Файл: Шведов Л.И. Хромоникельалюминиевая жаростойкая сталь.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.06.2024
Просмотров: 61
Скачиваний: 0
Л. И. ШВЕДОВ
ХРОМОНИКЕЛЬАЛЮМИНИЕВАЯ ЖАРОСТОЙКАЯ СТАЛЬ
П о д р е д а н ц и е й анадемина АН БССР Н. В. Г О Р Е В А
Издательство „Наука и техника Минск 1974
urn
удк в в 9 м и ш
J f f f / |
ЧИТАЛЬНОГО &АЛД |
|
■***«■*« |
|
Щг/Но?^ |
Ш в е д о в Л. И. Хромоникельалюминиевая жаростойкая сталь.
Минск, «Наука и техника», 1974, стр. 120.
В монографии изложены результаты исследования влия ния алюминия на фазовый состав, структуру и свойства хромо никелевых сталей. Приведены диаграммы состояния сплавов железного угла четверной системы Fe—Сг—Ni—А1. Дается химический состав, характеристика свойств и технология про изводства новой хромоникельалюминиевой жаростойкой стали аустенитного класса ЗХ15Н13ЮЗ.
Приводятся сравнительные данные о составе и свойствах этой стали и применяемых в настоящее время жаростойких сталях. Эти данные показывают, что новая сталь значительно экономичнее, содержит пониженное количество никеля, хрома, но по свойствам не уступает, а в ряде случаев значительно превышает свойства широко используемых в промышленности сталей.
Таблиц 15. Рисунков 26. Библиография — 70 названий. Книга предназначается для научных сотрудников и работ
ников машиностроительной и металлургической промышленно сти, проектных, технологических, научно-исследовательских институтов и вузов.
Ш03111—029 136—74 М316—74
Рецензенты:
кандидат технических наук В. И. ТУТОВ, кандидат технических наук Е. П. ПУХОВСКИИ, кандидат технических наук В. А. ГРИНБЕРГ
(q ) Издательство «Паука и техника», 1974.
ВВЕДЕНИЕ
В ряде областей машиностроения в агрегатах, рабо тающих при высоких температурах, используются жа ростойкие стали и сплавы. Из них изготавливают различ ные детали, от которых требуется высокое сопротивление окалинообразованшо при относительно невысоких проч ностных свойствах: это, например, камеры сгорания в газовых турбинах, радиационные трубы н другая арма тура в различных термических агрегатах, поддоны, му фели, решетки, горшки для отжига и прочие детали пе чей для термической обработки металла, керамики и дру гих материалов. От этих деталей требуется также высо кая термостойкость, т. е. сопротивление разрушению при
резком изменении температурных условий” в процессе работы.
В настоящее время для изготовления таких деталей широко применяются высоколегированные жаростойкие стали аустенитного класса и сплавы на никелевой осно ве. Эти стали отличаются высокой жаропрочностью, жаростойкостью и термостойкостью, они не претерпе вают полиморфных превращений в процессе работы. В противоположность ферритным и аустенитно-феррит ным сталям у аустенитных рост зерна при повышении температуры не сопровождается появлением хрупкости. Литейные аустенитные стали имеют достаточно хорошие технологические свойства — высокую жидкотекучесть, хорошую свариваемость, удовлетворительную обраба тываемость резанием [1, 2].
Однако стали аустенитного класса содержат большое количество дорогостоящего и остродефицитного никеля, хром, а также другие легирующие элементы. Большое количество никеля вводится в эти стали по ряду причин.
1* |
3 |
|
Во-первых, он обеспечивает получение аустенитной структуры с более плотно упакованной гранецентриро ванной кристаллической решеткой, энергия связи атомов в которой значительно выше, чем в сталях с ферритной структурой, имеющей объемноцентрированную решетку. Поэтому жаропрочность аустенитных сталей выше, чем у других классов. Во-вторых, никель более устойчив к коррозии и окалинообразованию при высоких темпера турах, чем железо, и при введении его в сталь заметно повышается жаростойкость последней. В-третьих, ни кель, вступая в реакцию с рядом легирующих элементов (алюминием, титаном и др.), может давать тугоплавкие химические соединения, имеющие переменную растворимость с изменением температуры. Эти соединения при соответствующей термической обработке (закалка + ста рение) выпадают из твердого раствора в виде мелкодис персной фазы, значительно упрочняющей сталь при вы соких температурах.
Легирование жаростойких сплавов хромом в боль шом количестве также необходимо вследствие того, что он, значительно повышая жаростойкость, упрочняет основу сплава — твердый раствор при растворении в нем и в сочетании с никелем при определенных концентра циях способствует образованию аустенитной структуры в стали при меньшем содержании последнего.
Особый интерес в качестве легирующего элемента для жаростойких сталей представляет алюминий, кото рый является самым распространенным металлом в зем ной коре [3]. В соединении с никелем он образует фазы, повышающие жаропрочность стали, и, создавая на по верхности плотную пленку окислов, повышает сопротив
ление стали |
окалинообразованию при высоких темпера |
||||
турах. |
|
|
|
|
|
Известно, |
что высокое окалинообразование стали п |
||||
других жаростойких сплавов |
достигается легированием |
||||
их хромом, |
алюминием и кремнием. Из этих элементов |
||||
наиболее |
эффективной присадкой, повышающей жаро |
||||
стойкость железа, является алюминий |
[4]. При образо |
||||
вании окалины |
происходит |
взаимодействие металла с |
|||
газообразной |
средой, в частности с кислородом, проте |
||||
кающее |
при высоких температурах; |
особое значение |
|||
при этом |
имеет нарастающая поверхностная пленка. |
||||
Процессы внутри этого поверхностного слоя и на грани-
4
цах как со стороны металла, так и со стороны атмосферы оказываются решающими для создания -определенной стойкости против окалинообразования. При окислении железа различают три слоя окалины, которые появляются
один за другим: |
первый |
(наружный) — гематит F20 3, |
второй — магнетит |
Fe30 4 |
и третий (внутренний) — вю- |
стит FeO. В хромистых, кремнистых и алюминиевых ста лях окалина обогащена Cr, Si и А1, а при соответствую щих условиях эти элементы могут образовать защитный слой собственных окислов: в хромистых сталях — шпинельную фазу FeO-СггОз; в алюминиевых — слой окиси
алюминия А120 з. Но собственный окисел, |
обеспечиваю |
|
щий наиболее высокую жаростойкость, |
алюминий дает |
|
при |
содержании его в стали более 6%, а хром—18— |
|
20%. |
Основная роль алюминия как элемента, повышаю |
|
щего сопротивление окислению хромоникелевой стали аустенитного класса, где он содержится в значительно меньших количествах, заключается в повышении защит ных свойств окислов других элементов (Fe, Cr) [5]. Он замещает часть трехвалентных ионов железа в фазе типа шпинели Ме30 4. При этом уменьшается параметр кристаллической решетки этой фазы п снижается прони цаемость ее для ионов металла и кислорода. Раство ряясь в Fe203, алюминий улучшает сцепление этой фазы с фазой типа шпинели и уменьшает развитие процесса отслаивания и осыпания ее при охлаждении.
Алюминий сильно повышает окалиностойкость хро мистых сталей в окислительной атмосфере, но снижает ее в восстановительной. По данным Э. Гудремона [6], потеря веса хромистой и хромоалюминиевой стали после нагрева в течение 200 ч при 1200 °С составляет:
Сталь: |
В атмосфере, г}м г -ч: |
||
окислительной |
восстановительной |
||
|
|||
хромистая (30 % Сг) |
2,4 |
2,0 |
|
хромоалюминиевая |
|
|
|
(14,2% Сг, 4,1% А1) |
0,7 |
82,6 |
|
Эти данные показывают, что положительное влияние алюминия на жаростойкость в окислительной атмосфере значительно более сильное, чем хрома; использование же стали с алюминием в восстановительной атмосфере нежелательно. В окислительных средах хромоалюминие вые стали ферритного класса применяются в качестве
материалов для нагревательных элементов при самых высоких температурах (до1300°С). Они содержат 5— 6% алюминия и около 25% хрома. В сплавах Fe — А1 для получения высокой окалиностойкости при этой тем пературе требуется введение 12% алюминия, при 1100 °С —10 и при 1000 °С —6% алюминия [7]. Скорость
окалинообразован ня аустенитной |
хромомарганцевой |
||
стали с 10% хрома и 15% марганца |
при 900 °С умень |
||
шается при добавке 2,35% |
алюминия более чем в 10 раз. |
||
Добавка 3,12% |
алюминия |
делает ее стойкой против |
|
окисления при |
900 °С, |
а 4,67% |
алюминия — при |
1000°С [5]. |
|
|
|
При поглощении азота в алюминийсодержащей стали снижается жаростойкость. Поглощаемый азот связы вается алюминием в нитрид алюминия и образует неме таллические включения. В результате уменьшается необ ходимое для образования защитного слоя количество алюминия. Поэтому стали с алюминием нежелательно использовать для работы в азотсодержащей среде и в продуктах сгорания со значительным избытком азота.
В серусодержащей атмосфере алюминий, как и крем ний, улучшает стойкость стали только при высоком его
содержании |
(выше 4%). В отличие от хрома алюминий |
|
и кремний |
способствуют значительному |
уменьшению |
науглероживания жаростойкой стали. |
|
|
Однако алюминий является сильным ц-образова- |
||
телем и приводит к появлению в структуре |
аустенитных |
|
сталей ферритной составляющей. Поэтому содержание |
||
его в сплавах, работающих при высоких температурах, должно быть ограничено.
Углерод оказывает как положительное, так и отри цательное влияние на свойства жаростойких сплавов. Присутствие его в жаростойких сталях обусловлено ря дом причин. Во-первых, углерод является сопутствую щей примесью, связанной с технологическим процессом производства стали. Производство безуглеродистой ста ли очень сложно и дорого, а сама сталь обладает низки ми литейными свойствами. Во-вторых, он является аусте нитообразующим элементом. Растворяясь в твердом растворе, углерод расширяет область у и стабилизирует аустенитную структуру. В-третьих, углерод образует бо лее или менее устойчивые карбиды с рядом металлов, ко торые соответствующим образом упрочняют сплав. От-
6
р.пцательнос влияние углерода сказывается па заметном снижении жаростойкости сплавов, одной из причин ко торого является то, что, образуя карбиды хрома, он уменьшает концентрацию последнего в твердом растворе и снижает тем самым его защитное действие. При выпа дении карбидов снижается также и ударная вязкость стали.
Рассмотренные выше три металлических элемента и железо представляют четырехкомгюнентную систему сплавов Fe — Сг — Ni — А1, на основе которой разрабо
тана |
новая |
жаростойкая |
экономнолегированная сталь. |
|
В настоящей |
работе приводятся |
результаты исследова |
||
ния диаграммы состояния |
этой |
системы и влияния на |
||
нее |
углерода. Методами |
физико-химического анализа |
||
изучены свойства сплавов. Показано, что при определен ном соотношении компонентов можно получить эконом нолегированные стали с высокими характеристиками жаростойкости, термостойкости, ростоустойчивости и др.
Описаны состав, свойства и структура новой жаро стойкой стали и для сравнения некоторых широко приме няемых сталей с более высоким содержанием никеля. Рассмотрено влияние химического состава стали на ме ханические и технологические свойства. Изложены тех нологический процесс выплавки новой стали и влияние его параметров на свойства металла и качество получае мых отливок. Особое внимание уделено производствен ным испытаниям разработанной стали в качестве мате риала литых деталей термических печей. Приведены при меры использования новой стали в промышленности н получаемый при этом экономический эффект.
Исследование выполнено в лаборатории металлове дения Физико-технического института АН БССР и на Минском ордена Ленина и ордена Октябрьской Револю ции тракторном заводе под научным руководством за служенного деятеля науки и техники БССР, академика АН БССР К. В. Горева. В разработке, исследовании свойств и внедрении в производство новой жаростойкой стали принимали участие 3. Д. Павленко, С. Л. Лившиц,
В. М. Рукшип, |
В. И. Харитонович, В. Е. Волосенков, |
И. Ф. Цедрик, |
Г. П. Борецкий и др. |
