Коррозионно-стойкие и жаростойкие стали и сплавы

Коррозия – это разрушение металла под действием окружающей среды. При коррозии металлы покрываются ржавчиной. Коррозия ухудшает механические свойства металла.

Различают химическую и электрохимическую коррозию. Химическая коррозия происходит при воздействии на металл газов и неэлектролитов (нефть и ее производные). Электрохимическая коррозия протекает под действием электролитов (кислот, щелочей, солей). К электрохимической коррозии относят почвенную и атмосферную коррозию.

Стали, устойчивые к газовой коррозии при температурах выше 550 °С, называют окалиностойкими или жаростойкими. Стали, устойчивые к электрохимической коррозии, называют коррозионно-стойкими или нержавеющими.

Чтобы повысить жаростойкость стали, в нее добавляют хром, алюминий или кремний. Эти элементы образуют на поверхности защитные плотные пленки оксидов (Cr, Fe)₂O₃, (Al, Fe)₂O₃, которые затрудняют диффузию кислорода.

Повышение окалиностойкости до700…750 °С можно достичь введением в сталь 5…8 % Cr. При содержании хрома в стали до 15…17 % жаростойкость стали возрастает до 950…1000 °С, а при содержании хрома»25 % жаростойкость увеличивается до1100 °С.

Если в качестве легирующих элементов в сталь добавить 25 % Cr и 5 % Al, то жаростойкость возрастает до 1300 °С.

Жаростойкость зависит от состава стали. Структура стали не влияет на жаростойкость. Поэтому жаростойкость ферритных и аустенитных сталей с одинаковым количеством хрома будет одна и та же.

В высокотемпературных установках, таких как котельные агрегаты, печи и газовые турбины, применяют аустенитные стали (36Х18Н25С2, 20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР и др.) и ферритные (15Х25Т, 12Х17 и др.) [2].

 

Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочными называют такие стали и сплавы, которые могут определенное время работать под нагрузкой при высоких температурах и при этом обладать жаростойкостью.

В теплоэнергетике жаропрочные стали используют для изготовления деталей газовых и паровых турбин, элементов котельных агрегатов и т.п.

С повышением температуры стали уменьшаются предел текучести, временное сопротивление, модуль упругости и возникает ползучесть.

Ползучесть – медленное нарастание при высоких температурах пластической деформации при постоянно действующих напряжениях, меньших предела текучести. Ползучесть приводит к разрушению металла.

Сопротивление металла ползучести и разрушению при высоких температурах и длительном воздействии нагрузки называют жаропрочностью. Жаропрочность оценивается условным пределом ползучести и пределом длительной прочности.

Рабочие температуры жаропрочных сплавов находятся в пределах (0,45…0,8) Т_пл, где Т_пл – температура плавления, К.

При высоких температурах деформация и разрушение обычно происходят по границам зерен, так как на границах зерен больше дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций и т.д.).

Жаропрочность стали во многом зависит от величины межатомных связей и структуры. Чем выше температура плавления металла, тем сильнее межатомные связи и выше жаропрочность.

Жаропрочность повышают легированием. В результате увеличивается энергия связи между атомами и процессы диффузии задерживаются, а температура рекристаллизации повышается.

Жаропрочные сплавы, работающие при температурах до 700…900 °С, изготавливают на основе железа, никеля и кобальта, а сплавы, работающие при температуре 1200…1500 °С, – на основе молибдена и ряда других тугоплавких металлов.

В котлостроении широко используют перлитные стали. Они предназначены для длительной эксплуатации при температурах 450…580 °С. Перлитные жаропрочные стали являются низкоуглеродистыми. Они содержат от 0,08 до 0,15 % С, иногда до 0,2…0,3 %. Содержание легирующих элементов, основными из которых являются хром, молибден и ванадий, не превышает 2…3 % (12Х1МФ, 25Х2М1Ф).

Стали, содержащие 0,12… 0,15 % С, используют для изготовления труб пароперегревателей, паропроводов и других элементов паросиловых установок, температура эксплуатации которых не превышает 570…580 °С. Перлитные стали с содержанием углерода 0,25…0,30 % по жаропрочности уступают перлитным сталям с содержанием углерода 0,12…0,15 % и их эксплуатируют при температурах 525…565 °С. Из них изготавливают роторы паровых турбин. Перлитные стали находят широкое применение благодаря невысокой стоимости, технологичности и удовлетворительной жаропрочности.

Для изделий, работающих при температурах 450…600 °С, применяют мартенситные стали. От перлитных сталей они отличаются повышенной стойкостью к окислению в атмосфере пара или продуктов сгорания топлива. Мартенситные стали содержат 0,35…0,45 % С, 9…10 % Cr, 2…3 % Si (40Х10С2М, 11Х11Н2В2МФ).

Для изготовления дисков, лопаток и других элементов газовых турбин используют стали мартенситно-ферритного класса, которые могут работать при температурах 600…650 °С. Это высоколегированные стали, которые содержат 11…12 % хрома и небольшое количество молибдена, вольфрама, ванадия (11Х11МФ, 11Х12ВНМФ, 15Х11МФ, 18Х11МФБ).

Для изготовления различных деталей газовых турбин, работающих в интервале температур 600…700 °С, а при умеренных напряжениях – до 800…850 °С, применяют аустенитные стали. Эти стали по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали. Основные легирующие элементы в этих сталях – хром и никель. Иногда никель заменяют другими аустенитообразующими элементами – марганцем или азотом. Содержание углерода в этих сталях 0,1…0,4 % (10Х11Н20Т3Р, 12Х18Н10Т, 40Х15Н7Г7Ф2МС).

Детали паровых и газовых турбин, работающих при температурах 500…750 °С, изготавливают из жаропрочных сплавов на железоникелевой основе. Структура этих сплавов – твердый раствор хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе (ХН35ВТЮ) [4].

Для изготовления рабочих лопаток, турбинных дисков и других деталей теплоэнергетического оборудования, работающих при температуре до 850 °С, применяют жаропрочные стали на основе никеля. Их называют нимониками. Для повышения окалиностойкости никель легируют хромом в количестве (»20 %), а для увеличения жаропрочности – титаном (1,0…2,8 %) и алюминием (0,55…5,5 %). К числу таких сплавов относятся: ХН77ТЮР, ХН70ВТЮ, ХН65ВМТЮ.

 

 

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ

 

Термическая обработка заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующего охлаждения до комнатной температуры или ниже с определенной скоростью или по определенному режиму. Цель термической обработки состоит в изменении структуры стали для получения требуемых эксплуатационных свойств.

Термическая обработка является наиболее рациональным способом изменения свойств металла. Путем термической обработки можно повысить предел прочности в 2…3 раза, а в некоторых случаях получить такие свойства, которыми сталь в «сыром» виде не обладает. Основными видами термической обработки сталей являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

 

Отжиг стали

Отжигом называют вид термической обработки, при которой неравновесная структура стали, возникшая в результате литья, ковки, прокатки, сварки и т.п., превращается в структуру близкую к равновесной. Отжиг вызывает разупрочнение металла и сплавов. Он сопровождается повышением пластичности и вязкости и снятием остаточных напряжений. Температура нагрева при отжиге зависит от состава стали и вида отжига. Скорость охлаждения не велика и составляет 30…200 °С/ч.

Различают два вида отжига: отжиг I рода и отжиг II рода. Отжиг I рода, в зависимости от температуры, может включать процессы гомогенизации, рекристаллизации, снятия напряжений. При отжиге I рода не происходит фазовых превращений. Поэтому этот отжиг можно проводить при температурах ниже температуры фазовых превращений.

Отжигом II рода называют нагрев стали до температур, превышающих температуры фазовых превращений, выдержку при этих температурах и медленное охлаждение. В процессе этого отжига происходят фазовые превращения, определяющие структуру и свойства стали.

После отжига II рода в углеродистой стали образуются структуры согласно диаграмме железо–цементит. В доэвтектоидных сталях – феррит+перлит, в эвтектоидных – перлит, в заэвтектоидных – перлит+вторичный цементит. После отжига сталь становится пластичной и имеет низкую твердость и прочность. Происходит перекристаллизация стали и измельчается зерно. Отжигу подвергают поковки, отливки, прокат, горячекатаные листы, трубы и т.д.

 

Нормализация стали

Нормализация является частным видом отжига II рода. При нормализации сталь нагревают на 50…70 °С выше точки А_С3, выдерживают при этой температуре для прогрева садки и завершения фазовых превращений, а затем охлаждают на воздухе.

Нормализация более экономична по сравнению с отжигом, так как на процесс охлаждения затрачивается меньше времени. При нормализации также происходит полная перекристаллизация структуры. Нормализацию часто используют для улучшения свойств стали вместо более сложных операций закалки и отпуска.

После нормализации углеродистых и низколегированных сталей, как и после отжига, образуется феррито-перлитная структура. Нормализация устраняет крупнозернистость, полученную в предшествующей обработке, например, литья, волочения, прокатки.

Легированные конструкционные стали после нормализации приобретают высокую твердость, затрудняющую последующую обработку резанием. Поэтому после нормализации проводят отпуск при температуре 600…650 °С.

Нормализация горячекатаной стали повышает ее сопротивление хрупкому разрушению. Повышается работа развития трещины и снижается порог хладноломкости [2].

 

Закалка стали

Цель закалки – повышение твердости и прочности стали. Она заключается в нагреве до температуры выше критических точек, выдержке при этой температуре и быстрого охлаждения. Таким охлаждением предотвращают превращение аустенита в перлит. Закаленная сталь чаще всего имеет неравновесную структуру мартенсита. Мартенсит – пересыщенный раствор углерода в a -железе. Он обладает большой твердостью. Так как при быстром охлаждении увеличивается хрупкость стали и возникают внутренние напряжения, то после закалки сталь подвергают отпуску [4].

Доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры на 30…50 °С выше точки А_С3. Исходная структура стали перлит+феррит. При нагреве образуется аустенит. В результате быстрого охлаждения он превращается в мартенсит.

В заэвтектоидной стали содержится цементит, который по твердости превышает мартенсит. Поэтому эту сталь достаточно нагреть на 30…50 °С выше точки А_С1. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов.

Нагревать изделия из стали, особенно хрупкие, необходимо постепенно, чтобы избежать местных напряжений и трещин. Время выдержки нагретой детали должно быть достаточным для полного перехода перлита в аустенит. Продолжительность выдержки обычно составляет четверть продолжительности нагрева. Длительные выдержки нежелательны, так как приводят к росту зерна и обезуглероживанию поверхностных слоев металла.

Для предохранения изделий от окисления и обезуглероживания в рабочее пространство нагревательной печи вводят защитную газовую среду. Это может быть эндотермическая атмосфера, получающаяся при частичном сжигании природного газа, а так же атмосферы азота, аргона, гелия и водорода.

Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита. Кроме того, не должно быть таких закалочных дефектов как деформации, коробления, трещины.

Скорость охлаждения, обеспечивающая мартенситную структуру, называется критической скоростью закалки.

Для закалки используют различные кипящие жидкости: воду, масла, водные растворы щелочей и солей.

Важными технологическими свойствами сталей являются закаливаемость и прокаливаемость.

Закаливаемость – способность стали повышать твердость стали в результате закалки. В первую очередь закаливаемость определяется содержанием углерода в стали. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы на закаливаемость влияют слабо.

Прокаливаемость характеризуется толщиной слоя с мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью. Прокаливаемость зависит от критической скорости охлаждения стали. При закалке любых деталей невозможно добиться одинаковой скорости охлаждения поверхности и сердцевины детали. Если скорость охлаждения сердцевины при закалке будет меньше критической скорости охлаждения, то деталь не закалится насквозь, то есть там не образуется мартенсит. Легированные стали прокаливаются на бóльшую глубину, чем углеродистые [2].

 

Отпуск стали

Отпуск стали является заключительной технологической операцией, определяющей ее конечные свойства. Отпуск смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость и пластичность, уменьшает твердость и прочность стали. Отпуск производят путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит, до температуры ниже критической А_С1, а затем медленно охлаждают. В зависимости от температуры нагрева могут быть получены структуры отпущенного мартенсита, троостита отпуска или сорбита отпуска. Троостит и сорбит могут получаться как в результате распада мартенсита, так и при более медленном охлаждении аустенита. Троостит и сорбит, полученные при распаде аустенита, представляют собой ферритно-цементитные неравновесные пластинчатые структуры. В сорбите усредненная толщина двух смежных пластинок феррита и цементита составляет 0,25…0,30 мкм, а в троостите 0,1…0,15 мкм. В сорбите и троостите отпуска цементит имеет зернистую форму.

В зависимости от температуры различают низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий) отпуск. При низкотемпературном отпуске сталь нагревают до 150…200 °С. В результате снижаются внутренние напряжения, а твердость практически не меняется. Структура стали при этом – отпущенный мартенсит. Низкий отпуск используют для инструментов и изделий, подвергающихся поверхностной закалке, цементации и нитроцементации. Продолжительность отпуска составляет от 1 до 2,5 часов.

Среднетемпературный отпуск проводят при 350…500 °С. Его применяют для пружин, рессор и ряда других изделий. Структура стали после отпуска – троостит отпуска.

Высокотемпературный отпуск проводят при 550…650 °С. Его применяют для нагруженных деталей. Структура стали после этого отпуска – сорбит отпуска. Высокий отпуск дает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Закалку стали с последующим высоким отпуском называют улучшением [2].