Перспективные направления в создании жаростойких материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективные направления в создании жаростойких материалов

Жаростойкость - это сопротивление материалов газовой коррозии и, прежде всего, окислению при повышенных температурах ( 575С). Жаростойкость одного и того же материала зависит от состава газовой среды, скорости ее движения и парциального давления, а также химического состава материала, структуры и чистоты обработки поверхности.

Газовая коррозия - это самопроизвольный химический процесс, движущей силой которого является термодинамическая неустойчивость металлов во внешней среде при данных внешних условиях: давлении, температуре, составе среды и др. Следовательно, при газовой коррозии металл переходит в более устойчивое окисленное состояние за счет того, что окислительный компонент среды, отнимая у металла валентные электроны, одновременно вступает с ним в химическое соединение - продукт коррозии (оксид), который образует на поверхности металла оксидную пленку:

Ме0 - 2е Ме2+ ,

О0 + 2е О2-,

Ме2+ + О2- МеО.

На скорость окисления влияют: 1) внешние факторы (Т, р, скорость перемещения газового потока); 2) внутренние факторы (тип кристаллической решетки оксида, силы межатомного взаимодействия, механические и физические свойства самих оксидов - коэффициент линейного расширения, пластичность и др.

Защитные свойства пленок определяются рядом факторов, из которых сплошность является необходимым, но недостаточным условием. Окалина, образующаяся на Fe и сталях при нагреве в воздухе или кислородсодержащих средах, состоит из трех слоев: вюстита FeO, магнетита Fe3O4 и гематита Fe2O3. Ниже 575 С вюстит не образуется, а с повышением температуры его количество резко возрастает, составляя выше 750 С 94-95% всей окалины. Вюстит представляет собой твердый раствор вычитания с дефицитом атомов железа; скорость окисления при наличии этого окисла резко возрастает. В результате жаростойкость существенно снижается. Ее повысить удается за счет легирования Cr, Ni, Al, Si.

Высокая жаростойкость легированных сталей и сплавов связана с образованием на поверхности двойных оксидов (шпинелей): FeOСr2O3; 2FeOSiO2; NiOFe2O3. газовый коррозия окисление жаростойкость

Mo, Ti, Ta, Nb, W, Zr, Mg - не используются в жаростойких сталях против газовой коррозии. Их оксиды при своем образовании вызывают большие внутренние напряжения, приводящие к их разрушению. Кроме того, оксиды Мо и W имеют низкие температуры сублимации и при нагреве испаряются. Оксиды Ti и Zr, образующиеся при нагреве, теряют кислород вследствие его большой растворимости в металле и не защищают от дальнейшего окисления.

К жаростойким сталям относятся стали, используемые в энергетическом машиностроении для изготовления котлов, сосудов, паронагревателей, паропроводов и др. Эти же стали применяют в химическом и нефтяном машиностроении для работы при повышенных температурах.

Рабочие температуры жаростойких сталей достигают 600-650 °С, а давление газовых или жидких сред 20-30 МПа. Так, рабочие температуры в паросиловых установках составляют 585 °С при давлении 25,5 МПа, а в наиболее мощных установках достигают 650 °С и 31,5 МПа. Детали таких установок должны работать длительное время без замены (до 100000,..200000 ч), поэтому основным требованием является заданное значение длительной прочности и сопротивление ползучести за весь ресурс эксплуатации.

Жаростойкие стали делятся на три класса - ферритные (08Х17Т, 10Х25Т, 15Х25Т), аустенитные (12Х18Н10Т, 30Х13Н7С2, 20Х23Н18, 20Х25Н2С2, Х20Н80) и мартенситные (15Х5, 15Х5ВФ, 15Х6СЮ, 25Х8ВФ, 40Х9С2, 40Х10С2М).

Стали ферритного класса

Эти стали содержат 17-25 % хрома и при достаточно низком содержании углерода или легирования их ферритообразующими элементами имеют однофазную ферритную структуру. Применяются для изготовления теплообменников, деталей аппаратуры химических производств, печного оборудования и других изделий, которые не испытывают значительных нагрузок и работают при высоких температурах длительное время.

Стали ферритного класса наиболее дешевые и на их основе создают фехрали (сплавы системы Fe-Cr-Al) с содержанием 25 % Cr и 5 % Al. Чем выше содержание в них Cr и Al, тем больше температуры, при которых они сохраняют требуемые эксплуатационные свойства.

При высоких температурах происходит обеднение твердого раствора хромом и рост зерна, поэтому вводят титан, связывающий углерод в специальные карбиды, оставляя хром в твердом растворе, препятствуя чрезмерному росту зерна. Например, 10Х23Ю5Т.

Хромистые и хромоалюминиевые стали имеют крупный недостаток: они могут охрупчиваться в процессе технологических нагревов и длительных выдержек при повышенных температурах во время эксплуатации. Они подвержены 475-градусной хрупкости, хрупкости при 600-800 С в связи с образованием -фазы и хрупкости вследствие образования чрезмерно крупных зерен, например, при сварке.

Хрупкость хромистых ферритных сталей трудно, а часто и невозможно устранить последующей обработкой, что сужает возможности их практического использования и накладывает ограничения на технологические операции. Так, ковку и прокатку этих сталей следует проводить при температурах ниже 1150 С и заканчивать при возможно более низкой температуре, чтобы получить мелкое зерно. Все операции гибки, правки необходимо проводить в подогретом до 150-250 С состоянии, особенно при работе с холоднокатаными полуфабрикатами.

Стали аустенитного класса

При рабочих температурах до 600-900 С применяют в качестве жаростойких стали (0,8-12)Х18Н10Т.

Если рабочая температура выше 900С, в стали увеличивают содержание хрома и никеля. До 1000 С - 10Х23Н18; до 1100 С - 20Х25Н20С2. Для повышения жаростойкости в стали вводят кремний в количестве до 2 %.

Сталь 30Х13Н7С2 подвергается закалке от 1050-1100 С и отпуску при 660-680 С.

Основное назначение сталей этой группы - клапаны автомобильных, тракторных и авиационных двигателей средней мощности.

При повышенных температурах используются нихромы, например, Х20Н80 (20 % Cr и 80 % Ni), структура которого представляет собой -твердый раствор.

Стали мартенситного класса

Стали мартенситного класса содержат 0,15-0,4 % углерода, 6-13 % хрома, дополнительно вводят кремний не более 2 % (сильхромы). Сталь 15Х6СЮ применяется при рабочих температурах до 700 С. Чтобы улучшить обрабатываемость резанием применяют отжиг при температуре 850-870 С, 1-2 часа. После изготовления деталей подвергают окончательной термообработке. Окончательная термическая обработка включает в себя закалку 1050-1100 С и отпуск при 650 С. Большей износостойкостью обладают стали 40Х9С2 и 40Х10С2М. Термическая обработка этих сталей включает в себя закалку от 1100 С и отпуск при 740 С. Структура представляет собой сорбит отпуска.

Используются для изготовления выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания, выхлопных труб, крепежа и др.

Перспективные направления в создании жаростойких сталей

Широкое распространение получают жаростойкие стали аустенитно-ферритного класса с пониженным содержанием никеля типа 30Х24Н12С2, 30Х23Н7С2 и 40Х23Н4М3С. После закалки последней стали от температур 1050-1150 С в ее структуре обнаруживается примерно равное количество -феррита и аустенита и 3-5 % карбидной фазы в основном типа (Fe, Cr)23С6. Затем сталь подвергают старению при температуре 780-800 С, в процессе которого образуется значительное количество -фазы и резко повышается твердость сталей.

Сталь данного типа представляет редкий случай использования упрочнения, возникающего при образовании -фазы для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств, сохранения высокой твердости, износостойкости и сопротивления термической усталости при температурах до 800-850 °С, что объясняет широкое применение сталей этого типа для изготовления клапанов автомобильных и авиационных двигателей.

Недостатком этой стали является узкий температурный интервал при горячей обработке: при перегреве - снижается способность к упрочнению, а при недогреве - могут образовываться трещины и повыситься хрупкость.

Одним из перспективных направлений является создание безникелевых жаростойких сталей типа 30Х23Г4С2ФТЛ (разработана на кафедре «Материаловедение» ГВУЗ «ПГТУ») и 90Г30Ю9, работающих при температурах до 1100 С.

Разработаны многофазные жаропрочные жаростойкие материалы REFSIC и REFSICOAT на основе силицидов молибдена и вольфрама.

Структура материала REFSIC состоит из эвтектической фазы на основе силицидов твердых растворов, пронизанной связанным в объеме изделия каркасом из зерен карбида кремния. Такая структура обеспечивает высокую жаропрочность и стойкость в условиях высокотемпературной газовой коррозии при температурах до 2000 0С.

Изменение объемных долей карбидов кремния, характера его связей в каркасе, соотношения объемов различных силицидных фаз, относительного содержания в них молибдена и вольфрама, легирующих элементов (Re, Ti, Ta, Zr, Nb) позволяет изменять физические и механические свойства в широких пределах, исходя из конкретных условий применения материала.

Структура материалов REFSICOAT не содержит карбидокремниевого каркаса. Материал в основном применяется при создании защитных покрытий на материалах REFSIC, карбидокремниевых, углеродных материалах, тугоплавких металлах и их сплавах, а также в качестве припоя при их соединении между собой. Рабочая температура материала REFSICOAT - 2000 °С.

По сравнению с высокотемпературными электронагревателями из материалов на основе карбида кремния, дисилицида молибдена и хромита тантала, изделия из разработанного материала обеспечивают значительно более высокую допустимую удельную тепловую нагрузку, стойкость к термоударам. Имеют на порядок более низкую скорость высокотемпературной ползучести и почти на два порядка более высокую жаропрочность при более низкой себестоимости. Не содержат токсичного бериллия и радиоактивного тория.

Вопросы для самопроверки:

Назовите марки безникелевых жаростойких сталей?

Назовите температуры эксплуатации безникелевых жаростойких сталей?

Опишите термообработку стали аустенитно-ферритного класса с пониженным содержанием никеля?

Применение жаростойких сталей?

Перечень ссылок

1. Журавлев В. Н. Машиностроительные стали : справочник / В. Н. Журавлев, О. И. Николаева. М. : Металлургия, 1991. - 391 с.

2. Усова Л. Ф. Технология металлов и материалов / Л. Ф. Усова. - М. : Металлургия, 1987. - 800 с.

3. Беккерт М. Мир металла / М. Беккерт. - М. : Мир, 1980. - 148 с.

Размещено на Allbest.ru