К теплоустойчивым относятся стали, используемые в энергетическом машиностроении для изготовления котлов, сосудов, паронагревателей, паропроводов и др. Эти же стали применяют в химическом и нефтяном машиностроении для работы при повышенных температурах.
Рабочие температуры теплоустойчивых сталей достигают 600—650 °С, а давление газовых или жидких сред 20— 30 МПа. Так, рабочие параметры в паросиловых установ – ках составляют 585 0C при давлении 25,5 МПа, а в наиболее мощных установках достигают 650 0C и 31,5 МПа.
Детали таких установок должны работать длительно время без замены (до 100 000—200 000 ч), поэтому основ ным требованием является заданное значение длительной прочности и сопротивление ползучести за весь ресурс эксплуатации.
В зависимости от условий работы деталей в качестве теплоустойчивых используют углеродистые, низколегированные и хромистые стали.
1. Углеродистые и низколегированные стали
Для работы при температурах до 120 0C и давлениях до 0,8 МПа обычно применяют стали Ст2 или СтЗ (см. гл. X). При давлениях до б МПа и температурах до 400 0C — углеродистые котельные стали 12К, 15К, 16К, 18К> 20К – Состав и свойства этих сталей регламентируются ГОСТ 5520—79. Эти стали различаются содержанием углерода (номер марки стали соответствует среднему содержанию углерода), при этом чем больше углерода в стали, тем выше характеристики прочности: ав=360—380 МПа, ао,2=220 МПа для стали 12К и соответственно 480—490 и 280 МПа для стали 20К. Одновременно несколько снижается пластичность (с 24 до 19 %). Котельные стали поставляют в виде листов толщиной от 4 до 60 мм и труб. Их можно подвергать пластической деформации и сварке.
Цель термической обработки — получить стабильную структуру, которая сохранялась бы практически неизменной в течение всего срока эксплуатации. Стали обычно подвергают нормализации, а при повышенном содержании углерода (0,22—0,24) — закалке и высокому отпуску, при этом температура отпуска должна быть не менее чем на 100—120 0C рыше рабочей температуры.
В процессе длительной эксплуатации в структуре ко тельных сталей может происходить сфероидизация и коагуляция карбидов. Этот процесс ускоряется под действием напряжений. Углеродистые котельные стали сохраняют длительную прочность на уровне адл=60—70 МПа (Ст20К) при температурах до 500°С, при более высоких температурах длительная прочность резко снижается.
Для более ответственных деталей энергетических блоков, работающих при температурах до 585 0C и давлении 25,5 МПа применяют низколегированные стали, регламентируемые ГОСТ 20072—74. Эти стали в зависимости от режима термической обработки могут иметь феррито-перлит – ную, феррцто-бейнитную, бейнитную или мартенситную структуру. Составы, режимы термической обработки и дли-
Таблица 36. Состав и предел длительной прочности адл низколегиро
|
Марка стали |
Содержание основных элементов, % |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
C |
Cr |
Mo |
V |
Другие |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
12ХМ 12Х1МФ |
0,09— 0,16 0,08— 0,15 |
0,4—0,7 0,9—1,2 |
0,4-0,6 0,25— 0,35 |
0,15- 0,30 |
— |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
25X1МФ |
0,22— 0,29 |
1,5—1,8 |
0,25— 0,35 |
0,15— 0,30 |
— |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
25Х2М1Ф 12Х2МФСР |
0,22— 0,29 0,08— 0,15 |
2,1—2,6 1,5—1,8 |
0,9—1,1 0,5-0,8 |
0,3-0,5 0,15-0,3 |
сч о t-^ю о К.— S О оо о СО юо ю О Ю Ю сч О К а N С к S § – а CJCD . «со О OO СО Ю CD У – У О CN О О — О 00 о О ю о> О Ю 00 В н О В ь O В H О ГаО К – 00 со U S S * S – O 00 LO О о О О f– О (N R S И га го S Is Ii К — R Я и 03 Го S RaU о.1=5 Is О! S И S f – S о аю Л) CS Ь а .О S О О CN О ¦Ч1 I–
У У JQ ,2 -Л 8~ CQ -О 0-0 -о J1 ю оо* Ю о IO О Ю.—* О S СО* I »о •»Г О 00 4 О со I Ю О Со I О» СО О» Со О I СО О» TS « 1° Ss О 1 Еч О» T О & S * О. I T О* Ь О
Терметаллиды, в основном фазы Лавеса Fe2Mo1 Fe2W, Fe2(Mo1W). Время Выдержки, ч Рис. 186. Влияние длительности изотермической выдержки при 620 °С на механические свойства (а) и фазовый состав стали с 12 % Cr, легированной Mo, Nb, V (б) tK. А. Ланская) По основным структурным составляющим эти стали подразделяют на мартенситные и мартенсито-ферритные, что определяется содержанием хрома, углерода и сочетанием дополнительных легирующих элементов. Состав и свойства некоторых типичных сталей этой группы приведены в табл. 37. БА„,мпа зчо BDD T,°C Рис. 187. Сводный график предела длительной прочности за IO5 г при различных температурах сталей: /—12X13; 2 — 20X13; 3 — 20ХПМФБН; 4 — 10Х12ВНМФ; S – 20Х12ВМБФР; 6— 14Х12В2МФ; 7 — 12Х8М1ФБР; 8 — 15Х12ВМ1БФР (К. А. Лаиская) Эти стали являются более теплоустойчивыми и жаростойкими, чем низколегированные стали. Они также более жаростойки в продуктах сгорания жидкого и твердого топлива, чем хромоникелевые аустенитные стали. Хромистые стали этой группы обладают хорошими технологическими свойствами, высокой прочностью, пластичностью, ударной вязкостью. Кроме того, некоторые стали этой группы имеют высокую демпфирующую способность и удовлетворительную релаксационную стойкость. Указанные стали применяют для различных деталей энергетического машиностроения (лопатки, трубы, крепежные детали, детали турбин и др.), в основном работающих длительное время при температурах 600—650°С. Стали типа 10X5 обладают сильной склонностью к ох – рупчиванию при температуре 475°С, поэтому применяют стали, дополнительно легированные молибденом или вольфрамом (0,4—0,7%), что устраняет хрупкость этих сталей и повышает их теплоустойчивость. В эти стали вводят также другие элементы: кремний и алюминий для повышения жаростойкости, титан или ниобий для устранения склонности к закаливанию при охлаждении на воздухе благодаря связыванию углерода в специальные карбиды, а ванадий для повышения жаропрочности. Для длительной работы при повышенных температурах эти стали применяют после отжига 840—860°С, что связано со стремлением получать возможно более стабильную структуру, состоящую из ферритной основы, легированной молибденом и вольфрамом, и сравнительно дисперсных карбидов, в основном специальных карбидов ванадия. Повышение рабочих температур паросиловых установок потребовало применения в качестве теплоустойчивых сталей с 12% Cr. Эти стали в зависимости от содержания углерода и режима термической обработки могут иметь фер – рито-мартенситную или мартенситную структуру. Необходимый уровень прочности и теплоустойчивости этих сталей в значительной степени определяется упрочнением вследствие фазового наклепа при мартенситном превращении и последующем дисперсионном твердении при отпуске или в процессе эксплуатации. При рассмотрении сталей с 12% Cr легко проследить, как усложнение состава сталей благодаря введению дополнительных легирующих элементов в оптимальных количест- Таблица 38. Влияние легирующих элементов на сопротивление ползучести 12 %-иой хромистой стали (аустенитизация 1250 °С+ +стареиие 650 °С) (К. А. Ланская) Сочетание легирующих элементов 300 Деформация ползучести (а = 125 МПа, ( = 600 °С), %, в течение, ч 1000 Относительное сопротивление ползучести, %, При 600 cC (а = 125 МПа, T = 300 ч) Cr—Mo Cr-Mo-V Cr—Mo—V-Nb Cr—Mo—V—Nb—N Cr—Mo—V—Nb—N-B Cr—Mo—V—Nb—Ti – N Cr—Mo—V—Nb—Ti—N-B
Вах, т. е. комплексному легированию, позволило повысить! их жаропрочные свойства (табл. 38). I Улучшение свариваемости этих сталей достигается посредством снижения содержания углерода, что сопровождается увеличением количества феррита и образованием более пластичного мартенсита. Стали с пониженным содержанием хрома (7—9% Cr) пока не нашли широкого применения, но рассматриваются как перспективные, так как они более технологичны при термической обработке и сварке, хотя и несколько уступают сталям с 12% Cr по жаропрочности. У этих сталей в структуре отсутствует 6-феррит и мартенситное превращение протекает в более широком температурном интервале, причем начинается на 100—200°С выше. Таким образом, увеличение жаропрочности 12%-ных хромистых сталей достигается посредством комплексного легирования. Введение элементов, упрочняющих твердый раствор, добавки сильных карбидообразующих элементов, азота и бора приводят к образованию карбидных и карбо – нитридных фаз высокой стабильности, а также упрочняющих интерметаллидных фаз, в основном фаз Лавеса. Имеются данные о положительном влиянии кобальта на свойства 12%-ных хромистых сталей, который при введении его в количестве 4—6% увеличивает характеристики жаропрочности, релаксационную стойкость, уменьшает содержание S-феррита. Влияние кобальта связывают с более заметным упрочнением сталей интерметаллидными частицами фаз типа AB2 (фаз Лавеса) и увеличением дисперсности карбидных частиц. Такие стали (10Х10К6ВБ и 07Х10К6МВФ) применяют в США и Англии. Считается, что присутствие в стали более 10—15% структурно свободного феррита снижает жаропрочность сталей, кратковременную и длительную пластичность и ударную вязкость. Основной вклад в обеспечение высоких жаропрочных свойств вносит мартенсит отпуска, который и при рабочих температурах способен длительное время сохранять упрочнение, полученное в результате фазового наклепа при у-> ам-превращении. Различие в устойчивости упрочнения при фазовом наклепе и при пластической деформации связано с многократностью деформации при полиморфном превращении в различных системах скольжения и образованием более равномерной дислокационной структуры (М. А. Штремель, И. Н. Кидин) . Метастабильность мартенсита при нагреве под напряжением делает очень важным процессы, протекающие при отпуске и старении рассматриваемых сталей. В настоящее время термин «отпуск» предложено применять к сплавам, которые подвергнуты закалке с полиморфным превращением, а термин «старение» — в случае закалки без полиморфного превращения. Для рассматриваемых 12%-ных хромистых сталей, следовательно, более правильно использовать термин «отпуск», хотя во многих сталях этой группы присутствует структурно свободный феррит (до 10—15%), который при закалке не испытывает полиморфного превращения и может подвергаться старению при последующем нагреве. Отпуск сталей, предназначенных для длительной работы, обычно проводят при более высоких температурах (на 100—150°С выше, чем рабочая температура соответствующих деталей), чтобы обеспечить стабильность структуры и, следовательно, свойств стали на весь ресурс эксплуатации. По данным различных авторов, в 12%-ных хромистых сталях при повышении температуры отпуска имеют место следующие карбидные превращения: МезС-+Ме7С$-+- -+Me23 С 6, а в сложнолегированных сталях образуются также специальные карбиды (Mo2C, WC, NbC, VC) и карбонитриды (типа Nb (С, N)). Важное значение в упрочнении этих сталей играют ин – терметаллидные фазы Лавеса типа AB2, которые выделяются в интервале температур 550—600 0C в основном в участках S-феррита и в зависимости от соотношения легирующих элементов имеют состав Fe2Mo, Fe2W, Fe2 (Mo, W). Во всех сталях этого типа с увеличением длительности выдержки при отпуске (~620°С) наблюдается постепенное снижение прочностных свойств, ударной вязкости « повышение пластических характеристик (рис. 186). При этом в стали увеличивается количество карбидных и интерметал – лидных фаз, которые с увеличением длительности выдержки коагулируют. Более заметно укрупняются частицы кубического карбида Me23C6 и интерметаллидных фаз Лавеса Fe2(W1Mo), а состав и размеры частиц карбоиитридов ванадия и ниобия почти не изменяются. На рис. 187 приведены кривые длительной прочности основных 12%-ных хромистых сталей при базе испытания 10000 ч в зависимости от температуры. Видно, что чем сложнее по составу стали, чем выше в них содержание упрочняющих фаз и легирован – нее твердый раствор, тем выше их жаропрочность. 313 Таким образом, 12%-ные хромистые стали используют как теплостойкий материал для длительной работы (до 20—970 IO5 ч) в интервале температур 450—650°С и поставляют машиностроительным отраслям в виде сортового проката— горячедеформированного толстого листа (ГОСТ 7350—77),. тонкого листа (ГОСТ 5582—75) и горячедеформирован – ных (ГОСТ 9940—81) или холодно-и теплодеформирован – ных (ГОСТ 9941—81) труб. |