Файл: Учебное пособие Пермь, 2011 удк 621. 791 Рецензенты др техн наук, проф. Ю. Д. Щицын.doc

После термической обработки стали переходного класса имеют наибольшую прочность. Такие стали используют для создания легких конструкций, обладающих высоким сопротивлением коррозионному разрушению.

Аустенитно-ферритные стали предложены как заменители хромоникелевых сталей типа Х18Н8 с целью экономии никеля. К этому классу относятся стали 12Х21Н5Т и 08Х22Н6Т. Аустенитно-ферритные стали при комнатных температурах имеют прочность и твердость выше, чем стали типа 18-8, но пластичность и ударная вязкость у них ниже. Эти стали не обладают стабильностью свойств: их свойства зависят от соотношения ферритной и аустенитной фаз.

---

6.4.4. Жаропрочные стали и сплавы

При длительной работе под нагрузкой, не превышающей предела текучести, и нагреве до температур около 0,4…0,5 или более от абсолютной температуры плавления Т_пл металл испытывает медленную пластическую деформацию. Такая деформация называется ползучестью или крипом.

При деформации нагретого металла в нем развиваются два противоположных процесса: упрочнение за счет наклепа при пластической деформации и разупрочнение в результате рекристаллизации. Если второй процесс преобладает, то в металле начинает развиваться диффузионное разупрочнение  отдых, коагуляция фаз, рекристаллизация, способствующие ползучести.

Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах. Основными критериями жаропрочности металлов является предел ползучести и предел длительной прочности.

Пределом длительной прочности называют напряжение, которое приводит к разрушению образца при заданной температуре за определенное время, соответствующее условиям эксплуатации изделий.

Пределом ползучести называют напряжение, вызывающее заданную суммарную деформацию за определенное время при заданной температуре.

Срок службы, на который рассчитана машина или механизм, определяет выбор критерия жаропрочности и материала для их изготовления.

Различают следующие виды жаропрочных конструкционных сталей.

Мартенситные стали. Стали мартенситного класса используют для изготовления деталей энергетического оборудования (лопатки, диафрагмы, турбинные диски, роторы), длительно работающих при температурах 600…620 С. Стали более значительно легированы хромом, а также вольфрамом, молибденом, ванадием (марки 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ). Высокая жаропрочность этих сталей достигается при закалке от 1000…1050 С в масле на мартенсит с последующим отпуском на сорбит или тростит.

Клапаны выхлопа двигателей внутреннего сгорания небольшой и средней мощности изготовляют из сильхромов  хромокремнистых сталей мартенситного класса типа 40Х9С2, 40Х10С2М. Клапаны более мощных двигателей изготовляют из аустенитных сталей.

Аустенитные стали. Из этих сталей изготовляют роторы, диски, лопатки газовых турбин, клапаны дизельных двигателей, работающих при температурах 600…700 С. Хромоникелевые аустенитные стали для увеличения жаропрочности дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, ванадием, ниобием, бором и другими элементами. К жаропрочным сталям аустенитного класса относятся стали 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М.

---

Термообработка этих сталей состоит из закалки и старения при температурах выше эксплуатационных. При старении происходит выделение из аустенита мелкодисперсных избыточных фаз, что дополнительно увеличивает сопротивление стали ползучести.

Более высокие рабочие температуры (до 1000…1100 С и более) выдерживают так называемые суперсплавы, выплавленные на основе элементов VIII группы периодической системы  никелевые, кобальтовые, железоникелевые сплавы. Их применяют при изготовлении газотурбинных двигателей для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Для работы при еще более высоких температурах применяют тугоплавкие металлы и керамические материалы.

6.4.5. Жаропрочные сплавы на основе никеля и тугоплавких металлов

Детали и установки, работающие при температурах выше 700 С, изготавливают из сплавов на основе никеля кобальта и тугоплавких металлов.

Сплавы на никелевой основе (содержащие более 55 % Ni) по жаропрочным свойствам превосходят лучшие жаропрочные стали. Их рабочие температуры составляют 800…1000 С. Примерно такими же, а иногда и несколько более высокими свойствами обладают сплавы на кобальтовой основе. Никелевые, а также кобальтовые сплавы обладают не только высокой жаропрочностью, но и высокой жаростойкостью.

Никелевые сплавы используют в деформированном и литом состояниях. Преимущественно их применяют в деформированном виде. По структуре эти сплавы разделяют на гомогенные (нихромы, инконели) и гетерогенные (нимоники). Общим для всех сплавов на никелевой основе является минимальное содержание углерода (0,06…0,12 %).

Эти сплавы применяют для изготовления сопловых и рабочих лопаток газотурбинных авиационных двигателей.

Нихромы. Это сплавы, основой которых является никель, а основным легирующим элементом  хром (ХН60Ю, ХН78Т).

Нихромы не обладают высокой жаропрочностью, но они очень жаростойки. Поэтому их применяют для нагруженных деталей, работающих в окислительных средах, в том числе и для нагревательных элементов.

Нимоники. В состав этих сплавов, кроме хрома, добавляют титан, алюминий, молибден, вольфрам и т.д. При термической обработке они образуют с никелем (кобальтом, хромом) дисперсные интерметаллидные фазы типа (Ni, Co, Cr)₃ Ti, (Ni, Co, Cr )₃ Al, упрочняя нимоники.

Кобальтовые сплавы. Применяют редко ввиду большой дефицитности кобальта, хотя они по свойствам лучше никелевых. Кобальтовые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошим сопротивлением истиранию. Из кобальтовых сплавов детали изготавливают прецизионными методами литья. Его применяют для лопаток соплового аппарата реактивных двигателей.

---

Жаропрочные сплавы на основе тугоплавких металлов. К тугоплавким металлам относятся вольфрам, рений, тантал, молибден, ниобий. Сплавы на основе этих металлов обладают максимальной жаропрочностью  до 2500 С.

Молибден и его сплавы. Сплавы на основе молибдена применяют более часто по сравнению с другими тугоплавкими сплавами. В качестве легирующих добавок для повышения температуры рекристаллизации в них вводят титан, цирконий, ниобий. Получены опытные сплавы с добавлением рения до 30…50 %.

Вольфрам и его сплавы. Вольфрам  наиболее тугоплавкий металл. Его используют в качестве легирующего элемента в сталях и сплавах различного назначения: в композитных материалах [медь + волокно вольфрама, _В = 15002000 МПа (150200 кгс/мм²), Е = 400 000 МПа (400 000 кгс/мм²)]; в электротехнике и электронике (нити накала, эмиттеры, нагреватели в вакуумных приборах и т.п.). Из вольфрама изготавливают эрозионные вставки в критические сечения сопел ракетных двигателей и т.д. Сплавы вольфрама сохраняют пластичность до 196 С.

Наибольшее повышение жаропрочности вольфрамовые сплавы приобретают при добавлении 1…2 % ThO₂ (за счет увеличения температуры рекристаллизации на 400…500 С, т.е. до 2000…2200 С).

Сплав вольфрама с 5…10 % Re и 1…2 % ThО₂ имеет  150 МПа (15 кгс/мм²).

6.4.6. Жаростойкие стали и сплавы

Жаростойкость  это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени. Если деталь или изделие работают в окислительной газовой среде при температурах выше 500…550 С без больших нагрузок, то иногда достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей, ящики для цементации и т.д.).

Процесс окисления  это сложный процесс. Здесь наблюдаются и чисто химическое взаимодействие металла с кислородом, и диффузия атомов кислорода и металла через слой окислов. Поэтому строение окисной пленки имеет большое значение для жаростойкости металлов. Чем плотнее и прочнее окисная пленка, тем меньше через нее скорость диффузии, тем выше жаростойкость сплава.

Основной способ повышения жаростойкости  легирование хромом, алюминием или кремнием, образующими на поверхности изделия плотные окислы Cr

---

₂O₃, Al₂O₃ и SiО₂, затрудняющие процессы диффузии.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы применяют для деталей, работающих в газовых средах при температуре 550…900 С. Жаростойкие стали содержат алюминий, хром и кремний. Такие стали не образуют окалины при высоких температурах.

Сюда относят сталь 40Х9С2, используемую для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, теплообменников, работающих до 850 С, сталь 08Х17Т  для деталей, используемых в среде топочных газов с повышенным содержанием серы (рабочая температура не более 900 С), и сталь 36Х18Н25С2 (рабочая температура не более 1100 С)  для клапанов двигателей внутреннего сгорания большой мощности, печных конвейеров и т.п.

Жаростойкие сплавы на никелевой основе представляют собой малоуглеродистые NiCr, NiCrFe или NiCrWFe твердые растворы, легированные Si, Al, Ti. Эти сплавы, имея, в основном, структуру гомогенных твердых растворов, отличаются сочетанием высокой жаростойкости и значительным электрическим сопротивлением (1,05…1,40 Ом  мм²/м); их температура плавления составляет 1370…1420 С, предел прочности на растяжение  700…1000 МПа, относительное удлинение  20…40 %. Они имеют хорошие технологические свойства, что позволяет их сваривать, изготавливать из них проволоку, лист, ленту. Нихромы применяют для изготовления нагревательных элементов электрических печей и бытовых приборов, изделий, эксплуатируемых при высоких температурах и небольших механических нагрузках. В промышленности нашли применение нихромы типа Х10Н90, Х20Н80, Х40Н60, Х50Н50, а также нихромы с дополнительным легирование  Х20Н75БЕЮ, Х25Н60В15Т. Наибольшей жаростойкостью в окислительных средах обладают нихромы Х20Н80, Х30Н70.

Для агрессивных сред (продукты сгорания топлива, содержащие соединения серы и др.) используют нихромы Х50Н50 и Х40Н60.

Недостатком этих сплавов является их хрупкость, что не позволяет использовать их в качестве материалов для деталей, работающих в напряженном состоянии и при динамических нагрузках.

6.4.7. Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе

К тугоплавким металлам относятся металлы с температурой плавления более 1800 С. Наибольшее распространение в промышленности получили элементы ниобий и тантал, хром, молибден, вольфрам и рений.

Уникальные физико-механические свойства этих металлов, прежде всего высокие температуры плавления и жаропрочность сплавов тугоплавких металлов, позволяют использовать их для изготовления деталей и узлов, работающих в сложных экстремальных условиях: авиационной, ракетно-космической, атомной технике, приборостроении, радиоэлектронике. Изделия из тугоплавких металлов и сплавов на их основе работают при температурах больше 1000…1500 С как в кратковременном режиме, так и в условиях относительно длительной эксплуатации.

---