Термическая обработка углеродистой и легированной стали

Доронин В.М.

ГНТИ по чер. и цв. металлургии, 1955 г.

ОКАЛИНОСТОЙКИЕ И ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ

Окалиностойкой называется сталь, обладающая стойкостью против воздействия газовой среды при высоких температурах.

Жаропрочной называют сталь, сохраняющую достаточную прочность, а также окалиностойкость при высоких температурах в условиях газовой среды.

Кроме того, изделия из окалиностойкой и жаропрочной стали не должны испытывать фазовых превращений при многократной смене нормальной и рабочей температуры/так как с этими превращениями связано резкое падение прочности стали, а внезапные изменения объема способствуют разрушению образовавшегося защитного слоя.

Согласно этим требованиям окалиностойкие и жаропрочные стали должны или иметь критические точки выше рабочей температуры (сильхромы: Х9С2; Х10С2М), или же совершенно не иметь структурных превращений при температурах выше 600° (аустенитные и ферритные стали).

Элементы, применяемые для легирования окалиностойких и жаропрочных сталей, с точки зрения сродства к кислороду, делятся на две группы. К первой относят элементы, окисляющиеся легче железа: кремний, хром, алюминий, вольфрам, ванадий, марганец, титан, цирконий и др. Ко второй группе относят элементы, окисляющиеся труднее железа, никель, кобальт, медь, молибден и др.

В сталях, легированных элементами второй группы в обычных количествах, т. е. при преимущественном содержании железа, при воздействии окислительной атмосферы, окислению в первую очередь подвергается железо, составляющее большую часть сплава. Следовательно, газовая коррозия стального изделия в этом случае не предотвращается, а лишь несколько замедляется стойкими против окисления элементами, входящими в твердый раствор.

В сталях, легированных элементами первой группы, в условиях окислительной атмосферы, происходит быстрое окисление этих элементов и образуется слой окалины, защищающий внутренние области металла от окисления. Здесь действие окалины аналогично действию защитной пленки на нержавеющей стали.

Поэтому слой окалины должен быть плотным, газонепроницаемым. Окалина должна прочно держаться на поверхности металла и сама обладать свойствами жароупорного материала.

Этим требованиям лучше всего отвечают окислы хрома, кремния и алюминия. Как показал в своих работах П. Д. Данков [152], для Fe, Cr, А1 и их сплавов тип структуры оксидов одинаков: они все образуют оксиды со структурой типа шпинели, причем постоянные решеток этих оксидов мало отличаются друг от друга

Из элементов первой группы плотный защитный слой окалины на стали дают хром, алюминий и кремний. Эти элементы служат легирующими присадками в окалиностойких сталях.

Основной присадкой является хром. Выше мы уже видели, что чисто хромистые стали Х27, Х28 хорошо сопротивляются окалинообразованию. Кремний и алюминий применяются лишь одновременно с хромом (сильхромовые и хромоалюминиевые сплавы).

Чисто хромистые стали с высоким содержанием хрома (25— 28%) имеют ряд существенных недостатков, исключающих возможность применения их для деталей, подвергающихся в работе толчкам и ударам. При содержании углерода менее 0,3% они относятся к ферритным сталям и имеют низкую температуру рекристаллизации. В процессе работы при температурах выше 700° зерно в этих сталях сильно укрупняется и они приобретают высокую хрупкость. Так как при нагреве и охлаждении ферритных сталей фазовые превращения в них не происходят, то измельчить зерно термической обработкой невозможно. Присадка углерода в количестве, обеспечивающем полное превращение в γ-фазу при нагреве, устраняет указанный выше недостаток, но сообщает новый. Стали с высоким содержанием хрома и углерода при охлаждении на воздухе из γ-области самозакаливаются на мартенситную структуру. Напряжения, возникающие при переменных нагревах и охлаждениях в процессе работы, вызывают растрескивание изделий из такой стали.

Поэтому изделия, которые наряду с окалиностойкостью должны обладать жаропрочностью и достаточной пластичностью , изготовляют из более сложных сталей, легируемых такими элементами как молибден, вольфрам, ванадий и хром.

В качестве клапанных сталей широкое применение находят заэвтектоадные хромокремнистые (сильхромовые) стали, выпускаемые под марками Х9С2 и Х10С2М.

Критический интервал Ас1  у сильхромовых сталей совместным воздействием хрома и кремния сильно расширен и смещен в область высоких температур.

Устойчивость переохлажденного аустенита стали Х9С2 сильно зависит от исходной температуры нагрева.

При охлаждении от 1150—1180° на воздухе превращение Ас1