книги / Основы металловедения и термообработки

вмасле с 1000 °С, отпуск при 200-300 °С), не теряя коррозионной стойкости. Из сталей 20X13 и 30X13 изготовляют лопатки гидро- и паровых турбин и компрессоров, емкости, арматуру непосред­ ственного впрыска топлива. Сталь 40X13 по свойствам соответ­ ствует инструментальным сталям. Она пригодна для изготовле­ ния хирургического и бытового режущего инструмента и шари­ коподшипников, работающих в коррозионной среде.

Стали 14Х17Н2 и 12X13 относятся к мартенсито-феррит­ ному классу, они высокопластичны, применяются для деталей машин, работающих в агрессивных средах и при пониженных температурах (валы, шнеки, мешалки изделий пищевой промыш­ ленности, клапаны гидравлических прессов и т.п.). Их термооб­ работка включает закалку и высокий отпуск при 600-700 °С для получения сорбитной структуры.

Стали 08X13, 12X17, 08Х17Т, 15Х25Т, 15X28 - стали фер­ ритного класса, подвергаемые только отжигу (700-780 °С) с це­ лью получения более однородного твердого раствора и увели­ чения коррозионной стойкости. Их применяют в деталях машин легкой и пищевой промышленности, трубах теплообменной ап­ паратуры, работающей в агрессивных средах. Высокое содер­ жание хрома делает их не только коррозионно-стойкими, но ижаростойкими, идущими для изготовления деталей печей (му­ фели, чехлы термопар, реторты, поддоны, направляющие, кре­ пеж), работающими до температур 1100 °С.

Хромо-никелевые коррозионно-стойкие стали после охлаж­ дения на воздухе имеют аустенитную, аустенито-мартенситную и аустенито-ферритную (более 10 % феррита) структуру. Наи­ более широкое применение в машиностроении получили аусте­ нитные стали с 18 % Сг и 10 % Ni (12Х18Н9, 12Х18Н10Т, 08Х18Н10), как обладающие высокой коррозионной стойкостью и технологичностью в отношении обработки давлением и свар­ ки. Присутствие в этих сталях углерода ухудшает их антикорро­ зионные свойства, так как образование карбида типа Сг^Св объ­ единяет твердый раствор хрома и создает двухфазную структу­

ру, что провоцирует межкристаллитную коррозию. Углерод свя­ зывают в стойкие карбиды TiC (NbC), вводя в сталь 0,10-0,15 % Ti (Nb) и этим предотвращая межкристаллитную коррозию.

Для уменьшения расхода дефицитного никеля в аустенит­ ных сталях часть его заменяют марганцем (сталь 10Х14Г14Н4Т). Термообработка аустенитных сталей заключается в закалке

с 1000 °С в воду, дающей однородный твердый раствор за счет растворения карбидов хрома в аустените.

Повышение прочности аустенитных сталей достигается их деформационным упрочнением (наклепом). При этом предел прочности стали может возрасти до сгв =1400 МПа отав « 550 МПа после закалки.

Аустенитные стали имеют очень низкий порог хладнолом­ кости и широко применяются в конструкциях, работающих при низких температурах до -200 °С (сталь Х21Г7АН5, добавки 0,15-0,4 % азота).

Для повышения коррозионной стойкости в морской воде и влажной почве хромоникелевые стали дополнительно легиру­ ют молибденом (0,5-1,5 %). Легирование медью (2,5-3,5 %) по­ вышает коррозионную стойкость стали в серной кислоте (06ХН28МДГ, 0Х16Н4СМ5ДЗТЗЮ).

Аустенитные хромоникелевые стали широко используют в конструкциях летательных аппаратов для изготовления емкостей, трубопроводов, оболочек и т.п., а также в судостроении, химиче­ ской промышленности, в изделиях, контактирующих с агрессив­ ными пищевыми средами, в медицине.

Аустенитно-мартенситные хромоникелевые стали с добав­ ками Ti (до 0,5 %) и А1 (до 1 %) типа 12Х21Н5Т, 08Х15Н8Ю, 09X17Н7Ю после закалки, обработки холодом (-70 °С) и после­ дующего старения при 450-500 °С повышают прочность до Ств» 1300-1400 МПа при сохранении высокой пластичности (5 * 10 %) и коррозионной стойкости. Упрочнение этих сталей связано с образованием при старении дисперсных частиц иптерметаллидов типа Ni3Ti, Ni3Al.

10.2. Жаростойкие (окалиностойкие) стали

Жаростойкость (окалиностойкость) - это способность ме­ талла сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

Важнейшие детали силовых установок (детали камер сгора­ ния, реактивного сопла, выхлопные патрубки, клапаны двигате­ лей внутреннего сгорания, детали термического оборудования и др.) работают при высоких температурах и их работоспособность определяется стойкостью против окисления в газовой среде.

При температурах выше 570 °С на поверхности стали обра­ зуется слой окалины (окислы FeO, Fe30 4, Fe20 3), через который легко диффундируют атомы кислорода. В результате введения в

сталь соответствующих количеств Сг, Al, Si, обладающих боль­ шим сродством к кислороду, чем железо, образуются плотные слои окислов (Fe,Cr)20 3, (Fe,Al)20 3, Si02, затрудняющих диффу­ зию кислорода.

При содержании в стали 5-8 % Сг ее окалиностойкость соответствует температурам 700-750 °С, при 15-17 % Сг - 950-1000 °С, при 25 % Сг - 1100 °С, при 25 % Сг и 8 % А1 - до 1300 °С. Окалиностойкость стали в большей степени зави­ сит от состава, чем от структуры, хотя аустенитная структура дает несколько большую окалиностойкость.

Стали 40Х9С2, 40Х10С2М и 10Х13СЮ (рабочая темпера­ тура до 850 °С) применяют для изготовления клапанов двигате­ лей внутреннего сгорания и деталей печного оборудования. Для сопловых аппаратов и жаровых труб в газотурбинных двигате­ лях применяют обладающие хорошими технологическими свой­ ствами стали 12Х18Н9Т (до 800 °С) и 36Х18Н25С2 (до 1000 °С). Для малонагруженных деталей печей применяют стали 08X17Т, 15Х25Т (до 1000 °С). Муфели, направляющие, детали вентиля­ торов, конвейеров и рольгангов печей, нагреваемых до рабочих температур 800-1000 °С, изготавливают из стали 20Х23Н18.

Подовые плиты, ролики рольгангов, муфели, нагреваемые до 950-1050 °С, делают из стали 20Х25Н20С2.

Как окалиностойкие стали с высоким электросопротивле­ нием в качестве электронагревателей печей (проволока, лента) используют фехраль Х13Ю4 (до 900 °С) и хромели Х23Ю5 (до 1150 °С), Х27Ю5А (до 1250 °С).

10.3. Жаропрочные стали и никелевые сплавы

Жаропрочность - это способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при по­ вышенных температурах. При этих условиях поведение мате­ риала определяется диффузионными процессами, приводящими к ползучести и релаксации напряжений.

Ползучесть представляет собой медленное нарастание пла­ стической деформации под действием напряжений, меньших предела текучести. На кривой ползучести в координатах «де­ формация (е) - время (т)» (рис. 94) можно выделить три участка, соответствующих определенным стадиям ползучести.

Рис. 94. Кривая ползучести: I - неустановившаяся стадия;

П- установившаяся стадия;

III - стадия разрушения; 8 = const, t = const

Критериями жаропрочности являются предел ползучести и предел длительной прочности. Обозначение предела ползуче­

сти, например = 70 МПа, указывает, что под напряже­

нием 70 МПа за 100 000 ч при 600 °С материал получит пласти­ ческую деформацию не более 1 %. Обозначение предела дли­

тельной прочности, например = 90 МПа, указывает, что

при 650 °С материал выдержит без разрушения напряжение 90 МПа в течение не менее 10 000 ч. Критерием сопротивления релаксации является падение напряжения Да = а 0 - а т за вре­ мя т при заданной температуре.

Жаропрочность важна при выборе стали, когда рабочие температуры деталей превышают 0,3 Гщ,. При этих температурах пластическая деформация обусловлена скольжением и «пере­ ползанием» дислокаций, зернограничным сдвигом зерен друг относительно друга и диффузионным перемещением вакансий под действием растягивающих напряжений. Для повышения жаропрочности стали следует ограничить подвижность дисло­ каций и замедлить диффузию.

Замедление диффузии может быть достигнуто как следст­ вие повышения межатомной связи при легировании твердого раствора соответствующими элементами (Сг, Si, Mo, W, V, Со). Однако основной путь повышения жаропрочности - это получение при термообработке крупнозеренной структуры с однородным распределением мелких частиц упрочняющих фаз внутри зерен и на их границах. В жаропрочных сталях уп­ рочняющими фазами служат карбиды и интерметаллиды, обра­ зующиеся при отпуске и старении. Свойства некоторых жаро­ прочных сталей приведены в табл. 14.

					Т а б л и ц а 14
Состав и свойства жаропрочных сталей и никелевых сплавов
		Температура, °С		Жаропрочные свойства
		макси­	интен­ CTlOOOO <71/100000 темпе-
Марка	Состав, %	маль­	сивно­			ратур-
		ная
			го			ные
		рабо­		МПа
			окис­			испы­
		чая
			ления			тания
	Перлитные стали
12Х1МФ	0,12С; 1,1Сг;	570-585	600	140	84	560
	0,3Mo; 0,2V
25Х2М1Ф	0,25С; 2,ЗСг; 1Мо;	520-550	600	190	70	550
	0,4V
	Мартенситные стали
15Х5М	0,15С; 5,2Сг; 0,5Мо	600	650	1 0 0	40	540
40Х10С2М	0,4С; 10Сг; 2,2Si;	650	850	1 0 0	40	550
	0 ,Шо
15X11МФ	0,15С; 11Сг; 0,7Мо;	550-580	750	2 0 0	90	550
	0,3V
1 1X11Н2В2МФ 0,11C; 11Сг; l,7Ni;		600	750	аюо	—	550
	1,8W; 0,4Мо; 0,25V			= 400
	Аустенитные стали			90
12Х18Н10Т	доО,12С; 18Сг;	600	850		35	660
	10Ni; 0,5Ti	650	850	130	40	650
45Х14Н14В2М	0,45С; 14Сг; 14Ni;
	2,4W; 0,3Mo	700	850			700
10Х11Н20ТЗР	до 0,1ОС; ПСг;			<750	-
	20Ni; 2,6Ti; 0,02В			= 400
	Никелевые сплавы
ХН77ТЮР	до 0,07С; 20Сг;	750	1050	1 1 0 - 2	<71/1000	750
	2,6Ti; 0,8А1; до			0 0	= 2 0 0
	0,01В		1050			900
ХН55ВМТКЮ	0,1ОС; ЮСг; 5Мо;	950		<71000	<71/1000
	4,9W; 14Со; 4.5А1;			= 150	= 130
	l,6 Ti		1050
ЖС6 К	0,17С; 11,5Сг; 4Мо;	1050		<71000		950
	5W; 5,5А1; 4,5Со;			= 1 0 0
	2,7Ti; до 0,02В

Перлитные (котельные) стали типа 16М, 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф предназначены для длительной работы при темпера­ турах 450-580 °С. Стали с 0,12-0,15 % С используют в пароси­ ловых установках для изготовления труб пароперегревателей, паропроводов и других деталей, рабочая температура которых не превышает 570-580 °С. Стали с повышенным содержанием углерода (0,20-0,30 %) по жаропрочности уступают перлитным сталям с содержанием углерода 0,12-0,15 %, и их максимальные рабочие температуры 525-565 °С. Из этих сталей изготовляют валы и цельнокованые роторы стационарных и транспортных паровых турбин, плоские пружины и крепежные детали.

Мартенситные стали предназначены для изделий, рабо­ тающих при 450-660 °С, и их легирование обеспечивает повы­ шенную стойкость к окислению в атмосфере пара и топочных газов. Стали с высоким содержанием хрома (10-12 %) и низким содержанием углерода (0,10-0,15 %) даже при нормализации прокаливаются в сечениях до 200 мм и после отпуска (600-740 °С) имеют структуру легированного феррита и мелких карбидов. Эти стали (15X11МФ, 11Х11Н2В2МФ, 15Х12ВНМФ, 15Х12НМФ, 12X13) применяют в паровых турбинах (диски, ло­ патки, бандажи, диафрагмы, роторы), а также в деталях крепежа и трубах. Сильхромы (40Х9С2, 40Х10С2М, Х6С), содержащие меньше хрома, но больше углерода (до 0,4 %) и добавки крем­ ния (2-3 %), имеют повышенную жаростойкость и могут при­ меняться при температурах не выше 600-650 °С в качестве ма­ териала клапанов двигателей внутреннего сгорания и крепеж­

ных деталей моторов.

Аустенитные стали по жаропрочности превосходят перлит­ ные и мартенситные. Основные легирующие элементы этих ста­ лей - хром и никель (иногда часть Ni заменяет Мл), сочетание которых дает устойчивый аустенит. Добавки Mo, Nb, Ti, Al, W и других элементов вводят для повышения жаропрочности, так

как они образуют при старении упрочняющие фазы типа Ni3Al, Ni3Ti или специальные дисперсные карбиды. Содержание угле­ рода в них обычно » 0,1 %, но в аустенитных сталях с карбид­ ным упрочнением содержание углерода повышено до 0,4 %.

Неупрочняемые старением стали 09Х14Н16Б, 09Х14Н18И2БР, 09Х14Н19В2БР после закалки с 1100-1160 °С работают при темпе­ ратурах 600-700 °С.

Стали с интерметаплидным упрочнением типа 10X11Н20ТЗР, 10X11H23T3MP закаливаются с 1080-1130 °С и проходят дли­ тельное (до 16 ч) старение при « 700 °С (иногда двухступенчатое старение при 780 и 650 °С), их жаропрочность 700-750 °С.

Стали с карбидным упрочнением типа 45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС закаливаются с 1170-1190 °С и подвергаются старению при « 800 °С 8-10 ч.

Еще более высокую жаропрочность имеют сплавы на нике­ левой основе (табл. 14, рис. 95), применяемые для лопаток и других ответственных деталей современных газотурбинных двигателей.

сг, МПа

300-

800

(850ч

sg00°c

— J1

а

Время до разрушения, ч

б

Рис. 95. Длительная прочность жаропрочных никелевых сплавов:

а - сплав ХН77ТЮР; б - сплав ХН70ВМТЮ

Жаропрочные никелевые сплавы подразделяют на дефор­ мируемые и литейные. Они имеют сходный состав, но в литей­ ных несколько больше содержание А1 и Ti.

Жаропрочность никелевых сплавов достигается термообра­ боткой - закалкой с последующим старением. Закалка обычно делается двойная с температуры около 1200 и 1050 °С (охлаж­ дение на воздухе), обеспечивающая растворение упрочняющих фаз типа Ni3(Ti,Al), Ni3(Nb,Ti,Al) и карбидов (при 1200 °С) и выделение крупных карбидов и частиц у'-фазы по границам зерен (при 1050 °С). Последующее старение при 850-950 °С. имеет целью внутризеренное упрочнение за счет полного выде­ ления мелких частиц у'-фазы в объеме зерна.

10.4. Тугоплавкие металлы и сплавы

на их основе

Тугоплавкими обычно считают металлы, имеющие темпе­ ратуру плавления выше 1700 °С. Наибольшее применение в тех­ нике находят Сг (Гщ, 1900 °С), Nb (2415), Mo (2620), Та (3000), W (3410) и сплавы на их основе. Изделия из них работают при температурах более 1000-1500 °С, а сплавы W до 2500-3000 °С. Все они имеют кристаллическую решетку ОЦК» что объясняет их повышенную склонность к хрупкому разрушению даже при незначительной концентрации примесей внедрения С, N, Н, О. Очистка методами вакуумного переплава, электронно-лучевой плавки снижает температуру их перехода в хрупкое состояние.

Тугоплавкие металлы и их сплавы отличает низкая жаро­ стойкость (кроме Сг): при температуре свыше 400-600 °С их нужно защищать от окисления, что осложняет их сварку, литье, горячую обработку давлением.

Ставы на основе Mo легированы Zr, Ti, Hf, Nb, W, обра­ зующими с ним твердые растворы и повышающие его прочность (ВМ1, ЦМ2А, ВМ2, ВМЗ). Для повышения длительной прочно­ сти вводится W (30 и 50 %) - сплавы ЦМВ30 и ЦМВ50. Свари­ ваемый сплав ЦМ10 наименее загрязнен примесями внедрения.

						Т а б л и ц а	15
Механические свойства тугоплавких сплавов
	При 25 °C			При 1200 °C
Сплав	<TB		8,	OB,	s,	аихцМПа
	МПа		%	МПа	%
	Сплавы на основе ниобия
ВША (4,1Mo;	800-900	620	4-5	240-260	—	130 (при 1100 °С)
0,7Zr; £ 0,08С)			16	550
ВН4 (9,5Мо; l,5Zr;	810	730			—	130 (при 1100 °С)
0.3С)	Сплавы на основе тантала
Ta-lOW	760	520-710	3,5	300-490	1 , 2	140 (при 1200 °С)
				105*	30*	35 (при 1650 °С)
	Сплавы на основе хрома
ВХТИ (до 1Y)	270	190	3	80	-	24 (при 1 2 0 0	°С)
ВХ2 (0.15TÎ; 0,2V;	350	240	3	250	30	65 (при 1100 °С)
1Y)	950	800		240"	1 2 "
ВХ4 (32Ni; 0,15Ti;			8
0,25V; 1,5W)	Сплавы на основе молибдена
					14
BMI (0,4Ti;	800	680	1 0	340		80-90
S0,01C)						(при 1200 °С)
ВМЗ (l.ITi; 0,5Zr;	800-860	-	0,03	550	1 2	250-270
0,4C; l,4Nb)				лЯ Л * * »		(при 1300 °С)
Mo-40 Re	840	-			-	-
			2 - 8	130
	Сплавы на основе вольфрама
W-27 Re	1400	-	4	700	1 2	42 (при 1600 °С)
W-15 Mo	-	-	-	175	27""	-

* При 2000 °С. ** При 1000 °С. *** При 1500 °С. ” ** При 1600 °С.