Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГОГО ТРАНСПОРТА

государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКАЯ ОТКРЫТАЯ АКАДЕМИЯ ТРАНСПОРТА

Курсовая работа

По дисциплине "Материаловедение и технология конструкционных материалов"

На тему "Жаростойкие материалы в транспортостроении"

Москва - 2015 г

Реферат

с.22, табл. 7.

Жаростойкий сплав, легирующий элемент, жаростойкое покрытие, газовая коррозия, защитное покрытие, жаростойкость.

Приведены основные методы легирования сталей и сплавов для повышения их жаростойкости.

Даны характеристики различных жаростойких материалов.

Проанализированы различные стандартные методы определения жаростойкости сталей и сплавов.

Описаны различные жаростойкие покрытия, применяемые для сталей и сплавов.

Задание: жаростойкие сплавы в транспортостроении

Содержание

1. Основные понятия

2. Основные виды жаростойкого легирования

3. Методы определения жаростойкости материалов

4. Повышение жаростойкостии легких сплавов

5. Жаростойкие стали и сплавы

6. Жаростойкие чугуны

7. Жаростойкие покрытия

Заключение

Литература

1. Основные понятия

Разрушение поверхностных слоев металлов и сплавов при высоких температурах в коррозионно-активных средах создает большие трудности при эксплуатации машин и аппаратов в транспортостроении, детали которых работают в активных газовых средах при высоких температурах. это двигатели локомотивов, паровые котлы, турбины, элементы теплообменников и т.д. Велики потери металла от газовой коррозии при различных технологических операциях (ковке, штамповке), в металлургии и металлообработке (например, при термической обработке) при изготовлении деталей применяемых в транспортостроении.

Способность материалов (сталей и сплавов) сопротивляться газовой коррозии в процессе обработки и эксплуатации при высоких температурах называют жаростойкостью. Таким образом материалы обладающие стойкостью к химическому разрушению поверхности в газовых средах при температуре выше 550С и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии называют жаростойкими материалами [1], [2].

Жаростойкость принято характеризовать температурой начала интенсивного окалинообразования в воздушной среде, когда на поверхности жаростойкого материала образуется сначала тонкая пленка окислов, которая с течением времени увеличивается, и затем окалина.

2. Основные виды жаростойкого легирования

Наиболее распространенным видом газовой коррозии является процесс взаимодействия металлов с кислородом, хотя известны и другие виды газовой коррозии (сернистая, водородная и др.). Химическая коррозия, имеющая место в этом случае, развивается в кислородосодержащих газах: на воздухе, в углекислом газе, водяном паре, чистом кислороде и др. Движущей силой газовой коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов в газовых средах при данных внешних условиях: давлении, температуре, составе среды. При этом на поверхности металла чаще всего образуется оксидная пленка. От структуры, состава и свойств этой пленки зависит скорость газовой коррозии. Защитные свойства оксидных пленок в значительной степени определяются их сплошностью, которая зависит от отношения удельных объемов оксида и металла. Хорошо защищают металл от дальнейшего окисления только плотные пленки, для которых указанное соотношение составляет 1,0…2,5 [3].

При разработке жаростойких сплавов основным необходимым требованием ко всем легирующим элементам является большее химическое сродство их к кислороду, чем основы. Согласно существующим теориям можно выделить три принципа жаростойкого легирования.

1.Ионы легирующего элемента входят в кристаллическую решетку оксида основного металла, уменьшая его дефектность и соответственно скорость диффузии, и образуется легированный оксид. Этим объясняется повышенная жаростойкость низколегированных сталей и сплавов.

2. Легирующий компонент образует собственный оксид, обладающий лучшими защитными свойствами, чем оксид основного металла. Этим объясняется хорошая жаростойкость высоколегированных сталей и сплавов.

3. Легирующий элемент с основным металлом образует двойной оксид с кристаллической решеткой типа шпинеля, обладающий повышенными защитными свойствами. На жаростойких сплавах обнаружены двойные оксиды-шпинели: FeO*Cr2O3, FeO*Al2O3, NiO*Fe2O3, NiO*Cr2O3, NiO&Al2O3 и др. С этим связана высокая жаростойкость высоколегированных сталей и сплавов.

Окисление металлов протекает по различным кинетическим законам, зависящим от условий реализации процесса и свойств образующихся оксидов. Температурные зависимости скорости окисления металлов устанавливают экспериментально в условиях, имитирующих эксплуатационные. По ним оценивают жаростойкость и максимальную рабочую температуру, что определяет возможность использования металла при заданной температуре и длительности эксплуатации.

3. Методы определения жаростойкости материалов

Для количественного определения жаростойкости применяют различные методы, из которых наиболее известны весовой метод (по изменению массы образца) и метод непосредственного измерения глубины коррозии по ГОСТ 6130-71 "Металлы. Методы определения жаростойкости". Высокой точностью характеризуется параметрический метод расчета жаростойкости металлов.

Весовой метод определения жаростойкости по уменьшению массы образца заключается в определении толщины слоя металла, подвергшегося коррозии в процессе испытания, по разности массы образца до и после испытания и удаления продуктов коррозии с его поверхности.

Весовой метод определения жаростойкости по увеличению массы образца заключается в определении толщины слоя металла, подвергшегося коррозии в процессе испытания, по увеличению массы образца, определяемой непосредственно в процессе испытания. При этом для расчета предварительно определяют коэффициент соответствия увеличения массы образца - уменьшению его массы:

,

Величину коэффициента С определяют для исследуемой марки стали, температуры и газовой среды однократно. При умножении величины увеличения массы образца на коэффициент С получают значение условного уменьшения массы образца, по которому определяют толщину слоя металла, подвергшегося коррозии.

Метод непосредственного измерении глубины коррозии заключается в измерении уменьшения линейных размеров образца, подвергшегося коррозии.

Количественную оценку жаростойкости определяют глубиной проникновения коррозии, выраженной в миллиметрах за данный период времени (глубинный показатель).

Глубину проникновения коррозии по методу уменьшения массы образца в миллиметрах определяют по формуле:

,

где g - уменьшение массы образца за заданное время, полученное при испытании путем экстраполяции опытных данных, мг/см2;

- плотность металла, г/см3.

Глубину проникновения коррозии за заданное время по методу увеличения массы образца в миллиметрах определяют по формуле:

,

где g' - увеличение массы образца за заданное время, полученное при испытании путем экстраполяции опытных данных, мг/см2;

С - коэффициент соответствия увеличения массы образца - уменьшению массы.

Глубину проникновения коррозии по методу непосредственного измерения в миллиметрах определяют по формуле:

,

где S0 -толщина образца до испытания, мм;

S1 - толщина образца после испытания, мм;

hл - глубина локальной коррозии, мм.

В руководящих материалах [4] приведены характеристики жаростойкости основных классов металлических конструкционных материалов, применяемых в машиностроении: глубина коррозии, средняя скорость коррозии, предельная допускаемая температура эксплуатации в различных коррозионных средах. Применительно к нагревателям расчетные значения характеристик жаростойкости, используемых для оценки конструкционных материалов, не выявляют степень отрицательного влияния неоднородности окисления на срок их службы. В этом случае разработаны специальные методы оценки стойкости путем нагрева образцов электрическим током [5].

4. Повышение жаростойкостии легких сплавов

Жаростойкость сплваов магния с марганцем, цинком, алюминием выше, чем нелегированного магния. Улучшает жаростойкость магния бериллий (0,02…0,05%), устраняя самовозгорание при технологической обработке. Жаростойкость промышленных медных сплавов (латуней и бронз) выше жаростойкости меди, так как они легированы элементами четвертой группы. Высокой жаростойкостью отличаются сплавы меди с бериллием, алюминием, марганцем; немного уступают им сплавы с цинком, оловом, кремнием. Жаростойкость промышленных алюминиевых сплавов такая же хорошая, как и нелегированного алюминия. Исключение составляют сплавы с магнием типа АМг, так как при нагреве образуется собственный рыхлый оксид MgO.

Жаростойкость сплавов титана можно повысить применением жаростойких покрытий. тугоплавкие металлы (Mo, W, Ta, Nb) имеют низкую жаростойкость. Они не могут работать в окислительных средах при температуре выше 500С. Объемное легирование повышает их жаростойкость. Основное направление повышения жаростойкости - разработка защитных покрытий из тугоплавких металлов [6].

5. Жаростойкие стали и сплавы

Основные жаростойкие сплавы созданы на основе железа и никеля. Химический состав высоколегированных сталей и сплавов на железной, железоникелевой и никелевой основах, предназначенных для работы в коррозионно-активных средах и при высоких температурах, приведен в ГОСТ 5632-72. Согласно этому стандарту, жаростойкие (окалиностойкие) сплавы относятся к группе II и характеризуются как стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550С и работающие в ненагруженном состоянии или слабонагруженном состоянии.

При выборе марки стали или сплава необходимо знать рабочую температуру, механические напряжения, допустимую по конструктивным соображениям деформацию, срок службы и режим работы детали, состав окружающей среды. Номенклатура и рекомендации по применению жаростойких сталей и сплавов приведены в таблице 1 [6], [7], [8], а характеристики жаростойкости некоторых из них в таблице 2 [7], [9].

Жаростойкие стали и сплавы на основе железа и никеля

Таблица 1

Показатели жаростойкости сталей и сплавов на воздухе

Таблица 2

Жаростойкость сталей и сплавов на основе железа и никеля повышается легированием в основном хромом, алюминием и кремнием, которые могут образовывать плотные оксиды Cr2O3, Al2O3, SiO2. Наибольшее распространение в качестве легирующего элемента получил хром. Высокими защитными свойствами отличаются двойные оксиды-шпинели FtO*Cr2O3 и NiO*Cr2O3, которые образуются в высокохромистых сплавах. жаростойкий легирование коррозия газовый

Из жаростойких наиболее широкое применение нашли хромистые стали (15Х5, 15Х6СЮ). Стали, содержащие 5-6% Cr, обладают достаточно высокой жаростойкостью до 600-650С, а стали с 14-15 % Cr - до 800С. При более высоких температурах требуется применять стали с более высоким содержанием хрома (12Х17, 15Х28). Недостатком высокохромистых сталей является склонность к росту ферритного зерна. для предотвращения охрупчивания при длительных нагреваъх сталь дополнительно легируют титаном - сильным карбидообразующим элементом (08Х17Т, 15Х25Т, 08Х18Т1). Стали без титана применяют для деталей, работающих при высоких температурах в отсутствии больших нагрузок, например нагревателей.

Дополнительное легирование хромистых сталей алюминием и кремнием повышают их жаростойкость. В качестве жаростойких применяют легированные кремнием хромистые стали - сильхромы (40Х9С2, 40Х10С2М6, 30Х13Н7С2), которые широко используют в автостроении. Однако содержание алюминия и кремния в отличие от хрома в сталях ограничено, так как эти элементы ухудшают их технологические свойства. Этот недостаток исключается при совместном легировании хромом и алюминием. Химический состав этих сталей и сплавов приведен в ГОСТ 10994-74 "Сплавы прецизионные. Марки".

Легирование никелем улучшает технологические и прочностные свойства хромоникелевых аустенитных сталей, но значительно удорожает их. Стали и сплавы с никелем необходимо применять только в тех случаях, когда требуется повышенная жаропрочность и пластичность. Разработаны жаростойкие хромомарганцевые стали, легированные алюминием [6], которые можно использовать как жаростойкие до 900-950С. Они имеют высокие механические свойства и хорошую технологичность. В сплавах системы Fe-Ni-Cr, предназначенных для работы до 1050С, марганец может лишь частично заменить никель (до 10%). Следует выделить сплав ХН45Ю, который обладает лучшими свойствами, чем сплавы на основе никеля. это единственный сплав, который работает при 1350С (до 100 ч). Стали ХН35ЮС, 10Х18Н18Ю, 10Х10Н20ЮС содержат еще меньшее количество никеля, но их можно эксплуатировать до 1200С (первую) и 1100С (две последние). Сплавы системы Fe-Ni-Co-Cr являются высокожаростойкими, но легирование кобальтом связано в основном с необходимостью повышения жаропрочности [7].

Никель обладает более высокой жаростойкостью в окислительных средах, чем железо, так как его единственный оксид NiO менее дефектный, чем оксид FeO. Высокая жаростойкость нихромов (сплав никеля с хромом) объясняется прежде всего образованием шпинели NiO*Cr2O3. Жаростойкие сплавы на никелевой основе имеют в основном структуру твердых растворов, мало упрочняются термической обработкой и обладают невысокой прочностью и жаропрочностью, но хорошей технологичностью. нихромы имеют высокое удельное электрическое сопротивление, поэтому их используют в качестве материала для нагревателей, а также для изготовления камер сгорания, газопроводов и деталей газотурбинных установок.

Никелевый сплав, содержащий 20% Cr - основа большинства жаростойких никелевых сплавов, в которых содержание углерода ограничено 0,1 %. марганец уменьшает жаростойкость этих сплавов. кремний с этой целью также не используется, так как он снижает технологичность сплава. для создания высокожаростойких никелевых сплавов используют алюминий. лучший жаростойкий никелевый сплав - Х2Н80Ю3.

Жаростойкие сплавы на основе никеля в окислительных средах (парах воды, кислороде, синтетическом аммиаке) более стойки, чем сплавы на основе железа. Однако в серосодержащих средах никель нестоек к газовой коррозии. Присутствие серы снижает температуру применения никелевых сплавов в окислительных средах до 550С, а в восстановительных - до 260С.

Жаростойкие сплавы на основе железа и никеля не претерпевают фазовых превращений, и поэтому их термическая обработка состоит в высокотемпературном нагреве для выращивания зерна или снятия напряжений. Механические свойства термически обработанных полуфабрикатов из жаростойких сталей приведены в таблице 3.

Механические свойства сортовой жаростойкой стали, термообработанной в соответствии с рекомендациями ГОСТ 5949-75 [10]