Жаростойкие и тугоплавкие металлы и сплавы

Жаростойкость (окалиностойкость) - способность металлов и сплавов сопротивляться (сохранять свои механические свойства) газовой коррозии при высоких температурах. Жаростойкие легированные стали содержат в большом количестве легирующие элементы Сr, Al, Si;  плотные, прочные и тугоплавкие окисные пленки которых (Сr2О3, Al2О3 и SiО2), образующиеся на поверхности деталей, обеспечивают защиту металла от дальнейшего окисления. К жаростойким сталям относятся: 08Х17Т, 15Х28, 12Х1МФ, 12Х2МФСР и др.

Влияние содержания в стали хрома на окалиностойкость показано на рис. 3.12. Поскольку все нержавеющие стали содержат хрома больше 13 %, то они являются и жаростойкими.

К тугоплавким металлам и сплавам относят такие, у которых температура плавления превышает 1800 ºС. Из легирующих элементов особое место по эффективности занимает ванадий, причем он гораздо дешевле многих других легирующих элементов. Стали, упрочненные соединением ванадия с азотом, хорошо работают при низких температурах в условиях Крайнего Севера.

Тугоплавкими являются металлы:  ниобий Nb, молибден Mo, хром Cr и ванадий W.

Ниобий Nb – это металл плотностью 8570 кг/м³ с температурой плавления 2500 ºС, химически стойкий, хорошо сваривается, используется для легирования химически стойких и жаропрочных сталей, применяемых для изготовления деталей ракет, реактивных двигателей и химической аппаратуры.

Молибден Mo - более плотный (γ=10200 кг/м³⁾ металл, чем ниобий и сталь и имеет очень высокую температуру плавления (2620 ºС). Он используется при легировании сталей, применяемых для изготовления лопаток турбин, нитей электролампочек, деталей авио и автомобилестроения.

Вольфрам - наиболее тугоплавкий (температура плавления 3410 ºС) из металлов. Он входит в состав жаропрочных, сверхтвердых и инструментальных сталей, Из него изготовляют нити накаливания, электронагреватели и электроды.

Жаропрочность - способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению в области высоких температур. Жаропрочность линейно зависит от температуры плавления металла.

В диапазоне 700…950 ºС применяют сплавы на основе железа, никеля и кобальта, а при более высоких температурах (до 1200...1500 ºС) - сплавы молибдена и других тугоплавких металлов.

 Детали котельных установок с рабочей температурой до 510 ºС изготовляют из стали 12Х1МФ, а детали газовых турбин и паросиловых установок (600…620 ºС) изготовляют из сталей 18Х12ВМ5ФР и 15Х12ВНМФ.

Термообработка сталей

Свойства металлов и сплавов зависят не только от химического состава, но и от структуры. С помощью термической обработки (нагрева до определенной температуры, выдержки при этой температуре и подбора различных скоростей охлаждения) можно получить ту или иную структуру (рис. 3.13).

С помощью термической обработки можно:

- выровнять структуру;

- повысить твердость;

- снять напряжения;

-   насытить поверхность детали химическими элементами.

Закалка сталей

Закалка и отпуск проводятся в комплексе с целью повышения механической прочности и твердости и сохранения достаточно вязкой структуры.

При закалке   сталь нагревается на 30…50 °С выше температуры фазовых превращений, далее проводится выдержка детали при этой температуре и последующее очень быстрое охлаждение в воде или в масле. Полученные при быстром охлаждении структуры являются нестабильными, они представляют собой различные стадии превращений аустенита.

При очень быстром охлаждении аустенит не успевает изменить свою фазу при температурах ниже 727 °С, а в диапазоне температур 300…350 °С и ниже с ним происходят так называемые аустенитные превращения, и образуется мелкоигольчатый мартенсит.

 Нагревать деталь надо постепенно и равномерно, чтобы не было внутренних напряжений, трещин и разрушений. Однако медленный нагрев — это снижение производительности, обезуглероживание и окисление поверхности.

Чем больше углерода и легирующих элементов в стали и чем сложнее форма  детали, тем медленнее надо ее нагревать.

Предохранение от окисления металла проводится путем использования защитной газовой среды (CO2, N,...) или вакуумных печей.

Охлаждение должно иметь большую скорость в пределах 650… 500 °С (чтобы не было распада аустенита на смесь феррита и цементита) и более медленное при 300… 200 °С, т.к. в этой области при образовании мартенсита возникают большие внутренние напряжения.

Вода достаточно хорошо охлаждает деталь в интервале 650… 550 °С, но и слишком быстро в интервале 300 …200 °С, поэтому для закалки высокоуглеродистых и легированных сталей применяют минеральные масла.

Изделия сложной формы закаливают в двух различных жидких средах или прерывистой закалкой (перенос в другую охлаждающую среду).

Закалка с самоотпуском. «Главными» инструментами в строительстве пока остаются лом, зубило, кувалда и молоток, которые должны иметь высокую твердость на поверхности и сравнительно вязкую сердцевину. Охлаждение их при закалке ведут не до конца, поэтому за счет тепла внутренних слоёв детали происходит последующий отпуск (самоотпуск) металла.

Поверхностная закалка. Нагрев поверхности металла проводится токами высокой частоты (т.в.ч.), газовыми горелками и плазмой. При поверхностной закалке уменьшается коробление детали и практически не образуется окалина. В итоге образуется вязкая середина и твердая поверхность. Причем твердость поверхности будет выше, чем при обычной закалке.

При химико - термической обработке (ХТО) сталей изменяется химический состав, структура и свойства поверхностного слоя. В результате ХТО упрочняется поверхностный слой (повышаются твердость, прочность и износостойкость).

Виды ХТО: цементация (насыщение поверхности углеродом), азотирование (насыщение азотом), цианирование (насыщение азотом и углеродом), металлизация, хромирование, борирование и др.

При цементации науглероживают поверхность на глубину 0,5.. 2 мм, повышая содержания углерода до 0,75… 1,2 %. Цементация проводится в твердых (древесный уголь), газовых (природный газ и смеси газов) и жидких средах.

Азотирование — это насыщение стали или чугуна азотом. Чаще всего оно проводится в атмосфере аммиака NH₃. Процесс азотирования очень длителен, так насыщение азотом на глубину всего 0,5 мм надо проводить не менее 60 часов.

Эффективно цианирование (твердое, газообразное и жидкое) мелких и средних деталей (шестерни, поршни, кольца, валики и др.).