Жаропрочные стали предназначены для работы под нагрузкой при высоких температурах в течение определенного времени.
При повышенных температурах в металлах развиваются процессы ползучести – нарастание деформации при постоянно действующем напряжении, что и приводит, в конечном счете, к разрушению деталей.
Жаропрочность – это способность металла сопротивляться ползучести.
Основными причинами разупрочнения сталей при высоких температурах являются:
развитие процессов рекристаллизации;
диффузионные процессы,
активное перемещение дислокаций,
скольжение границ зерен.
Повышение жаропрочности достигается:
легированием твердого раствора тугоплавкими металлами, такими как Cr, Mo, W, V, что обеспечивает повышение температуры рекристаллизации, замедление диффузионных процессов и твердорастворное упрочнение;
образованием в твердом растворе дисперсных частиц вторичных фаз (карбидов, нитридов, интерметаллидов), которые выделяются из пересыщенного твердого раствора в результате закалки и старения (отпуска), частицы тормозят движение дислокаций, обеспечивая дисперсионное упрочнение;
формированием крупнозернистой структуры, что уменьшает зернограничное скольжение. Для стабилизации границ зерен применяют легирование элементами, образующими устойчивые фазы, например, бором (до 0,01%).
Таким образом, жаропрочные стали являются, как правило, многокомпонентными высоколегированными сплавами. Они также должны обладать высокой жаростойкостью и коррозионной стойкостью.
Основные группы жаропрочных сталей
Стали перлитного класса
Котельные углеродистые стали 12К, 15К, 22К применяются для слабонагруженных деталей энергетических установок, их рабочие температуры не превышают 400°С, термообработка – нормализация.
Низколегированные стали 12Х1МФ, 25Х2М1Ф с содержанием карбидообразующих элементов (Cr, Mo, W и V) до 3%. Термообработка - закалка + высокий отпуск обеспечивает дисперсионное твердение за счет выделения карбидов молибдена и вольфрама. Применяются в паросиловых установках с рабочими температурами до 510…550°С.
Стали мартенситного (мартенситно-ферритного) класса:
Стали 15Х11МФБ, 18Х12ВМБФР содержат 8…13%Cr, а также W, Mo, V, Nb. После закалки и высокого отпуска формируется структура сорбита отпуска. Жаропрочность достигается за счет упрочнения твердого раствора, образования карбидных и интерметаллидных фаз. Применяются для деталей газовых турбин и паросиловых установок. Траб=580…600°С.
Сильхромы 40Х9C2 и 40Х10С2М применяют для изготовления выпускных клапанов двигателей. Траб.max=650°С.
Стали аустенитного класса по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали. Различают три группы аустенитных сталей:
Стали со структурой твердого раствора, не упрочняемые термообработкой: 10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР применяются для пароперегревателей и трубопроводов высокого давления до температур 600…700°С. Для получения однородной аустенитной структуры проводят термообработку: закалку от 1100…1150°С в воде или на воздухе.
Стали с карбидным упрочнением 45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС содержат повышенное содержание углерода (0,3…0,5%С) и карбидообразующих элементов. В результате закалки и старения формируется структура легированного аустенита с дисперсными карбидами. Применяют для изготовления дисков, лопаток, корпусов газовых турбин и др. с рабочими температурами до 700°С.
Стали с интерметаллидным упрочнением 10Х11Н20Т3Р, 10Х11Н23Т3МР после закалки и старения получают структуру легированного аустенита с включениями дисперсных интерметаллидов (Ni3Ti, Fe3Ti и др.), когерентно связанных с решеткой γ–твердого раствора. Жаропрочность сохраняется до 750…800°С.