Новые стали и сплавы в машиностроении

Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. (ред.)
Машиностроение, 1976 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Новые стали и сплавы в машиностроении
ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ
 
ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ В  МАШИНОСТРОЕНИИ
Теплоэнергетика, стационарное, транспортное и авиационное турбостроение, ракетная техника, химическое и нефтехимическое аппаратостроение, промышленная теплотехника — далеко не пол­ный перечень отраслей промышленности, использующих жаро­прочные стали и сплавы.
Следует отметить, что в сравнении с низколегированными ста­лями конструктивная прочность жаропрочных сталей и сплавов определяется более широким комплексом свойств. К ним отно­сятся кратковременные прочностные свойства, сопротивление пол­зучести н релаксации, длительная прочность, кратковременная и длительная пластичность, циклическая прочность (выносливость).
Помимо перечисленных характеристик, работоспособность жа­ропрочного сплава зависит от стабильности его структуры и ме­ханических свойств при изотермическом нагреве и в условиях термоциклирования (термостойкость), а также от коррозионной стойкости в газообразной среде при высоких температурах (жаро­стойкость, окалиностойкость).
Сплав должен быть технологичен, т. е. давать возможность массового производства изделий тем или иным методом (деформи­рованием, отливкой, сваркой и т. д.). К сожалению, многие раз­работанные материалы, обладающие исключительно высокими ха­рактеристиками жаропрочности, недостаточно технологичны.
Многообразие предъявляемых требований вызывает и большое разнообразие жаропрочных материалов.
 
При сравнительно невысоких рабочих температурах 100— 400° С  в качестве жаропрочных могут применяться конструк­ционные стали — углеродистые (до 350° С) и низколегированные, а также сплавы на основе меди, алюминия и титана. При темпе­ратурах выше 400 С применяют низколегированные стали пер­литного класса, жаропрочные до 550—580° С и коррозионностойкие стали мартенситного класса, жаропрочные до 600—620° С. Высоколегированные стали аустенитного класса находят приме­нение в интервале температур 550—700° С, аустенитные сплавы па Fe—Ni—Сr основе (содержащие менее 50% Fe) — до 750° С Для рабочих температур 700—1000° С используют сложнолегированные сплавы на основах: Ni—Сr; Со—Сr; Ni—Сr—Со, а для еще более высоких температур (до 1400° С) — тугоплавкие металлы и их сплавы, металлокерамические и композитные материалы.
Мартенситные стали. Из сталей мартенситного класса в ка­честве жаропрочных нашли практическое применение стали с 11 — 13% (в среднем 12%) хрома, для повышения жаропрочных свойств стали дополнительно легируют молибденом, вольфрамом, вана­дием и ниобием. Модифицированные хромистые стали в основном рассчитаны на применение в температурном интервале 560— 620° С, в котором жаропрочность и жаростойкость низколегиро­ванных сталей перлитного класса становится уже недостаточной, а использование аустенитных сталей экономически нецелесо­образно.
 
Модифицированные 12%-ные хромистые стали имеют при обыч­ном для них содержании углерода (0,10—0,20%) двухфазную феррито-аустенитную структуру, в которой содержание феррита составляет 15—25% (реже 30—35%). Количество последнего за­висит от дополнительного легирования и в меньшей степени — от термической обработки. Выделению избыточного феррита спо­собствуют сильные карбидообразующие элементы: ниобии, титан, ванадий. Закалка с весьма высокой температуры (1150—1200° С) вызывает, как правило, образование максимального количества феррит ной составляющей. Наличие избыточного феррита в мартенситной стали приводит к структурной нестабильности и, сле­довательно, ухудшает ее работоспособность [131.
 
Химический состав типичных жаропрочных сталей с 12% Сr приведен в табл. 39. Из них оптимальной жаропрочностью и в особенности релаксационной стойкостью обладает сталь 18Х12ВМБФР (ЭН-993) в результате введения ниобия и микролегирования бором.
Жаропрочные хромистые стали производят в виде сортового проката, поковок и отливок. Из сортового металла изготовляют главным образом лопатки и крепежные детали для паровых тур­бин (13]. Крупные поковки используют при производстве турбин­ных дисков и роторов [271, мелкие — для различной арматуры. Путем отливки из 12%-ных хромистых сталей изготовляют ци­линдры турбин . Жаропрочные стали мартенситного класса также начинают применяться в котлостроенин для паропроводных труб.
Фсрритные стали. Наряду с широко применяемыми жаростой­кими сталями с 18—32% Сг разрабатываются принципиально но­вые фсрритные жаропрочные стали, упрочненные частицами ин­терметалл идныχ фаз типа АВ, (фазы Лавеса). Известно, что эти фазы, например, Fc,Wи Fe, (W, Mo) обладают большой терми­ческой устойчивостью в течение длительного времени и высокой жаропрочностью при температурах до 700° С. В качестве примера можно привести сталь состава: 0,08—0,12% С, 2,5% Сг, 8% W, 0,75% Nb, 0.20% V [291.
Длительная прочность этой стали приближается к прочности аустенитных хромойнкелевых сталей, составляя при температурах 650, 675° С и сроке службы 100000 ч 12 и 10 кгс/мм2 соответ­ственно. Предел ползучести при тех же температурах равен 8 и 6 кгс/мм2.
Эксплуатационное опробование пароперегревательных труб, изготовленных нз новой стали, в течение двух лет дало удовле­творительные результаты.
 
Аустенитные стали. Из всех жаропрочных сталей наибольшее распространен не получили аустенитные хромоникелевые стали. На концентрационном треугольнике системы Fe—СrNi(рис. 66) отмечены области промышленного применении с млей и сплавов, относящихся к данной системе.
Число марок жаропрочных аустенитных сталей в СССР и в зарубежных странах весьма велико — отчасти потому, что марки различных стран полностью или с самыми незначительными откло­нениями дублируют друг друга. За последнее десятилетие состав практически применяемых аустенитных сталей стабилизировался.
Следует отметить, что зарубежные аустенитные стали допол­нительно легированы молибденом и лишь отдельные из них содер­жат вольфрам: отечественные же марки преимущественно легиро­ваны вольфрамом. При этом аустенитные стали, легированные вольфрамом, часто превосходят по жаропрочности аналогичные композиции с молибденом.
Аустенитные стали удобно различать по виду упрочнения, обес­печивающего после соответствующей термической обработки раз­личный уровень механических свойств: Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением отли­чаются более высокой структурной стабильностью и жаропроч­ностью, чем с карбидным упрочнением. Разработаны также аустенитные стали со смешанным (карбидно-интерметаллидным) упроч­нением.
Соединение Ni,Ti— основная упрочняюшая фаза в аустенитных сталях с интерметаллидным и смешанным упрочнением. Фаза Ni,Tiс гранецентрированной кубической решеткой при температуре 750° С и выше способна переходить в фазу того же со­става с гексагональной решеткой
Для образования интерметаллида Ni,Tiаустенитные стали ле­гируют титаном в количестве 1,5—3,0% при минимальном содер­жании углерода (не более 0,08%). В табл. 40 приведены аустенит­ные стали с интерметаллидным упрочнением.
 
Один из путей дальнейшего повышения жаропрочности аусте­нитной стали — это микролегирование бором и редкоземельными элементами (чаще всего церием).
Как показал опыт применения отечественных марок сталей (например, 09X14Н19В2БР) микродобавки бора приводят к по­вышению сопротивления ползучести, а также релаксации напря­жении при температурах до 700° С.
В отдельных случаях бор вводится в аустенитную сталь в зна­чительных количествах, превышающих расчетные добавки, обычно применяемые при микролегировании. В аустенитной структуре такой стали образуются изолированные боридные фазы. Хими­ческий состав ряда борсодержащих хромоникелевых сталей при­веден в табл. 41. Содержание в них бора составляет 0,2—0,7%.
Борсодержащне  аустенитные стали отличаются повышенной стойкостью против локального разрушения в сварных швах и околошовной зоне, вследствие чего они рекомендуются для свар­ных конструкций.