Износостойкие стали

Это стали для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов: траков гусеничных машин, ковшей экскаваторов, крестовин железнодорожных рельсов.

В таких условиях применяют высокомарганцевую литую аустенитную сталь 110Г13Л (1,1 % С и 13 % Mn). После закалки в воде эта сталь имеет структуру аустенита, она мягкая и вязкая. Но в процессе эксплуатации при ударных нагрузках в аустените возникает множество дефектов, и он упрочняется. Кроме того, под действием напряжений происходит мартенситное превращение. Твердость с 200 HB возрастает до 600 HB.

Но в условиях чисто абразивного износа эта сталь неэффективна. Применяют карбидные сплавы (до 4 % С, много Cr, W, Ti), в структуре которых до 50 % составляют карбиды. Но это уже не стали. Их применяют в литом виде и как наплавочные материалы.

Лекция 17

Жаропрочные стали

Это стали для деталей, работающих в условиях повышенных температур (свыше 0,3T_пл). Детали парогенераторов, газовых турбин должны работать при таких температурах длительно и надежно.

Жаропрочность – способность материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах, т. е. длительно сопротивляться деформированию и разрушению.

Нагрев ослабляет межатомные связи в металле. Поэтому снижается модуль упругости E, пределы прочности и текучести, твердость. Поведение металла в этих условиях определяется диффузионными процессами. Как следствие, возникает явление ползучести: при напряжениях, меньших предела текучести, медленно нарастает пластическая деформация (рис. 96).

Рис. 96. Кривая ползучести:

I – неустановившаяся стадия (скорость деформации велика, но постепенно затухает);

II – установившаяся стадия (скорость деформации мала и постоянна);

III – стадия разрушения (скорость деформации резко возрастает)

Разумеется, III стадия недопустима при работе изделия. Задача выбора и обработки жаропрочного материала состоит в том, чтобы сделать II стадию как можно длиннее (десятки и сотни тысяч часов). Если при постоянном напряжении увеличивать температуру эксплуатации (или наоборот), то II стадия сокращается и разрушение наступает быстрее.

Жаропрочность оценивается следующими критериями:

МПа – предел ползучести (запись означает, что при напряжении 100 МПа и температуре 550 °C деформация не превысит 1 % за 100 тыс. часов);

МПа – предел длительной прочности (при температуре
600 °C металл выдержит напряжение 130 МПа в течение 10 тыс. часов, а дальше – не гарантируется).

Предел длительной прочности всегда меньше , определенного при кратковременном испытании при той же температуре (и, тем более, меньше стандартной характеристики ).

Для перлитного класса жаропрочных сталей предел ползучести при 550 °C за 100 тыс. часов ниже 100 МПа; предел длительной прочности для мартенситного и мартенсито-ферритного класса сталей может достигать 180 МПа.

Ползучесть может развиваться следующими способами:

1) за счет движения дислокаций (скольжения и переползания – перемещения дислокаций вверх или вниз относительно плоскости скольжения);

2) за счет зернограничного скольжения, когда идет сдвиг зерен относительно друг друга вдоль общих границ (это возможно только при мелком зерне);

3) за счет диффузионного переноса атомов вдоль растянутых границ зерен. У растянутых границ зерен легче образуются вакансии, поэтому туда устремляются атомы из других граничных областей (рис. 97).

Для повышения жаропрочности необходимо ограничить подвижность дислокаций и замедлить диффузию.

Структура жаропрочного материала должна быть крупнозернистой (с меньшей протяженностью границ), с однородным распределением мелких упрочняющих частиц внутри зерен и на границах.

Дисперсные частицы повышают жаропрочность эффективнее, чем твердый раствор. Чем мельче частицы и меньше расстояния между ними, тем эффективнее упрочнение.

Идеальным для работы при повышенных температурах является монокристалл. Уже используют лопатки газовых турбин, представляющие собой единое монокристаллическое образование. Ограничением для широкого применения является высокая цена.

Поликристаллические материалы упрочняют малыми добавками компонентов, которые располагаются по границам зерен и уменьшают скорость диффузии (бор, церий, редкоземельные металлы). В никелевых сплавах для этой цели служат карбиды.

ГЦК-решетка железа сопротивляется ползучести лучше, чем ОЦК, так как межатомные связи в ней прочнее. Полигонизованная структура тоже затрудняет развитие ползучести.

Предельные рабочие температуры металлических конструкционных материалов:

Алюминиевые сплавы 300-350 °C

САП (спеченная алюминиевая пудра) 500-550°C

Магниевые сплавы 300-350 °C

Титановые сплавы 500-600 °C

Стали 450-700 °C

Никелевые сплавы 700-1000 °C

При температурах свыше 1000 °C могут работать тугоплавкие металлы и керамика (SiC, Si₃N₄, графит).

Основой котлостроения являются перлитные жаропрочные стали. Они применяются при температурах до 580 °C. Технологичны, недороги. Содержат 0,25-0,3 % С и легирующие элементы: хром, молибден, ванадий.

Марки: 12Х1МФ, 25Х2М1Ф.

Критерий жаропрочности: ε = 1 % за 10⁴ или 10⁵ часов.

Структура: легированный феррит и равномерно распределенные в нем частицы карбидов (пластинчатой формы). Недопустимые изменения структуры – появление зернистого перлита, рост карбидов, образование графита. Все эти изменения ведут к снижению прочности и развитию ползучести.

Термическая обработка направлена на создание максимально стабильной структуры, так как эксплуатироваться изделия в теплоэнергетике должны годами. Стали подвергают нормализации при 1000 °C и высокому отпуску при 650-750 °C в течение 2-3 часов.

Из перлитных жаропрочных сталей изготавливают трубы пароперегревателей, паропроводов и других частей теплоэнергетических установок, а также валы и цельнокованые роторы, плоские пружины, крепеж.

Мартенситные жаропрочные стали прочнее и выдерживают температуру до 650 °C. Это так называемые сильхромы (например, 40Х10С2М), легированные хромом и кремнием, а также 11Х11Н2В2МФ, 15Х11МФ, 18Х12ВМБФР. Последние имеют МПа.

Сильхромы стойки к окислению в парах и топочных газах. Критерий жаропрочности – предел ползучести с допустимой деформацией ε = 0,1 % за 10⁴ или ε = 1 % за 10⁵ часов. Их закаливают с 1000 °C и отпускают при
700 °C. Применяют для клапанов ДВС.

Они плохо свариваются и труднее перлитных сталей обрабатываются резанием.

Аустенитные жаропрочные стали работают до 700 °C. Подразделяются на однофазные (12Х18Н10Т), стали с карбидным упрочнением и стали с интерметаллидным упрочнением.

Надо отметить, что, вдобавок к ползучести, при воздействии высоких температур идет релаксация (снижение) напряжений. Затянутые резьбовые соединения ослабевают, так как идет пластическая деформация, и доля упругой деформации снижается.

Жаростойкие стали

Жаростойкостью называют способность металла сопротивляться коррозионному воздействию газов при высоких температурах.

С повышением температуры и скорости движения газовой среды возрастает скорость окисления. Полированные поверхности окисляются медленнее.

Удовлетворительная жаростойкость у Cu, Fe, Ni, Mo: они образуют плотные, но дефектные оксидные пленки.

Хорошая жаростойкость у Al, Zn, Sn, Pb, Cr, Mn, Be: оксидные пленки на их поверхности плотные, с хорошими защитными свойствами.

Отличной жаростойкостью обладают Ag, Au, Pt.

Низкая жаростойкость Mo, W, Ta, Nb не позволяет использовать их без жаростойких покрытий в качестве жаропрочных материалов.

Чистое железо имеет предельную рабочую температуру на воздухе
560 °C. Легированные стали – до 1000-1200 °C. Для повышения жаростойкости стали легирующий элемент должен иметь большее сродство к кислороду, чем основа сплава.

Жаростойкие ферритные стали: 08Х17Т, 15Х25Т (нежаропрочные);

жаростойкие аустенитные стали: 20Х23Н18, 20Х25Н20С2 (имеют хорошую жаропрочность).

В различных печах применяют детали из сплавов Х13Ю4 (до 950 °C), Х23Ю5Т (до 1400 °C), нихрома Х20Н80 (до 1100 °C). Из нихрома делают муфели, нагреватели, направляющие, детали конвейеров.