Молібден в сплавах, стійких проти корозії

 

За аналогією з хромом і нікелем молібден також додає сталі схильності до пасивування. Різниця полягає в тому, що при введенні молібдену пасивність настає, не так легко, як у присутності хрому або нікелю. З іншого боку, молібден відрізняється тим, що він на противагу хрому пасивує поверхню сталі як у відновлювальних кислотах (соляна, сірчана і сірчиста), так і в сильно окислених соляних розчинах і особливо в присутності іонів хлору. Таким чином антикорозійну стійкість сталі можна підвищити шляхом присадки молібдену. Особливо виразно перевага молібденової сталі проявляється при дії сірчистої та сірчаної кислот. Сталь, що містить молібден, стійка проти впливу сірчистого ангідриду при температурах до 250° С і тиску до 40 атм. [15] Стійкість хромонікелевої сталі в азотній кислоті при присадці молібдену не підвищується.

Сприятливий вплив молібдену зумовив широке застосування хромонікелевих сталей з молібденом як корозійностійкого матеріалу. Ці сталі набули значного поширення в фарбувальному і відбілюючому виробництвах, а також завдяки стійкості проти перегрітих сульфідних лугів – у целюлозній промисловості.

Окалиностійкість хромистої і хромонікелевої сталі при малому вмісті молібдену практично не змінюється. При більш високому вмісті молібдену (більше 3%), так само як і у випадку вольфрамової сталі, спостерігаються «спучування" і внаслідок цього часткове псування металу. Причина цього явища, полягає в утворенні і сублімації триокису молібдену MoO3. У таких сплавах тільки при високому вмісті нікелю (вище 40%) усувається утворення оксиду MoO3. Іноді може спостерігатися збагачення металу молібденом під шаром окалини, що особливо несприятливо у присутності сірчистих газів. Присадка молібдену покращує стійкість сталі проти дії водню при підвищених тисках і температурах завдяки утворенню спеціальних карбідів. Тому майже всі водородостійкі сталі містять добавки молібдену. Сприятливим фактором є також зменшення молібденом схильності до відпускної крихкості. Для апаратури хімічної промисловості, що знаходиться під впливом водню при високих тисках і температурах, молібденова сталь виявляється особливо цінною і в багатьох випадках єдино придатною ще й тому, що молібден підвищує жароміцність сталі.

 

Жароміцна сталь

Міцність простої вуглецевої сталі при нагріванні надзвичайно сильно знижується і при тривалій роботі під напругою в області температур вище 500 – 600° С стає у багато разів менше, ніж при 20° С. Тому для деталей машин і механізмів, що піддаються великим навантаженням в нагрітому стані, застосовують так звану жароміцну сталь, що зберігає необхідні механічні властивості під навантаженнями при нагріванні до високих службових температур. Жароміцна сталь, легована молібденом, вольфрамом, хромом, нікелем та іншими елементами, має винятково велике значення в техніці. Досить сказати, що без відповідних жароміцних матеріалів неможливо було б побудувати реактивні двигуни, газові турбіни і багато сучасних енергетичних установок.

Жароміцна сталь повинна володіти хорошими технологічними (ковкість, зварюваність, оброблюваність різанням і т.д.) і службовими (висока міцність при нагріванні, велика стійкість проти деформації при різних температурах і т.д.) властивостями. Випробування механічних властивостей жароміцної сталі при кімнатній температурі не характеризують міцність цієї сталі при тривалій роботі під навантаженням в області високих (робочих) температур. Таку сталь піддають особливим випробуванням, що імітують умови служби деталей в нагрітому стані, і визначають різні механічні властивості при нагріванні. Найважливіші характеристики жароміцної сталі: межі міцності при короткочасних і тривалих випробуваннях і межа повзучості. Крім того, жароміцну сталь піддають випробуванням на релаксацію і гарячу твердість, а також визначають деякі технологічні властивості.

Короткочасні випробування міцності при нагріванні аналогічні визначенням механічних властивостей на розтяг при кімнатній температурі, з тією лише різницею, що при гарячих випробуваннях зразки розриваються в нагрітому вигляді при певній температурі.

Дуже важливою характеристикою жароміцної сталі є так звана довготривала міцність. При випробуванні сталі на тривалу міцність зразки нагрівають і піддають при цій температурі тривалому впливу постійного навантаження до руйнування. Межею тривалої міцності називається напруга, що викликає руйнування зразка при заданих температурі і часі навантаження.
Повзучістю називається властивість сталі повільно і безперервно пластично деформуватися - «повзти» - при постійній напрузі в області високих (робочих) температур. Межею повзучості називається напруга, що викликає задану деформацію за певний час, при даній температурі. На рис. 2.11 приведена типова крива повзучості сталі. [11]

а – b – повзучість, чка не встановилась; b – с – повзучість з постійною швидкістю; с – d – повзучість з зростаючою швидкістю; d – руйнування.

Рис. 2.11 Крива повзучості жароміцної сталі

 

Випробування сталі на повзучість зазвичай тривають не більше 1000 - 10000 годин. При повзучості сталі протікають два взаємно протилежні процеси: зміцнення-під впливом наклепу в результаті пластичної деформації і втрати міцності-під впливом рекристалізації в результаті нагрівання. Для підвищення межі повзучості необхідно, щоб сталь легко накльопувалась (зміцнювалась) і мала високу температуру рекристалізації (втрати міцності).

Дуже важливою характеристикою є також релаксаційна стійкість сталі. Релаксацією називається мимовільне зниження напружень в сталі внаслідок переходу пружної деформації в пластичну. Чим вища температура, тим швидше оборотна пружна деформація переходить на незворотну пластичну деформацію. Це явище особливо важливе для сталі, з якої виготовляють різні кріпильні деталі, що працюють під напругою в нагрітому стані. Релаксація тісно пов'язана з повзучістю: чим вища межа повзучості, тим більша релаксаційна стійкість сталі.

Основні механічні властивості (межі тривалої міцності і повзучості) жароміцної сталі залежать головним чином від температури втрати міцності, тому на міцність сталі при нагріванні вирішальний вплив мають такі легуючі елементи, які підвищують температуру рекристалізації сплаву. Найбільш ефективні в цьому відношенні вольфрам і молібден і ці елементи в кількості до 4 – 5% вводять у термостійку сталь для зміцнення її при високих температурах. Для зміцнення жароміцної сталі в неї вводять такі елементи, які мають обмежену розчинність в залізі і утворюють з ним або з присутніми в сталі іншими легуючими елементами інтерметалічні з'єднання.

Крім високих механічних властивостей, жароміцна сталь повинна мати також велику хімічну стійкість, тобто добре опиратися окислюванню і окалиноутворюванню при нагріванні в різних гарячих газах (водяна пара, повітря, вуглекислота).

Чим більші зерна в жароміцної сталі, тобто чим менше відношення поверхні зерен до обсягу, тим вищі міцнісні характеристики сталі. Однак пластичність і в'язкість сталі, а також чутливість до надрізів зі збільшенням розмірів зерна погіршуються.

Зміст вуглецю в жароміцній сталі зазвичай знаходиться в межах 0,1 - 0,2% і, як правило, не перевищує 0,3–0,4%, тому що при нагріванні високовуглецевої сталі зміцнення, отримане шляхом термічної обробки (загартування та відпуску), зникає, в той же час вуглець знижує пластичність сталі і погіршує деякі технологічні властивості.

До жароміцної сталі пред'являються найрізноманітніші вимоги по температурі застосування і за характером навантаження, тому зараз виплавляється велика кількість різних марок жароміцної сталі, яка повинна задовольняти економічні вимоги і володіти необхідними механічними і фізико-хімічними властивостями.