосфере
В жаростойких сталях содержание алюминия икремния ограничено, так как эти элементы охрупчивают сталь и ухудшаюттехнологические свойства при обработке давлением. Этот недостаток можноисключить, если использовать их при поверхностном легировании. Жаростойкиестали Х13Ю4 и Х23Ю5Т, легированные хромом и алюминием, так же как и сплавХ20Н80, используют как материалы с повышенным электрическим сопротивлением.
Низкая жаростойкость тугоплавких металлов – Mo, W, Ta, Nb создаетбольшие затруднения при использовании их в качестве жаропрочных материалов.Применение вакуума и защитных сред при технологической обработке и эксплуатациитугоплавких металлов вызывает в некоторых случаях большие техническиетрудности. Объемное легирование этих металлов не приводит к повышениюжаростойкости, хотя для повышения жаропрочности оно может быть эффективным.Высокой жаростойкости можно добиться, используя жаростойкие тугоплавкиепокрытия.
Список литературы
1. А.М. Адаскин, В.М. Зуев –Материаловедение (металлообработка). – М.: Издательский центр «Академия», 2004.– 240 с.
2. Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова,Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина –Материаловедение. – М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.
3. Ю.М. Лахтин Основы металловедения.– М.: Металлургия, 1988. – 320 с.