Жаростойкость, жаростойкие стали и сплавы
Жаростойкость (окалиностойкость) – это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени.
Если изделие работает в окислительной газовой среде при температуре 500..550oC без больших нагрузок, то достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей).
Сплавы на основе железа при температурах выше 570oC интенсивно окисляются, так как образующаяся в этих условиях на поверхности металла оксид железа FeO, который не препятствует диффузии кислорода в металл. Происходит интенсивное образование хрупкой окалины.
Для повышения жаростойкости в состав стали вводят элементы, которые образуют с кислородом оксиды с плотным строением кристаллической решетки (хром, кремний, алюминий).
Чем выше содержание хрома, тем более окалиностойки стали (например, сталь 15Х25Т является окалиностойкой до температуры 1100…1150oC).
Высокой жаростойкостью обладают сильхромы, сплавы на основе никеля – нихромы, стали 08Х17Т, 36Х18Н25С2, 15Х6СЮ.
Жаропрочность, жаропрочные стали и сплавы
Жаропрочность – это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах.
Жаропрочные материалы используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах, когда имеет место явление ползучести.
Ползучесть – свойство металла медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре.
В качестве современных жаропрочных материалов можно отметить перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, никелевые и кобальтовые жаропрочные сплавы, тугоплавкие металлы.
При температурах до 300oC обычные конструкционные стали имеют высокую прочность, нет необходимости использовать высоколегированные стали.
Для работы в интервале температур 350…500oC применяют легированные стали перлитного, ферритного и мартенситного классов. Эти стали применяются для изготовления деталей котельных агрегатов, паровых и газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания.
Легирование таких сталей осуществляется хромом, молибденом и ванадием и другими элементами. Термическая обработка в основном состоит из закалки и отпуска. К таким сталям относятся стали марок 12Х1МФ, 20Х3МФ, 12Х2МФСР, 12Х2МФБ, 15Х12ВНМФ, 40Х10С2М, 40Х9С2, Х6С и др.
Жаропрочные свойства растут с увеличением степени легированности. Детали, работающие при температурах 700…900oC, изготавливают из сплавов на основе никеля и кобальта (например, турбины реактивных двигателей).
Никелевые сплавы преимущественно применяют в деформированном виде. Они содержат более 55 % никеля и минимальное количество углерода (0,06…0,12 %). По жаропрочным свойствам превосходят лучшие жаропрочные стали.
По структуре никелевые сплавы разделяют на гомогенные (нихромы) и гетерогенные (нимоники).
Нихромы. Основой этих сплавов является никель, а основным легирующим элементом – хром (ХН60Ю, ХН78Т).
Нихромы не обладают высокой жаропрочностью, но они очень жаростойки. Их применяют для малонагруженных деталей, работающих в окислительных средах, в том числе и для нагревательных элементов.
Нимоники являются сплавами никель – хром (около 20 %) – титан (около 2%) – алюминий (около 1 %) (ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТФКЮ). Используются только в термически обработанном состоянии. Термическая обработка состоит из закалки с 1050…1150oС на воздухе и отпуска – старения при 600…800oС.
Увеличение жаропрочности сложнолегированных никелевых сплавов достигается упрочнением твердого раствора введением кобальта, молибдена, вольфрама.
Основными материалами, которые могут работать при температурах выше 900oC (до 2500oС), являются сплавы на основе тугоплавких металлов – вольфрама, молибдена, ниобия и других.
Высокая жаропрочность таких металлов обусловлена большими силами межатомных связей в кристаллической решетке и высокими температурами рекристаллизации.
Наиболее часто применяют сплавы на основе молибдена. В качестве легирующих добавок в сплавы вводят титан, цирконий, ниобий. С целью защиты от окисления проводят силицирование. При температуре 1700oС силицированные детали могут работать 30 часов.
10.4. Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения, сплавы с эффектом «памяти формы».
Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения широко применяются в машиностроении и приборостроении. Наиболее распространены сплавы Fe-Ni, у которых коэффициент линейного расширения при температурах от -100 до 100oС с увеличением содержания никеля до 36% резко уменьшается, а при более высоком содержании никеля вновь возрастает. При температуре 600-700oС такого явления не наблюдается и коэффициент линейного расширения в зависимости от состава изменяется плавно, что объясняется переходом сплавов в парамагнитное состояние. Таким образом, низкое значение температурного коэффициента линейного расширения связано с влиянием ферромагнитных эффектов. Для изготовления деталей, спаиваемых со стеклом, применяют более дешевые ферритные железохромистые сплавы 18ХТФ и 18ХМТФ.
Сплавы с эффектом «памяти формы» после пластической деформации восстанавливают свою первоначальную геометрическую форму или в результате нагрева (эффект «памяти формы»), или непосредственно после снятия нагрузки (сверхупругость). В настоящее время известно большое число двойных и более сложных сплавов с обратным мартенситным превращением, обладающих в разной степени свойствами «памяти формы»: Ni-Al, Ni-Co, Ni-Ti, Cu-Al, Cu-Al-Ni и др. Наиболее широко применяют сплавы на основе мононикелида титана NiTi, получившие название нитинол. Эффект «памяти формы» в соединении NiTi может повторяться в течение многих тысяч циклов. Нитинол обладает высокой прочностью, пластичностью (d = 10015%), коррозийной и кавитационной стойкостью и демпфирующей способностью. Его применяют как магнитный высокодемпфирующий материал во многих ответственных конструкциях.