книги из ГПНТБ / Шведов Л.И. Хромоникельалюминиевая жаростойкая сталь

предпочтительна двухфазная область y+V> так как область растворимости интерметаллического соединения Ni3Al (у') уже, чем NiAl ((3'), и поэтому первое является более устойчивым упрочнителем, но для его образования требуется значительно большее количество никеля.

Па построенном тетраэдре расположение фазовых областей видно только на гранях, распространение же их внутрь объема не изучено и требует проведения соответ­ ствующего исследования.

Г л а в а II

СВОЙСТВА И м и к р о с т р у к т у р а

ХРОМОНИКЕЛЬАЛЮМИНИЕВЫХ СТАЛЕЙ

в литом состоянии

Показатели свойств жаропрочных и жаростойких сплавов должны удовлетворять большому количеству требований. Кроме повышенных характеристик пределов ползучести, длительной прочности, пластичности, жаро­ стойкости и термостойкости, они должны иметь удовлет­ ворительные показатели физико-механических свойств при комнатной температуре, высокое сопротивление

усталости, эрозии,		малую	чувствительность к надрезу
и т. д. Следует учитывать			также технологичность: ли­
тейные	свойства,	деформируемость, свариваемость
и др.	разработке	химического состава жаростойкой
При

стали должны учитываться положения теории жаропроч­ ности, а также вопросы, связанные с экономикой и условиями производства. Для обеспечения высокой жа­ ростойкости и жаропрочности желательно повышенное содержание хрома и алюминия в стали. Но это содержа­ ние должно строго ограничиваться вследствие феррито­ образующей способности этих элементов. Появление в структуре аустенитной стали зерен феррита ведет к рез­ кому снижению жаропрочности. По соображениям эко­ номического характера на нижнем пределе, обеспечива­ ющем стабильную аустенитную структуру, должна находиться концентрация никеля. На производстве ши­ роко используются жаростойкие стали в литом состоя­ нии со значительными примесями кремния, марганца и других сопутствующих элементов. Только при учете разносторонних требований, предъявляемых к сплавам, применяемым при высоких температурах, возможны успешная разработка новых сталей и их использование в промышленности.

21

Учитывая изложенное выше, а также положение фа­ зовых областей на тетраэдре, представленном на рис. 5, за основу, стали были приняты железные сплавы с 0,3% углерода четырех следующих составов:

		I	I I	I I I	IV
Сг,	о /	12	18	18	18
Ni,	%	14	14	19	25

Все эти сплавы, как видно из диаграмм, изображенных на рис. 1, относятся к сталям аустенитного класса. Учи­ тывая имеющий место в хромоникелевых сталях процесс карбидообразования, структура их должна быть двух­ фазная— аустенит + карбиды. Исследовалось влияние алюминия на свойства приведенных четырех составов ста­ ли в литом состоянии. Алюминий вводился в количестве от 0 до 7%. На рис. 5 контурными прямыми I, II, III и IV показано положение исследуемых разрезов в четверной системе Fe—Сг—Ni—А1.

Для решения задач, поставленных в настоящей работе, использовалось большое количество различных методик. Большинство из них являются известными, общепринятыми или стандартными, как например испы­ тание жаростойкости, механических свойств при ком­ натной и высоких температурах и др. [20, 33—35]. Поэ­ тому описание их не приводите^, а даются только необ­ ходимые сведения о применяемых режимах и образцах.

Вотдельных случаях, как например при испытании на термическую усталость (термостойкость) и трещнноустойчивость, разработаны оригинальные методики и новые приборы для их проведения. Поэтому они описы­ ваются более подробно. Некоторые вопросы методики, не являющиеся общими для всей работы, кратко освеще­ ны в отдельных главах.

Сплавы выплавлялись в основной индукционной печи.

Вкачестве шихтовых материалов использовались сталь 45, никель Н 1, хром 0, алюминий А99, 96,6%-ный марга­ нец, 75%-ный ферросилиций. Для наведения шлака и защиты металла от окисления и газонасыщения приме­ нялся флюс, состоящий из 45% СаО, 7% MgO и 48% А120 з. После расплавления металл раскислялся боркаль-

ком, снимался шлак и наводился новый, криолитовый, под который вводился алюминий в виде небольших

22

кусков.	Окисления		алюминия при этом практически не
наблюдалось.		Металл выливался в металлические из­
ложницы. Вес плавки составлял 1,8 кг.
Заготовки получались в виде литых прутков круглого
сечения	диаметром		12	мм	и	квадратного		сечения
12X12 мм. Из них изготовлялись						образцы для испыта­
ний на растяжение,			жаростойкость,				на удар	и росто-
устойчивость. На термостойкость						испытывались		также
круглые образцы диаметром 5,5 мм.
Изучались следующие свойства сплавов в зависимо­
сти от состава:		твердость		в	литом		состоянии и после

циклической термообработки, предел прочности при ком­ натной и высоких температурах, относительное удлине­ ние, ударная вязкость в литом состоянии и после цикли­ ческой термообработки, термостойкость с нагревом в печи и электрическим током, жаростойкость и коэффици­ ент линейного расширения в интервале температур 20—

900 °С.	Исследовалась		также	микроструктура. Более
широко	при	комнатной и высоких температурах изуча­
лись свойства		сталей,	содержащих 4—6% алюминия,
т. е. в области предполагаемого				выделения соединения

никеля с алюминием и появления ферритной составляю­ щей в структуре. Свойства остальных сплавов исследова­ лись только при комнатной температуре.

Испытания на растяжение при комнатной температу­ ре проводились на образцах диаметром 6 мм и рабочей длиной 30 мм при скорости растяжения 20 мм/мин. Крат­ ковременные испытания при высоких температурах про­ водились на образцах диаметром 5 мм и рабочей длиной 25 мм при скорости растяжения 4 мм/мин, длительные — на стандартных образцах диаметром 10 мм.

Ударные испытания проводились на образцах сече­ нием 10X10 мм с надрезом. Жаростойкость определя­ лась на образцах диаметром 10 мм и высотой 20 мм по увеличению массы после их выдержки при постоянной температуре в печи с воздушной атмосферой в течение 100 ч. Для испытания на жаростойкость были приняты температуры 900 и 1100 °С. Отдельные отобранные сплавы испытывались также при 800—1000 °С в течение более длительного времени.

23-

1. Испытания на термостойкость

Работа жаростойких и жаропрочных сплавов прохо­ дит в условиях высоких температур с периодическим охлаждением. В большинстве случаев нагревы и охлаж­ дения производятся многократно и с большой скоростью. В этих условиях свойства жаростойкого материала оце­ ниваются по его способности сопротивляться действию теплосмен, т. е. по термостойкости как одной из главных характеристик. Особенно это относится к поддонам и другим деталям термических печей — закалочных, нормализационных и пр. Теплосмены вызывают в них тер­ мические напряжения и напряжения, обусловленные структурными превращениями. Эти напряжения могут превышать предел текучести материала при высоких температурах, что приводит к пластической деформации, а следовательно, к изменению размеров деталей и их ко­ роблению. При низких температурах во время быстрого и неравномерного по сечению охлаждения возникают на­ пряжения, превышающие предел прочности и приводя­ щие к образованию микротрещин, охрупчиванию и раз­ рушению деталей.

В связи с этим велика роль изучения поведения металлов и сплавов при циклической термообработке (ЦТО). Чрезвычайно важное значение этот вопрос при­ обрел и в связи с развитием атомной энергетики. Ему по­

священы		исследования,	выполненные А. А. Бочваром,
Н. Н.	Давиденковым и другими исследователями, в ко­
торых	раскрыт ряд важных явлений и закономерностей
[36—41].		Однако многие		стороны поведения металла
при ЦТО		еще не ясны,	а	дальнейшее исследование их

затруднено из-за отсутствия надежной методики и обо­ рудования для испытания. При выполнении работы раз­ работана и применена оригинальная методика и новая аппаратура для испытания на термостойкость и опреде­

ления	необратимого изменения размеров образцов
при ЦТО.
В	качестве основного принят следующий режим
ЦТО:	быстрый нагрев до заданной температуры, вы­

держка для выравнивания температуры по сечению об­ разца и охлаждение в воде также с выдержкой, что соответствует наиболее жестким условиям работы. При таком режиме эксплуатируются, например, поддоны за­

24

калочных печей, стойкость которых из всех деталей тер­ мических печей наиболее низкая. Спроектированы и из­ готовлены две установки. Одна из них предназначена для испытания сплавов на термостойкость без значитель­ ных внутренних напряжений и вторая — под напряже­ ниями, возникающими при нагреве и охлаждении жест­ ко закрепленного образца.

Кинематическая схема первой установки представ­ лена па рис, 6. Она работает в полуавтоматическом режи-

Рис. 6. Кинематическая схема установки для		ЦТО: / — подвеска
с образцами;	2 — печь; 3 — электродвигатель;	4 — КЭП-12У;		5 —
трансформатор;	6 — микропереключатель МП-3;	7	— магнитный	пус­
катель; 8 —	бак для охлаждения; 9 — ЭЦД-12;		10— термопара

ме с помощью электродвигателя, управляемого реле вре­ мени КЭП-121. Образцы поднимаются для нагрева в печь и через определенное время опускаются в ванну с водой для охлаждения. В момент нагрева образцов ми­ кропереключатели разомкнуты; в момент начала движе­ ния их в ванну нижний микропереключатель замкнут.

Режим работы установки можно изменять в широких пределах по времени и температуре. Температура в печи регулируется потенциометром ЭПД-12. Образцы уста­ навливаются на подвеску из жаростойкой стали, изго­ товленную в виде цилиндра с бортиком, на который они опираются. Контроль за ними ведется визуально. При образовании первой трещины и после определенного числа циклов они снимаются и замеряется удлинение. Торцы образцов перед установкой на испытание шлифу­ ются.

25

Настоящая установка имеет значительные преиму­ щества перед применяемыми установками для испыта­ ния сплавов на термостойкость. Принципиальная ее схема несколько схожа со схемой установки М. Я. Львов­ ского и И. А. Смияна для испытания торцов листовых'' образцов на термостойкость [42]. Но в описанной выше установке применен электромотор с концевыми выклю­ чателями. Это обеспечивает перемещение образцов по вертикали на требуемое расстояние, что дает возмож­ ность испытывать не только торцы, а полностью образ­ цы любой длины. Вторым важным преимуществом явля­

ется то,	что она позволяет испытывать одновременно
в одних	и тех же условиях до 20 образцов различных

сплавов и, наконец, то, что образцы нагреваются в силптовой печи. Это обеспечивает равномерный по длине и сечению их нагрев до температуры порядка 1350 °С при небольшом расходе электроэнергии [43].

В данной работе испытывались литые с необработан­ ной поверхностью образцы длиной 120 мм и квадратным сечением со стороной 12 мм по режиму: нагрев до 900 °С, выдержка при этой температуре 20 мин, охлаждение в проточной воде в течение 3 мин. Длина образцов изме­ рялась до испытания, после 100 и 200 циклов ЦТО и пос­ ле образования трещины с точностью до 0,05 мм.

Для исследования термостойкости сплавов в напря­ женном состоянии за счет возникающих внутренних на­ пряжений при нагреве и охлаждении был применен метод, при котором образец с жестко закрепленными концами нагревался электрическим током. По данным И. К. Складкова [44], метод нагрева электрическим то­ ком является наиболее точным для определения коли­ чества теплосмен, выдерживаемых сплавами. Сочетание этого метода с описанным выше дает вполне надежную

и достаточно		полную характеристику	термостойкости
материала.
При испытании в напряженном состоянии длина об­
разца	при нагреве и охлаждении остается постоянной.
В этом случае		возникающие в нем напряжения (а) за­
висят,	как известно, от модуля упругости		(Е ) и коэффи­

циента линейного расширения материала (а): а =

— Еа кгс/мм2. А так как Е и особенно а для сталей аусте­ нитного класса имеют высокое значение, при нагреве их возникают большие сжимающие, а при охлаждении рас­

26

тягивающие напряжения. Для испытания образцов на термостойкость по этой методике использованы опытно­ промышленные установки, которые состоят из головки, смонтированной на столе, электрошкафа и пульта управ­

ления. Принципиальная электрическая	схема и испыта­
тельная головка такой установки показаны па рис. 7,
а, б.
Головка имеет два ложемента для закрепления испы­
тываемых образцов двумя прихватами.	В первом ложе­

менте закрепляются образцы 0 5—6 мм, а во втором — 0 7—8 мм. Детали крепления образцов имеют каналы для охлаждения проточной водой. Над средней частью образца установлена термопара для контроля темпера­ туры нагрева образца. Имеется механизм отвода термо­ пары и подвода трубки охлаждения с приводом от элек­ тромагнита, а возврат в исходное положение после от­ ключения электромагнита производится пружинами растяжения.

Стол представляет собой подставку с воронкой для сбора охлаждающей воды на слив. На столе установле­ но реле давления для контроля наличия воды в системе. При отсутствии воды установка не включается (блоки­ ровка) .

Электрошкаф и пульт управления выполнены совме­ щенными. Измерительные приборы и элементы управле­ ния расположены в верхней части задней стенки элек­ трошкафа, обращенной в сторону приспособления. Водный автомат и ручки управления регулятором на­ пряжения расположены на боковой стенке электро­ шкафа.

Термостойкость образцов определяется исходя из того, что при повторяющихся нагреве — охлаждении по­ являются трещины, увеличивающие их сопротивление и вызывающие уменьшение тока нагрева. По величине из­ менения тока за определенное число циклов нагрев— охлаждение и определяется термостойкость образца.

Установка имеет наладочный и автоматический ре­ жим работы. Наладочный режим позволяет включать нагрев и охлаждение образца (по усмотрению операто­ ра) для установки величины тока нагрева и времени охлаждения испытываемого образца. При автоматиче­ ском режиме работы образец нагревается до заданной температуры и охлаждается на протяжении установлен-

27

'220«