Жаропрочные стали. Классификация

 

В зависимости от того, какова прочность сталей при разных температурах, эти стали условно можно разделить на стали, работающие при температурах до 350—500 °С, и жаропрочные, работающие при более высоких температурах (табл. П12).

Так как обычные конструкционные стали имеют высокую прочность до 300 °С, то при этих температурах нет надобности в применении высоколегированных сталей. Для работы в интервале температур 350—500 °С применяют легированные стали перлитного и ферритного классов (рис. 174). Для более высоких температур используют стали аустенитного класса. При 700—900 °С применяют сплавы на основе никеля. В случае еще более высоких температур используют сплавы на основе тугоплавких металлов — молибдена, хрома и др. Указанные пределы являются условными, и выбор необходимых материалов определяется в каждом случае конкретно.

Перлитные жаропрочные стали. К этой группе относятся котельные стали и сильхромы.

Котельные стали содержат небольшое количество углерода (примерно 0,15—0,20 % С). Это обусловлено тем, что детали котлов соединяют главным образом сваркой. Для котлов низких параметров применяют обычные низкоуглеродистые стали (например, сталь 20). Для котлов высоких параметров используют низкоуглеродистые и низколегированные стали 15ХГС, 12ХМ, 15ХМФ, 12Х2МБ, обычно содержащие 0,5–2,5 % Сг; 0,5–1 %Мо; 0,15–0,5%V

 

Иногда в эти стали добавляют и другие элементы.

У котельных углеродистых сталей наблюдается явление синеломкости – снижение пластичности и особенно вязкости деформированной стали при температурах 250—300 °С *, Синеломкость особенно заметно проявляется в низкоуглеродистой котельной и топочной стали ъ процессе эксплуатации котлов 1.

Синеломкость объясняется развитием в стали процессов деформационного старения, которое максимально проявляется при нагревах до 250—300 °С. В процессе старения из α; -твердого раствора выделяются дисперсные частицы: нитриды, фосфиды, оксиды и др., охрупчивающие сталь. Считают, что элементами, определяющими склонность стали к синеломкости, являются азот (выделение нитридов), а также фосфор. При старении происходит также сегрегация атомов азота на дислокациях, приводящая к их торможению и закреплению. Марганец и алюминий связывают азот, поэтому спокойные стали меньше склонны к синеломкости (при одинаковом содержании углерода ударная вязкость кипящей стали снижается в 8—20 раз; спокойной стали на 30—40 %).

При малых степенях деформации изменение свойств при старении более существенно Для уменьшения склонности к синеломкости котельные стали легируют ванадием, алюминием, титаном.

Для деталей котлов, работающих при температурах до 600 °С, используются также стали мартенситного (12Х2МФСР, 12Х2МФБ) и мартенситно-ферритного (15X11МФ, 12Х12ВНМФ) классов. Увеличение содержания хрома повышает жаростойкость сталей. Хром, вольфрам, молибден и ванадий увеличивают жаропрочность(повышается температура рекристаллизации, образуются специальные карбиды, коагулирующие медленнее цементита.) Ванадий, кроме того, уменьшает скорость диффузионных процессов перераспределения легирующих элементов.

Главным преимуществом легированных котельных сталей перед углеродистыми является их хорошее сопротивление ползучести (предел ползучести является главной характеристикой котельных сталей).

Сильхромами называют стали, содержащие хром, кремний и молибден: 15X5, 15Х5М, 40Х9С2, 40Х10С2М. Состав сильхромов приведен в ГОСТ 5632—72. Содержание углерода в них колеблется от 0,15 (15Х5М) до 0,45 % (40Х10С2М). Высокое содержание хрома и кремния делает эти стали не только жаропрочными, но и жаростойкими. Недостатком сильхромов является их склонность к отпускной хрупкости II рода. Легирование молибденом уменьшает возможность появления хрупкого состояния при нагреве до 450—500 °С.

Из сильхромов изготавливают клапаны двигателей внутреннего сгорания, рекуператоры, теплообменники и другие подобные изделия и конструкции Высоколегированные сильхромы применяют до 700—800 °С.

Аустенитные жаропрочные стали. В жаропрочных аустенитных сталях содержится ~10—20 % Ni и 15—20 % Сr.

По структуре такие стали подразделяют на две группы:

1) аустенитные стали, имеющие гомогенную структуру и поэтому не упрочняемые термической обработкой (содержание углерода в этих сталях должно быть минимальным);

2) аустенитные стали с гетерогенной структурой. Их прочность можно повышать термической обработкой — закалкой и старением.

К первой группе относятся стали 17Х18Н9, 09Х14Н19В2БР1, 12Х18Н12Т, 20Х25Н20С2 и др. Эти стали при нагреве не испытывают фазовых превращений. В твердых растворах скорости диффузии малы, поэтому разупрочнение протекает замедленно. Легирование ниобием увеличивает длительную прочность и сопротивление ползучести. Для создания большей однородности аустенита стали этой группы подвергают закалке с 1050—1100°С в воде, затем для стабилизации структуры — отпуску при 750 °С.

Ко второй группе относятся стали типа 37Х12Н8Г8МФБ,45Х14Н14В2М, 10Х11Н20ТЗР и др. (ГОСТ 5632—72). Эти стали также закаливают с 1050÷1100°С, но затем проводят не просто отпуск, а отпуск — старение при 600÷750 °С. В процессе вы­держки при этих температурах в дисперсном виде выделяются карбиды, карбонитриды и интерметаллидные фазы, вследствие чего прочность стали повышается.

Жаропрочность гетерогенных аустенитных сталей выше, чем гомогенных, но свойства гетерогенных аустенитных еталей нестабильны во времени. Если детали работают продолжительное время при повышенных температурах, го вы­делившиеся дисперсные частицы вторичных фаз коагулируют, вследствие чего прочность стали уменьшается. Аустенитные жаропрочные стали пластичны и вязки. Они плохо обрабатываются резанием. Эти стали используют для изготов­ления паровых котлов высоких параметров, лопаток турбин, соплового аппарата реактивных двигателей и т. п.