Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

применяют для деталей, работающих в газовых средах при температуре 550-900°С.

Способность металла сопротивляться химическому действию окружающей газовой среды (высокая стойкость против химического разрушения поверхности) при высоких температурах называется жаростойкостью или окалиностойкостью.

При нагреве выше 600°С происходит интенсивное окисление сплавов на основе железа. Образующаяся на поверхности металла рыхлая пленка оксида FeO неспособна предотвратить диффузию кислорода в металл. Такие легирующие элементы, как Cr, Si, Al улучшают состав и строение оксидной пленки (эти элементы находятся в твердом растворе и образуют в процессе нагрева защитные пленки окислов (Cr, Fe)₂O₃, (Al, Fe)₂O₃). Она становится плотной, хорошо прилегающей к металлу, что затрудняет диффузию кислорода. Стали, легированные указанными элементами не образуют окалины при высоких температурах.

Коррозионностойкие стали одновременно являются жаростойкими сталями. При этом жаростойкие свойства растут с увеличением содержания Cr в стали.

Способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах называется жаропрочностью.

Оценку жаропрочности сталей проводят по их сопротивлению пластической деформации (пределу текучести) и разрушению (пределу длительной прочности). При температурах, близких к началу рекристаллизации, приложение нагрузки, даже меньшей предела текучести, приводит к медленной пластической деформации – ползучести. Учитывая, что развитие высокотемпературной ползучести совпадает с началом рекристаллизации, рост жаропрочности сплава может быть достигнут легированием тугоплавкими металлами W, Mo, V, Nb, Ti.

К жаропрочным материалам относят:

а) Сталиклассов

– перлитные стали (марки 12ХМ, 12Х1МФ) – в закаленном или нормализованном (950-1050°С) и высокоотпущенном (650-750°С) состоянии. После нормализации и отпуска стали имеют структуру пластинчатого перлита.

– мартенситиые стали (марки 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ) – закалка от 1000-1050°С в масле на мартенсит с последующим отпуском на сорбит или троостит.

– аустенитные стали (марки 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М) – закалка 1050-1200°С, в воде, в масле, на воздухе и старение при температурах выше эксплуатационных (600-800°С). При старении происходит выделение из аустенита мелкодисперсных избыточных фаз, что дополнительно увеличивает сопротивление стали ползучести.

б) Сплавы на никелевой основе, содержащие более 30-50 % Ni работают при температурах до 700-900°С:

– нихромы, содержащие NiиCr, используемые как жаростойкие материалы для нагревательных элементов – Х20Н80;

– нимоники - стареющие сплавы на основе Ni, содержащие Cr, Ti и Al. Примером нимоника может служить сплав ХН77ТЮР, содержащий: 19 – 22 % Cr, 2.4 - 2.8 % Ti, 0.6 – 1.0 % Al, остальное - Ni. Максимальная жаропрочность нимоников достигается после закалки от 1100-1200°С и старения при 700-750°С в течение 15–20 ч.

в) Керамические материалы на основе SiC, Si₃N₄ (системы Si–А1–О–N), которые способны работать при температурах выше 1500–1700°С, не боясь перегрева и не требуя принудительного охлаждения.

г) Тугоплавкие материалы и сплавы наих основе для работы при температурах выше 1000°С: Cr - 1900°С, Nb - 2415°С, Mo - 2620°С, Ta - 3000°С, V - 3410°С.

Автоматные стали

применяют для массового изготовления крепежа на станках-автоматах. Основное требование – хорошая обрабатываемость резанием (интенсивность изнашивания инструмента, чистота поверхности резания, форма стружки и легкость ее отвода), достигаемая за счет увеличения содержания серы и фосфора до 0,1-0,2 % – для получения ломкой стружки, а также добавления селена и свинца – в качестве смазки (т.к. при нагреве от теплоты резания расплавляются, растекаются по обрабатываемой поверхности или обволакивают твердые оксидные включения, чем и снижают трение между инструментом и деталью).

Маркируются автоматные стали буквой А и двумя цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, А30.