Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

Высокомарганцовистая износостойкая сталь Г13Л

Автоматные стали.

Автоматные стали отличаются от обыкновенных углеродистых конструкционных сталей повышенным содержанием серы и фосфора.

Химический состав (%) некоторых автоматных сталей

(ГОСТ 1414-54)

Марка стали	Элементы
C	Mn	Si	S	P
А12	0,08-0,16	0,60-0,90	0,15-0,35	0,08-0,20	0,08-0,15
А20	0,15-0,25	0,60-0,90	0,15-0,35	0,08-0,15	≤0,06
А30	0,25-0,35	0,70-1,00	0,15-0,35	0,08-0,15	≤0,06
А40Г	0,35-0,45	1,20-1,55	0,15-0,35	0,18-0,30	≤0,06

Характерной особенностью автоматных сталей является хорошая обрабатываемость резанием на металлорежущих станках. Это объясняется повышенным содержанием серы, которая образует большое количество включений сернистого марганца МnS, нарушающих сплошность металла, а также тем, что фосфор, растворяясь в феррите, сильно снижает его вязкость. При механической обработке автоматных сталей образуется короткая, ломкая стружка,

что особенно важно при работе на быстроходных станках-автоматах. Поверхность обработанных деталей получается чистой и ровной. Стойкость режещего инструмента при обработке автоматных сталей повышается, а скорость резания допускается больше, чем при обработке обыкновенных углеродистых сталей.

Недостаток автоматных сталей - пониженная пластичность, особенно в поперечном направлении. Это связано с тем, что большое количество сернистых включений образует полосчатую структуру. Поэтому автоматные стали применяют для изготовления малоответственных деталей, от которых не требуется высоких механических свойств (крепежные детали, пальцы, втулки и т.п.).

Обрабатываемость улучшают также присадкой к стали небольшого количества свинца.

Эта сталь, содержащая 1-1,4% С и 11–14 % Мn и относящаяся к аустенитному классу, имеет высокое сопротивление износу. Характерным для нее является то, что высокая износостойкость сочетается с высокой прочностью и низкой твердостью [σ~1000 МН /м²(100 кгс/мм²), НВ~210] в противоположность закаленным инструментальным сталям, в которых сопротивление износу обусловлено высокой твердостью. Высокая износостойкость стали Г13Л объясняется упрочнением (наклепом) аустенита при пластической деформации в процессе работы, в результате которого он в поверхностном слое превращается в мартенсит. По мере износа этого слоя, мартенсит образуется в следующем слое и т.д. При повышенных давлений, например при абразивном износе, эта сталь не имеет достаточно высокой износостойкости. Сталь Г13Л применяют для трамвайных стрелок, щек камнедробилок, козырьков ковшей, черпаков и т.п.

 

К жаростойким (окалиностойким) относят стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550ºС и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

При высокой температуре в условиях эксплуатации в среде нагретого воздуха, в продуктах сгорания топлива происходит окисление стали (газовая коррозия). На поверхности стали образуется сначала тонкая пленка окислов, которая с течением времени увеличивается и образуется окалина.

Способность стали сопротивляться окислению при высокой температуре называется жаростойкостью (окалиностойкость).

Жаростойкость принято характеризовать температурой начала интенсивного окалинообразования в воздушной среде.

На интенсивность окисления влияет состав и строение окисной пленки. Если она пористая, окисление происходит интенсивно. Если плотная–окисление замедляется или даже совершенно прекращается.

Для получения плотной (защитной) окисной пленки сталь легируют хромом, также кремнием или алюминием. Степень жаростойкости зависит от количества находящегося в стали легирующего элемента. Так, например, сталь 15х5 с содержанием 4,5-6,0% хрома жаростойка до температуры 700ºС, сталь 12х17 (17% Сr )—до 900ºС, сталь 15х28 (28% Сr)–до 1100-1150ºС (стали 12х17 и 15х28 являются также и нержавеющими). Еще более высокой жаростойкостью (1200ºС) обладают сплавы на никелевой основе с хромом и алюминием, например, сплав ХН7ОЮ (26-29 % хроиа;2,8-3,5% алюминия).

Структура стали на жаростойкость не влияет.

К жаропрочным относят стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

В отличие от прочности при нормальной (комнатной) температуре, прочность при высоких температурах, т.е. сопротивлении механическим нагрузкам при высоких температурах, называют жаропрочностью.

Характерным является не только уменьшение прочности стали при высоких температурах, но и влияние на прочность стали при высоких температурах длительности действия приложенной нагрузки. В последнем случае под действием постоянной нагрузки сталь «ползет», поэтому данное явление названо ползучестью. Итак, ползучесть–это деформация, непрерывно увеличивающаяся и завершающаяся разрушением под действием постоянной нагрузки при длительном воздействии температуры. Для углеродистых и легированних конструкционных сталей ползучесть наблюдается при температурах выше 350ºС.

Ползучесть характеризуется пределом ползучести. Предел ползучести–это напряжение, вызывающее деформацию заданной величины (обачно от 0,1 до 1%) за определенный промежуток времени (100, 300, 500, 1000ч.) при заданной температуре.

Предел ползучести обозначает σ с тремя числовими индексами: двумя нижними и одним верхним. Первый нижний индекс означает заданное удлинение в процентах ,второй нижний индекс–заданное время испытания в часах, верхний індекс—температуру в Сº. Например σ₀/⁶⁰⁰₃₀₀—предел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 300 ч испытания при температуре 600º С.

Кроме того, жаропрочность характеризуют пределом длительной прочности σ- напряжением , вызывающим разрушение при данной температуре за данный интервал времени. Например, σ⁷⁰⁰₁₀₀ –предел длительной прочности при сточасовом нагружении при 700ºС.

Факторами, способствующими жаропрочности, являются: высокая температура плавления основного металла; наличие в сплаве твердого раствора и мелкодисперсных частиц упрочняющей фазы; пластическая деформация, вызывающая наклеп; высокая температура рекристаллизации; рациональное легирование; термическая и термомеханическая обработка; введение в жаропрочные стали таких элементов, как бор, церий, ниобий, цирконий, в десятых, сотых и даже тысячных долях процента.

Жаропрочные стали и сплавы классифицируют по основному признаку – температуре эксплуатации. В таблице приведен химический состав некоторых жаропрочные сталей и сплавов

Для работы при температурах до 350-400ºС применяют обычные конструкционные стали (углеродистые и малолегированные )

Для работы при температуре 400-550ºС применяют стали перлитного класса 15ХМ1МФ. Для этих сталей основной характеристикой является предел ползучести, так они предназначены главным образом для изготовления деталей котлов и турбин (например, трубы паропроводов и пароперегревателей), нагруженных сравнительно мало, но работающих длительное время (до 100000ч).

Детали из сталей перлитного класса подвергают нормализации с температуры 950-1050ºС и от пуску при 650-750ºС с получением структуры сорбита с пластической формой карбидов.

Эти стали содержат мало хрома и потому обладают невысокой жаростойкостью (до 550-600ºС).

Для работы при температуре 500-600ºС применяют стали мартенситного класса: высокохромистые, например 15Х11МФ для лопаток паровых турбин: хромокремнистые (называемые сильхромами), например 40Х9С2 для клапанов моторов: сложнолегированные, например 20Х12ВНМФ для дисков, роторов, валов.

Для получения оптимальной жаропрочности детали из этих сталей подвергают закалке в масле с температуры 100-150ºС и от пуску при 700-800ºС (в зависимости от стали). Сталь 40Х9С2 после закалки имеет структуру мартенсита и твердость НRС~60, а после отпуска–структуру сорбита, твердость НRC~30. Жаростойкость сталей мартенситного класса до температуры 750-850ºС.

Для работы при температуре 600-750^оС применяют стали аустенитного класса, разделяемые на неупрочняемые (нестареющие) и упрочняемые (стареющие). Нестареющие стали—это, например, сталь 09Х14Н16Б, предназначаемоя для труб пароперегревателей и трубопроводов установок сверхвысокого давления и применяемая посте закалки с 1100-1150^оС (охлаждение в воде или на воздухе).

Стареющие стали—это сложнолегированные стали, например 45Х4Н14В2М, применяемая для клапанов моторов, деталей трубопроводов, сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС—для лопаток газовых турбин.

Химический состав (%) некоторых