Теплоустойчивые стали Низколегированные стали перлитного класса
1.Общая характеристика сталей.
Теплоустойчивыми сталями называют стали, предназначенные для длительной работы при температуре до 600оС. Теплоустойчивые стали используются в энергетическом, химическом и нефтехимическом машиностроении. Из данных сталей изготавливают различные установки, корпуса турбин, запорную арматуру, корпуса аппаратов, паропроводы, технологические трубопроводы, поверхности нагрева котлов и пр. Их широкое применение определяется сравнительно низкой стоимостью и достаточно высокой технологичностью при производстве отливок, поковок, проката и изготовлении из них сварных конструкций.
В соответствии с условием длительной работы под напряжением при высоких температурах стали должны обладать:
сопротивлением ползучести,
длительной прочностью,
стабильностью свойств во времени
жаростойкостью.
Теплостойкость способность металла противостоять деформации и разрушению при механическом нагружении в области высоких температур, когда для стали ещё не возникает склонность к интенсивному окалинообразованию.
Широкое применение нашли низкоуглеродистые хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые стали перлитного класса, содержащие 0,09 0,25 % C, 0,5 2,0 % Cr, 0,2 1,0 % Mo, 0,1 0,3 % V, а также в некоторых случаях небольших добавок ниобия, бора и редкоземельных элементов.
Перлитные стали под действием высокой температуры и нагрузки могут проявлять нестабильность структуры и связанные с ней структурные изменения:
сфероидизация перлита и коагуляция частиц карбидной фазы,
графитизация,
перераспределение элементов между твердым раствором и карбидной
фазой,
образование новых и перерождение старых фаз химических соединений
(-фаза и др.).
Для уменьшения этих явлений используется легирующая композиция, указанная выше. Легированием Cr повышает жаростойкость сталей, т.е. сопротивление стали окислению, предотвращает графитизацию в процессе эксплуатации при температуре выше 450о С. При введении в сталь Cr в пределах 1,0 1,5 % совместно с Mo повышается длительная прочность и сопротивление ползучести. Mo также повышает прочность стали при повышенных температурах. Такое положительное влияние объясняется его способностью при содержании 0,5 1,0 % повышать температуру рекристаллизации железа и участием в образовании упрочняющей металл фаза Лавеса Fe2Mo. Легирование V обеспечивает упрочнение стали высокодисперсными карбидами и способствует стабилизации карбидной фазы.
Оптимальное сочетание механических свойств изделий из перлитных теплоустойчивых сталей достигается применением термического упрочнения: нормализация (или закалка) с последующим высокотемпературным отпуском. При термическом упрочнении обеспечивается структура, состоящая из дисперсной ферритокарбидной смеси. У хромомолибденованадиевых сталей в случае закалки появляется бейнитная составляющая.
К теплоустойчивым перлитным сталям относятся:
хромомолибденовые стали: 12МХ, 15ХМ, 20ХМЛ, 15Х5М, структура после термического упрочнения ферритоперлитная, рабочие температуры 500 550 оС (рис 1,а);
хромомолибденованадиевые стали: 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ, 12Х2МФСР, структура после термического упрочнения ферритобейнитная, рабочие температуры 550 600 оС (рис 1,б).
Рис. 1 Микроструктура теплоустойчивых сталей после упрочняющей
термической обработки: а - хромомолибденовые стали,
б - хромомолибденованадиевые стали
Химический состав некоторых теплоустойчивых сталей представлен в таблице 1, механические свойства после термического упрочнения в таблице 2, вВ таблице 3 представлены значения длительной порочности на базе 105 ч при различных температурах.
Химический состав теплоустойчивых сталей перлитного класса
Таблица 1.
Марка стали |
Содержание химических элементов в вес. % |
|||||||||
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Mo |
Cr |
Ni |
V |
Прочие |
|
12МХ |
0,09-0,16 |
0,12-0,37 |
0,40-0,70 |
≤ 0,03 |
≤ 0,025 |
0,40-0,60 |
0,40-0,70 |
≤ 0,30 |
|
Cu ≤ 0,30 |
15ХМ |
0,11-0,18 |
0,17-0,37 |
0,40-0,70 |
≤ 0,035 |
≤ 0,035 |
0,40-0,55 |
0,80-1,10 |
≤ 0,30 |
|
Cu ≤ 0,30 |
20ХМ |
0,15-0,25 |
0,17-0,37 |
0,40-0,70 |
≤ 0,035 |
≤ 0,035 |
0,15-0,25 |
0,80-1,10 |
≤ 0,30 |
|
Cu ≤ 0,30 |
12Х1МФ |
0,10-0,15 |
0,17-0,37 |
0,40-0,70 |
≤ 0,03 |
≤ 0,025 |
0,25-0,35 |
0,90-1,20 |
≤ 0,30 |
0,15-0,30 |
Cu ≤ 0,30 |
15Х1М1Ф |
0,10-0,15 |
0,17-0,37 |
0,40-0,70 |
≤ 0,025 |
≤ 0,025 |
0,90-1,10 |
1,10-1,40 |
≤ 0,25 |
0,20-0,35 |
Cu ≤ 0,25 |
20Х3МВФ |
0,15-0,23 |
0,17-0,37 |
0,20-0,60 |
≤ 0,025 |
≤ 0,025 |
0,35-0,55 |
2,40-3,30 |
≤ 0,30 |
0,60-0,85 |
Cu ≤ 0,20 W=0,3-0,5 |
12Х2МФСР |
0,08-0,15 |
0,40-0,70 |
0,40-0,70 |
≤ 0,025 |
≤ 0,025 |
0,50-0,70 |
1,60-1,90 |
≤ 0,25 |
|
Cu ≤ 0,25 В=0,002-0,005 |
12ХМЛ |
≤ 0,13 |
0,25-0,50 |
0,50-0,80 |
≤ 0,025 |
≤ 0,03 |
0,40-0,60 |
0,50-0,80 |
≤ 0,30 |
|
Cu ≤ 0,30 |
15Х1М1ФЛ |
0,14-0,20 |
0,20-0,40 |
0,60-0,90 |
≤ 0,025 |
≤ 0,025 |
0,90-1,20 |
12,0-1,70 |
≤ 0,30 |
0,25-0,40 |
Cu ≤ 0,30 |
20ХМФЛ |
0,18-0,25 |
0,20-0,40 |
0,60-0,90 |
≤ 0,025 |
≤ 0,025 |
0,50-0,70 |
0,90-1,20 |
|
0,20-0,30 |
|
Механические свойства теплоустойчивых сталей перлитного класса поле термического упрочнения, критические точки
Таблица.2
Марка стали |
Механические свойства |
Критические точки |
||||||
0,2, МПа |
в, МПа |
, % |
, % |
KCU, Дж/см2 |
Ac1, оС |
Ac3, оС |
||
12МХ |
245 |
412 |
21 |
45 |
69 |
723 |
881 |
|
15ХМ |
590 |
780 |
12 |
50 |
88 |
740 |
875 |
|
20ХМ |
590 |
780 |
12 |
55 |
88 |
743 |
818 |
|
12Х1МФ |
255 |
470 |
21 |
55 |
98 |
740-780 |
880-900 |
|
15Х1М1Ф |
314 |
490-686 |
16 |
45 |
39 |
770-819 |
905-975 |
|
20Х3МВФ |
735 |
880 |
12 |
40 |
59 |
880-830 |
900-950 |
|
12Х2МФСР |
274 |
470 |
21 |
|
59 |
775-825 |
865-925 |
|
12ХМЛ |
196 |
392 |
20 |
40 |
49 |
720-725 |
860-910 |
|
15Х1М1ФЛ |
314 |
490 |
15 |
30 |
29 |
770-800 |
875-920 |
|
20ХМФЛ |
275 |
491 |
16 |
35 |
29 |
777-780 |
868-880 |
Длительная прочность при различных температурах
Таблица 3.
Марка стали |
Предел длительной прочности, МПа при температуре, оС |
|||||
450 |
500 |
550 |
565 |
580 |
600 |
|
15ХМ |
265 |
137 |
63 |
|
|
|
12Х1МФ |
|
157 |
88 |
78 |
59 |
|
15Х1М1Ф |
|
186 |
108 |
88 |
68 |
|
12Х2МФСР |
|
|
|
|
88 |
68 |