Жаропрочные, жаростойкие и нержавеющие стали, их термообработка, свойства и применение.

Нержавеющие (корозионностойкие) стали – сталь, электрохимический потенциал которой положителен. Это достигается при содержаении хрома >12%.

3 группы:

1) 13% Cr

Содержание углерода до 0,5%: сталь 08Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13 (мартенситный класс, охлаждение на воздухе). Изготовление хирургических инструменов, бытовых ножей, топориков. Закалка при 1000…1050ºС, охлаждение в минеральном масле. Изготовление посуды, подвергающейся индукционному нагреву.

2) 18% Cr

Стали аустенитного класса (немагнитные) 08Х18Н10Т, 20Х18Н10Т. Аустенитные стали не упрочняются закалкой. Для таких сталей закалку делают для увеличения пластичности. Закалка при 1000…1050ºС и резкое охлаждение в воде. В этом случае образуется равномерный по химическому составу аустенит, если охлаждение медленное, то по границам зерна выделяются карбиды хрома и сталь становится хрупкой. Кроме того, границы зерна объединяются хромом и хрома на этих границах меньше 12%, т.е. сталь станет склонной к коррозии. Если при высокой t в сталь продиффундирует кислород, то границы зерён окислятся, что приведёт к резкому повышению хрупкости и снижению пластичности, и этот дефект неустраним.

3) 25-28% Cr

10Х25, 15Х28 (первые цифры – содержание углерода, вторые – содержание хрома). Повышенное количество хрома позволяет использовать стали в концентрированных средах.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали

Оценивают по увеличению массы испытываемых образцов после высокотемпературной выдержки в окислительной среде. Взаимодействие атомов Fe и других атомов с кислородом даёт следующие оксиды:

 

 

Увеличение массы испытываемых образцов за счёт появления кислорода на поверхности. Чем меньше привес, тем выше окалиностойкость. Совокупность оксидов на поверхности – окалина. Если оксид на поверхности имеет бездефектную кристаллическую структуру, он может служить защитной плёнкой, препятствуя дальнейшей диффузии металла. В случае стали наиболее рыхлой кристаллической структурой обладает FeO, который образуется при t>570ºС. Поэтому при термообработке появляется большой слой окалины, и происходит большой угар металла. Чтобы увеличить окалиностойкость, необходимо изменить структуру окиси в металле, т.е. надо чтобы появлялись оксиды с плотной кристаллической структурой. В промышленности чаще всего используют легирование стали хромом; в структуре окалины преобладает Cr₂O₃. В качестве окалиностойких можно использовать нержавеющие стали. Чем больше Cr, тем выше эксплуатационная t. При 900ºС содержание хрома в стали должно быть не менее 10% (08Х13 – 40Х13). При 1000ºС – не менее 18%. Окалиностойкость – структурно нечувствительное свойство. Для повышения окалиностойкости необходимо применять химико-термическую обработку. Наибольший эффект при ХТО имеют алитирование (Al₂O₃), хромирование (Cr₂O₃), силицирование (SiO₂), оксиды имеют бездефектную кристалличекую структуру. Хороший эффект даёт алитирование и для обычных углеродистых сталей. Проводится алитирование при 900ºС с использованием специальных алитирующих порошковых смесей. Металл засыпают смесью в контейнере, гермитизируют и помещают в печь+выдержка около 8 часов для насыщения. Хромирование даёт повышение окалиностойкости при 1000…1050ºС. Хромирование можно проводить в порошковых смесях при 1000…1100ºС 6-8 часов. Силицирование можно проводить в порошковых смесях при 900ºС около 4 часов.

Жаропрочные стали

Предел длительной прочности – напряжения, вызывающие разрушение при заданной температуре через заданное время. Предел ползучести – напряжения, вызывающие заданную деформацию при заданной температуре через заданное время. В зависимости от эксплуатационной температуры используют различные группы сталей: перлитного, мартенситного и аустенитного классов. Наиболее дешёвые и простые – стали перлитного класса. Изготовление паронагревателей, котлов высокого давления, паропроводов, крепёжных деталей этих конструкций. Легируют эти стали хромом или молибденом (15ХМ).

Стали мартенситного класса – сильхромы (Si+Cr). Изготовление деталей выхлопа, двигателей внутреннего сгорания, впускных и выпускных клапанов. В сильхромах 0,5% C (Х6С2, Х9С2), t нагрева до 700ºС. Термическая обработка: t закалки 1000…1050ºС, t отпуска 700…750ºС, структура – сорбит.

Стали аустенитного класса – рабочая температура до 600…700ºС. Изготовление лопаток газовых турбин, клапанных систем двигателей. Стали делятся на упрочняемые термообработкой (20Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т) и неупрочняемые термообработкой (для таких сталей используют закалку для повышения пластичности и вязкости). Дисперсионно-твердеющие стали дополнительно содержат небольшое количество вольфрама, титана, алюминия, ванадия. Термическая обработка: закалка, охлаждение в воде, отпуск 600…750ºС. После закалки твёрдость не увеличивается, а в результате отпуска из аустенита выделяются мелкодисперсные интерметаллиды. За счёт этого существенно вырастает прочность, твёрдость – дисперсионное твердение.