2. Ферритные хромистые и хромоалюминиевые стали

К этой группе сталей отнесены высокохромистые стали на основе 13—28 % Cr, которые при достаточно низком содер­жании углерода или легирования их ферритообразующими элементами имеют однофазную ферритную структуру. Эти стали применяют для изготовления теплообменников, де­талей аппаратуры химических производств, печного обору­дования и других изделий, которые не испытывают значи­тельных нагрузок и работают при высоких температурах длительное время.

Хромоалюминиевые стали главным образом применяют в виде ленты и проволоки, используемой в качестве нагре­вательных элементов бытовых приборов, печей, реостатов и окалиностойких труб и арматуры. Они имеют высокое омическое сопротивление в широком интервале температур. Для сохранения в сталях однофазной ферритной структу­ры необходимо достаточно строго выдерживать соотноше­ние аустенитообразующих и ферритообразующнх элемен­тов. Чтобы определить пределы минимального содержания хрома в этих сталях, можно использовать следующую фор­мулу (Ф. Ф. Химушин):

СгЭКв = %Сг + 4 % Si — 22 % С — 0,5% Mn — — 1,5% Ni — 30% N. (51)

Чем выше содержание хрома, алюминия и кремния в сталях, тем больше температуры, при которых они сохра­няют требуемые эксплуатационные свойства.

Легирование сталей этого типа преследует цель повы­шения жаростойкости путем введения таких элементов, как алюминий и кремний, а также связывание углерода в спе­циальные карбиды такими элементами, как Ti, Nb, Mo, Zr, что препятствуют обеднению твердого раствора хромом, предотвращает чрезмерный рост зерна при нагреве. Эф­фективность действия карбидообразующих элементов про­является тогда, когда весь углерод связывается в специ­альные карбиды. Так, в стали типа Xl7 при содержании углерода ОД % требуется 0,5—0,6 % Ti или 1,0—1,2% Nb, т. е. отношение Ti/C=5^6, a Nb/C = 10-M2.

При введении кремния в высокохромистые жаростойкие стали резко возрастает склонность к росту зерна; кремний улучшает их литейные свойства и свариваемость, повыша­ет жаростойкость, особенно в средах с повышенным содер­жанием серы.

Таблица 44. Окалииостойкость и механические свойства некоторых жаростойких сталей ферритиого класса

Марка стали

Режим термической обработки, 0C

W °С

‘исп> 0C

«V

МП а

Б, %

Ф. %

08X17Т

Нормализация 760—780

950—1000

20

500

20

50

|ЭИ645)

J

400

370

21

65

600

220

34

12X17

» 760—780

900—950

20

520

28

70

600

200

60

700

85

68

97

900

25

60

98

15Х25Т

» 760—780

1150

20

450

20

45

700

77

48

93

800

26

104

99

1000

11

148

99

1100

8

139

99

15X28

» 780—800

1250

20

520

30

45

600

140

62

800

30

104

1000

10

148

—-

1100

9

140

1Х13Ю4

Отжиг 720—740

1200

20

580

23

48

05Х23Ю5

» 760—780

1260

20

820

16

52

05Х27Ю5

» 760

1300

20

620

1000

70

8

Стали ферритного класса обладают невысокой проч­ностью и жаропрочностью, высокой пластичностью и удов­летворительными технологическими свойствами. Механиче­ские свойства, окалииостойкость и режимы термической об­работки основных промышленных марок ферритных сталей приведены в табл. 44.

345

Изделия из хромоалюминиевых сталей (содержание Al от 3,5 до 5,8 %) устойчивы в атмосфере воздуха, в среде сернистых газов, но резко теряют работоспособность в вос­становительных средах, содержащих окись углерода, пары воды, а также хлорсодержащих средах. При длительной

22—970 работе в азотсодержащих средах образуются нитриды алю миния, которые устойчивы до высоких температур и не: оказывают вредного влияния на свойства сталей.

Хромистые и хромоалюминиевые стали имеют крупный, недостаток: они могут охрупчиваться в процессах техноло– гических нагревов и длительных выдержек при повышен-! ных температурах во время эксплуатации (рис.202). В них возможна хрупкость при выдержках при температурах 450—500’С («хрупкость 475 °С»), хрупкость при 600—

Время, ч Температура испытания°С

Рис. 202. Влияние длительности выдержки при 475 "С (а) и темпе­ратуры испытания (б) иа механические свойства стали 15X27

800 °С, (в связи с образованием 0-фазы) и хрупкость вслед­ствие образования чрезмерно крупных зерен, например при сварке (см. гл. XXI, п. 5).

Хрупкость хромистых ферритных сталей трудно, а часто и невозможно устранить последующей обработкой, что су­жает возможности их практического использования и на­кладывает ограничения на технологические операции. Так, ковку и прокатку ферритных сталей следует проводить при температурах ниже 1150 0C и заканчивать при возможно более низкой температуре, чтобы получить мелкое зерно. Все операции гибки, правки необходимо проводить в по­догретом до 150—250 0C, особенно при работе с холоднока­таными полуфабрикатами.

3. Мартенситные хромокремнистые стали

Жаростойкие стали, имеющие повышенное содержание уг­лерода (до 0,5—0,8 %) и легированные совместно хромом и кремнием, имеют после закалки или нормализации мар – тенситную структуру и обычно называются сильхрома – м и. Они обладают хорошим сопротивлением газовой кор­розии в продуктах сгорания различных топлив и высокой износостойкостью при трении и ударных нагрузках.

Стали 15Х6СЮ (0,15 % С; 1,2—1,8 % Si; 5,5—7,0 % Cr; 0,7—1,1 % Al) и 40Х9С2 (0,35—0,45% С; 2,0—3,0% Si; 8,0—10,0 % Cr) отжигают при 850—870 °С.

Сталь 40Х10С2М (0,35—0,45% С; 1,9—2,6% Si; 9,0— 10,5% Cr; 0,7—0,9 % Mo) подвергают закалке с IlOO0C и отпуску при 740 "С.

Сталь 30Х13Н7С2 (0,25—0,34 % С; 2,0—3,0 % Sh, 12,0— 14,0 % Cr; 6,0—7,5 % Ni)— закалке с 1050 0C и отпуску при 660—680 °С.

Сталь 70Х20Н2С2ХВ (0,8 % С; 2,0 % Si; 21,0 % Cr; 1,5% Ni)—закалке с IlOO0C и старению при 780—800°С.

Основное назначение сталей этой группы — клапаны ав­томобильных, тракторных и авиационных двигателей сред­ней мощности. К клапанным сталям предъявляется ряд специфических требований: сохранение высокой твердости и прочности при рабочих температурах (до 7000C), хоро­шая сопротивляемость действию теплосмен и усталости, высокое сопротивление газовой коррозии в продуктах сго­рания жидкого топлива.

Кроме того, сильхромы используют в качестве жаро­стойких сплавов для изготовления регуляторов, теплооб­менников и колосниковых решеток в котельном и химиче­ском машиностроении.

Требуемые свойства в-сталях типа сильхромов обычно достигаются совместным введением хрома (6—14%) н кремния (1—3 %), которые позволяют получить высокое сопротивление газовой коррозии, а повышенное содержание углерода обеспечивает возможность закалки этих сталей и получение высоких значений твердости и износостойкости. Введение молибдена повышает жаропрочность и препятст­вует развитию отпускной хрупкости сталей. В стали, имею­щие высокое содержание хрома (например, при 21—23 %), вводят еще больше углерода или никель для расширения у-области и, следовательно, возможности закалки стали на мартенсит.

Присутствие в сильхромах большого количества хрома, кремния и углерода существенно повышает критические точки сталей. Так, критические точки стали 40Х9С2 AC1== =900 0C, ЛC3=970 0C, Art=810 °С, Аг3=8700C.

22*

347

Большинство современных сильхромов обрабатываются на мартенситную структуру (твердость после закалки HRC 50—56), для чего их закаливают от температур 1000—1050 0C. При нагреве до более высоких температур у этих сталей резко проявляется склонность к росту зерна что может приводить к хрупкости, связанной с грубозернис­той структурой и нафталинистым изломом. Такой вид хрупкости в сильхромах обычно удается устранить повтор – ‘ ной обработкой (фазовой перекристаллизацией).

Сильхромы также подвержены отпускной хрушшсти при медленном охлаждении после отпуска от 700—800°С, при­чем процесс охрупчивания развивается в интервале 500— 600 °С. Этой хрупкости можно избежать с помощью быст­рого охлаждения (в масле или воде) или путем легирова­ния стали молибденом.

Таким образом, термическая обработка сильхромов со­стоит чаще всего из закалки на мартенсит и высокого от­пуска. Для каждой стали важно точно установить темпера­турный интервал нагрева под закалку. Перегрев может вызвать значительный рост зерна и нафталинистый излом, а недогрев (т. е. неполная закалка)—образование двух­фазной структуры, состоящей из хромистого феррита и мар­тенсита, что резко снижает пластичность и жаропрочность сталей. Температура отпуска зависит от условий работы детали и необходимой твердости стали.

Подверженность сильхромов различным видам хрупко­сти накладывает отпечаток и на технологию горячей об­работки давлением. Штамповка может производиться как в у-области (1050°С), так и в а-состоянии (ниже 9300C), но предпочтительнее деформация при пониженных Темпе­ратурах.

Жаропрочные свойства сильхромов достаточно высоки до 600 0C, а при более высоких температурах резко снижа­ются.

В данном разделе уместно рассмотреть и некоторые другие клапанные стали. В первую очередь это относится к сталям типа 40X23H4M3C. Стали этого типа содержат не­большие количества кремния (~1 %), но имеют высокое содержание хрома (22—24 % Cr), повышенное содержание молибдена (2,5—3,3%) и никеля (4—6%). После закалки от температур 1050—1150°С в структуре сталей обнаружи­вается примерно равное количество б-феррита и аустенита и некоторое (3—5 %) количество карбидной фазы в основ­ном типа (Fe, Сг)2зСб. Затем стали подвергают старению при температуре 780—800 °С, в процессе которого выделя­ется значительное количество 0-фазы и резко повышается твердость сталей.

Интересно отметить, что стали данного типа представ­ляют редкий случай использования упрочнения, возникаю­щего при образовании 0-фазы для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств, сохранения высокой твердости, износостойкости и сопротивления термической усталости при температурах до 800—850 °С, что объясняет широкое применение сталей этого типа для изготовления клапанов автомобильных и авиационных двигателей.

В интервале 650—950 °С существует прямая зависимость между твердостью и количеством 0-фазы в структуре стали (рис. 203). Установлено, что 0-фаза образуется в основном из б-феррита, причем при 800 0C — температуре максималь­ной скорости образования 0-фазы — за 150 ч происходит практически полное превращение 6-мт+у и в структуре стали может присутствовать свыше 30 % 0-фазы. При об­разовании 0-фазы (которая обогащена хромом, молибде­ном, кремнием) в 6-феррите образуются зоны с понижен­ной концентрацией ферритообразующих элементов, что приводит к 6-*7-превращению. Таким образом, термичес­кая обработка этих сталей состоит из закалки от темпера­тур порядка IlOOcC и старения при 780cC в течение 15— 20 ч. После такой обработки стали приобретают высокую твердость (до HRC 48—52), которая сохраняется до темпе­ратур порядка 800 0C на более высоком уровне, чем у кла­панных сталей других марок.

Недостатком этих сталей является их низкая ударная вязкость по сравнению с другими сильхромами и узкие температурные интервалы при горячей обработке: при пе­регреве сталей снижается их способность к упрочнению, а при недогреве могут образоваться трещины и повысится хрупкость.

4. Аустенитные стали и сплавы

В качестве жаростойких сталей аустенитного класса глав­ным образом применяют стали на хромоникелевой основе. Эти стали не имеют больших преимуществ по жаростойко­сти перед высокохромистыми сталями ферритного класса, но выгодно отличаются от них по уровню механических свойств, в том числе жаропрочных, технологичности (спо­собности к глубокой вытяжке, штамповке, свариваемости), они также менее склонны к охрупчиванию после длитель­ных выдержек при высоких температурах.

Недостатком сталей этого класса является их сравни­тельно высокая стоимость, использование в больших коли­чествах дефицитного никеля, низкие теплопроводность и сопротивление газовой коррозии в средах, содержащих S.

Универсальные аустенитные стали типа 18-8, в том чис­ле 08Х18Н9Т, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, используют в качестве жаростойкого материала для выхлопных систем, труб, листовых и сортовых деталей при температурах 600—800 °С и невысоких нагрузках.

Повышение жаростойкости аустеннтных сталей достига­ется увеличением содержания в стали хрома, никеля, а также дополнительным легированием кремнием.

Как указывалось выше, повышение содержания таких ферритообразующих элементов, как хром и кремний, вы-

Рис. 203. Изменение горячей твердости HB после изотермической выдерж­ки при 760 °С (а) и зависимость твердости HRC от количества а-фазы (б) в стали 40X23H4M3C (Р. Могфорд, Ф. Болл, Р. Браун)

Нуждают для сохранения аустенитной структуры значитель­но увеличивать содержание никеля. Так, в сталях с 22— 25 % Cr должно содержаться не менее 17—20 % Ni (при содержании углерода 0,1—0,2 % (например, сталь 10Х23Н18). При увеличении содержания хрома до 24— 27 % и введении 2—3 % кремния необходимо иметь в стали 19—21 % никеля (сталь типа 20Х25Н20С2). Отметим, что эти стали более склонны к охрупчиванию благодаря обра­зованию 0-фазы в интервале 600—800 °С.

В качестве жаростойких материалов для работы в на­углероживающих средах до IlOO0C (например, печные кон­тейнеры и арматура) используют стали с повышенным со­держанием углерода (сталь 36Х18Н25С2). Иногда для ста­билизации аустенитной структуры и в дополнение и частич­но для замены никеля вводят марганец (6—10%) и азот <0,3—0,4%), например, в стали 12Х25Н16Г7АР, 55Х20Г9АН4. Термическая обработка аустеннтных жаро­стойких сталей заключается обычно в закалке от темпера­тур 1000—1050 0C.

В качестве жаростойких сплавов повышенной жаропроч­ности, более надежных и почти не склонных к охрупчива – нию, обладающих высокими технологическими свойствами, в авиационной промышленности (камеры сгорания, жаро­вые трубы) используют железоникелевые сплавы с добав­ками молибдена (до 3,3 %), вольфрама (до 3,5 %). титана (до 1,2%), например сплав ХН38ВТ (0,1 % С, 21 % Cr, 38 % Ni, 3,0% W, 1 % Ti) и сплав ХН28ВМАБ (0,1 % С, 21 % Cr, 28 % Ni, 5 % W, 3 % Mo, 1 % Nb, 0,15 % N).

2100 § 1900

O3- 1700 ^ 1500

Г\_770°С

770 0C

* ПО

1

——

/У \

Ч 105

Illl

Illl

100 300 500 700

100 300 5ОС 700 Torn,0O

Рис. 204. Зависимость удельного электросопротивления р и твердости HB сплава Х20Н80 от температуры отпуска после закалки с 770 и 1100 "С (Б. Г. Лифшнц)

В сплавах этого типа в интервале 350—550 0C обнару­жено возникновение так называемого К-состояния, кото­рое сопровождается изменениями микроструктуры, возрас­танием электросопротивления, теплоемкости и твердости (рис. 204). Считается, что по своей природе это превраще­ние протекает внутри твердого раствора и заключается в локальном упорядочении с образованием устойчивых ком­плексов титана и хрома вокруг атомов никеля (Б. Г. Лив­шиц). При более высоких температурах нагрева /(-состоя­ние разрушается.

Положительное влияние на долговечность и работоспо­собность никельхромовых сплавов оказывает микролегиро­вание их щелочноземельными и редкоземельными металла­ми (Ca, Mg, Ce, Th при содержании до 0,1—0,3 %). Их влияние обычно связывают с рафинирующим действием на вредные примеси. Так, установлено, что при введении Ca, Mg, Ce сера связывается в тугоплавкие сульфиды.

Для ответственных деталей (камер сгорания, жаровых труб и др.) в газотурбостроении используют сплав ХН60ВТ (ЭИ868), который содержит 25% Cr и 15% W, введение последнего значительно повысило жаропрочность у-твердо – го раствора без заметного уменьшения пластичности и тех­нологичности сплава.

Определенное распространение, особенно за рубежом, получил сплав на никелевой основе, легированный 15 % Cr и 7 % Fe, которые изготавливают с применением феррохро­ма, что позволяет экономить дорогостоящий металлический хром. Этот сплав (по американской терминологии инко – нель) имеет хорошую технологичность, по свойствам бли­зок к нихромам типа 80-20 и применяется после отжига при температурах 760—980 0C.

Термическая обработка этих сплавов, которые можно отнести к сплавам с невысоким уровнем дисперсионного уп­рочнения, обычно заключается в закалке от 1100—1120 0C с охлаждением на воздухе. Дисперсионное упрочнение их происходит в процессе эксплуатации при рабочих темпера­турах (800—IOOO0C). Сплавы на железоникелевой основе имеют после закалки невысокие прочностные свойства (0в==55О—700 МПа) и хорошую пластичность (6=45%).

. Жаростойкие сплавы на никельхромовой основе (ни­хромы) получили значительное распространение в качестве материалов для работы при 800—IlOO0C, а при кратковре­менной работе до 1200 0C. Эти сплавы применяют для из­готовления деталей газовых турбин, не испытывающих больших рабочих нагрузок и работающих при высоких тем­пературах (камеры сгорания, жаровые трубы, нагреватель­ные элементы электрических печей и других деталей).

Сплавы представляют собой в основном твердый раствор хрома в никеле с г. ц. к. решеткой, слабо упрочняются при термической обработке, имеют высокую пластичность, высокое электросопротивление и хорошие технологические свойства.

Содержание хрома в этих сплавах обычно составляет 15—27%. В качестве элементов, дополнительно повышаю­щих жаростойкость, применяется Al (до 3,5%). Введение алюминия существенно повышает жаростойкость и жаро­прочность, но снижает пластичность (особенно в интервале 700—8000C) и технологичность сплавов.

Легирование сплавов этого типа также преследует цель несколько повысить прочность при комнатной температуре, жаропрочные свойства, что достигается введением титана, молибдена, ниобия в небольших количествах, а также вольфрама. Вольфрам является благоприятным легирую­щим элементом, так как он повышает температуру солиду­са и жаропрочность сплавов и почти не ухудшает их жаро­стойкости. Введение этих элементов обусловливает образо­вание некоторого количества упрочняющих интерметал­лидных фаз.

Часть ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

К инструментальным относят стали, при­меняемые для обработки материалов ре­занием и давлением и обладающие опреде­ленными свойствами (твердостью, тепло­стойкостью, износостойкостью и др.) в усло­виях эксплуатации.