Влияние никеля и хрома на свойства стали. Влияние химических элементов на свойства сталей повышенной прочности феррито-перлитного класса
  • Главная

Доклад: Влияние хрома, никеля, кремния и алюминия на жаростойкость сталей. Влияние никеля и хрома на свойства стали


Влияние хрома, никеля, кремния и алюминия на жаростойкость сталей

         2 Влияние хрома, никеля, кремния и алюминия на жаростойкость сталей         Под жаростойкостью (окалиностойкостью) сталей и сплавов принято понимать стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 5500С и работающие в ненагруженном и слабонагруженном состоянии.

         Жаростойкие стали применяются в паровых котлах, газотурбинных установках, авиационных двигателях, печах и печных конвейерах – всюду, где температура может составлять 400–14000C. Самой важной характеристикой таких сталей является сопротивление ползучести при высоких температурах. Важное значение имеет также сопротивление окислению (окалиностойкость).        Жаростойкие сплавы предназначены для использования в машиностроении,  самолетостроении, ракетостроении, теплоэнергетики, металлургии и многих других отраслей промышленности.

         В металлургии жаростойкую сталь используют для изготовления тиглей для соляных и металлических ванн. Эти тигли изнутри подвергаются действию расплава, а снаружи – окалинообразованию при нагреве. Кроме того, из этой стали изготовляют изделия, подвергающиеся в процессе эксплуатации воздействию металла или солей.

         Жаропрочные сплавы должны быть и жаростойкими, в противном случае они быстро «сгорают», т.е. превращаются в окалину из-за быстрого окисления и детали их них выходят из строя. Наоборот, жаростойкие сплавы не всегда бывают жаропрочными. Например, жаростойкие высокобериллиевые и алюминиевые бронзы не относятся к числу жаропрочных медных сплавов; то же можно сказать относительно высокохромистых железных и никелевых жаростойких сплавов типа фехраль, нихром и др.

         Жаростойкость характеризует сопротивление металла окислению при высоких температурах.

         Как происходит окисление? Начальная стадия окисления стали – чисто химический процесс. Но дальнейшее течение окисления – уже сложный процесс, заключающийся не только в химическом  соединении кислорода и металла, но и в диффузии атомов кислорода и металла через многофазный окисленный слой. При плотной оксидной пленке скорость нарастания окалины определяется скоростью диффузии атомов сквозь толщину окалины, что в свою очередь зависит от температуры и строения оксидной пленки.

         С повышением температуры скорость окисления возрастает (рисунок 1) и резко при 5700С, когда вместо плотных оксидов типа Fe2O3 и Fe3O4 образуется рыхлый оксид FeO. Особенно низкое сопротивление окислению имеют тугоплавкие металлы и их жаропрочные сплавы, предназначенные для работы при температурах выше 1100 – 12000С. Исключение составляют жаропрочные сплавы хрома с рабочими температурами 700 – 11500С и выше, однако они имеют другие существенные недостатки.Рисунок 4 – Влияние температуры на скорость окисления железа         Проблема защиты жаропрочных сплавов от окисления решается несколькими путями.

         Основной из них заключается в легировании элементами, которые благоприятным образом изменяют состав и строение окалины. Так, в результате внедрения в сталь соответствующих количеств хрома, алюминия или кремния, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, в процессе окисления на поверхности образуются плотные окислы Cr2O3 , Al2O3 или SiO2 , диффузия сквозь которые проходит с трудом. Образовавшаяся тонкая пленка из этих оксидов затрудняет процесс дальнейшего окисления.

         Чем выше содержание хрома, алюминия или кремния в стали и тем выше может быть рабочая температура.

         Более эффективен и другой путь в случае тугоплавких металлов и их жаропрочных сплавов – нанесение специальных защитных покрытий, поскольку истинно жаростойкие сплавы  тугоплавких металлов, как правило, не жаропрочны, отличаются повышенной хрупкостью и не поддаются обработке давлением.

         Взаимосвязь между важнейшими свойствами жаропрочных сплавов на основе тугоплавких металлов можно иллюстрировать наглядной схемой (рисунок 2).

Рисунок 5 – Взаимосвязь между важнейшими свойствами сплавов

тугоплавких металлов

         Один и тот же сплав не может одновременно сочетать в себе такие противоречивые характеристики, как высокая жаропрочность, сопротивление окислению и технологичность (например, деформируемость при обработке давлением). Например, сплав 1 обладает хорошим сопротивлением окислению, но маложаропрочен и плохо деформируется; наоборот, сплав 2 отличается высокой жаропрчностью, удовлетворительной деформируемостью, но имеет низкую жаростойкость и т.д.

         Легирующие элементы в сплавах могут быть по отношению к кислороду либо более благородными, либо менее благородными, чем железо. При действии кислорода расплав обогащается вследствие окисления железа элементами первой группы; наоборот, элементы второй группы преимущественно сами окисляются и тем самым предохраняют железо от окисления. Такое влияние легирующих элементов сохраняется в сплавах и в твердом состоянии.

         При окислении твердых растворов железа, содержащих элементы, окисляющиеся легче железа, можно наблюдать обогащение окалины соответствующими элементами, если имеется достаточно времени для протекания диффузии. Если нагревать железохромистые, железоалюминиевые, железокремнистые сплавы в окислительной атмосфере на высокие температуры таким образом, чтобы окисление происходило не слишком быстро и чтобы легирующие элементы могли диффундировать по объему сплава, то можно установить обогащение слоя окалины хромом, алюминием, кремнием. В результате диффузии при соответствующих условиях окисления может образоваться защитный слой окислов, как это видно из таблицы 2. Таблица 2 – Состав окалины на окалиностойких сплавах при нагревании их на воздухе

Состав сплавов, % Температу-ра нагрева 0С Анализ окалины
Cr Al Ni
23,7

10

20

30 – 40

7,5

-

-

-

-

90

80

70 – 60

1200

1000

1000

1000

84,5% Al2O3; 3,4% Cr2O3; 2% Fe2O3

10% Cr2O3; ~ 90% NiO; немного NiO Cr2O3

80% Cr2O3; ~ 20% NiO; немного NiO Cr2O3

< 90% Cr2O3; > 10% NiO; немного NiO Cr2O3

         Защитные покрытия для тугоплавких металлов и их жаропрочных сплавов должны удовлетворять целому ряду требований, поэтому проблема защиты этих материалов от окисления является одной из важнейших.

         В таблице 3 приведены составы сталей и сплавов, применяемых как жаростойкие. Предельная температура эксплуатации указана в таблице и показывает температуру, выше которой сплав не должен нагреваться при работе во избежание быстрого окисления. Поскольку повышение предельной температуры эксплуатации создается за счет дорогого легирования, то следует точно определять температурные условия работы металла и выбирать по справочным данным жаростойкий сплав.Таблица 3 – Составы и применение некоторых жаростойких сталей

(ГОСТ 5632 – 72)

         Марка стали Ока-лино-стой-кость

Содержание элементов, % Прочие При-меча-

ние

С Si Mn Cr Ni
12Х1715Х25Т12Х18Н9

10Х23Н1812Х25Н16Г7АРХН32ТХН45ЮХН78Т15Х25ТЛ30Х24Н12СЛ15Х25Н19С2Л

9001050850

10501100110013001150105010501150

0,120,150,12

0,100,120,050,10,120,1-0,2

0,40,2

0,812

110,710,80,5-1,2

0,5-1,5

2-3

0,80,82

270,710,70,5-0,8

0,3-0,8

0,5-1,5

16-1824-2717-19

22-2523-2619-2215-1719-2228-2722-2623-27

-- 8-10

17-2015-1830-3444-46Основы-11-1318-20

Ti 5C – 0,9-

-0,3 – 0,45 Ni

0,01 В

0,25 – 0,6 Ti2,9 – 3,9 Al

0,15 – 0,35 Ti

0,15 Al

0,4 – 0,8 Ti

--

Лист, пруток

Лист, пруток,

трубы

То же

Лист, пруток

То жеЛист, пруток,

трубы

То жеЛист, прутокЛитые детали

То жеТо же

          Примечание. Основа всех сплавов – железо, кроме сплава ХН78Т, основа которого никель (< 6 % Fe).

         Процессы, протекающие при образовании окалины в легированной стали, можно пояснить с помощью схем (рисунок 6).

          При сравнительно низких температурах  степень легирования не  оказывает сильного влияния на окалиностойкость, и потери с окалиной описываются кривой

 рисунок 6a . Только при повышенных температурах, при достаточной диффузии элементов, можно ожидать образования защитного слоя. Во времени (рисунок 6б) прежде всего образуется богатая железо начальная окалина, в которую диффундирует легирующий элемент и образует собственный окисел (точка с). При этом легирующий элемент в ряде случаев даже восстанавливает железо из начальной окалины. В дальнейшем процесс образования окалины происходит по кривой b. Процесс на отрезке а’ – с часто протекает настолько быстро или даже при более низких температурах, что этот участок не всегда заметен. Переход от a к b происходит не в одной точке, а некотором интервале температур. При высоких температурах скорость окисления может оказаться столь высокой, что диффузия легирующих элементов будет недостаточной для поддержания защитного слоя в окалине. Переход d, происходящий в некотором интервале температур, часто связан с местными нарушениями сплошности защитного слоя. Нарушение сплошности защитного слоя может происходить из-за механического растрескивания, если увеличения слоя окалины не соответствует уменьшению слоя металла. В области с образуется защитный слой и эта область перекрывает область d, в которой при большей продолжительности нагревания образуются «розочки». При дальнейшем повышении степени легирования наступает полная окалиностойкость.

        

  Рисунок 6 – Образование окалины: a – железистая трехслойная окалина;

                      а’ –  железистая начальная окалина; b – бедный железом                                        защитный слой из окисла легирующего элемента; с –                                             возникновение защитного слоя из начальной окалины; d –                                     усиленная местная окалина (образование розочек).          При многократном повторении процесса окисления сплав постепенно обедняется легирующими элементами. Окалиностойкость может уменьшаться.

          Влияние хрома. Хром – как легирующий элемент, обеспечивающий высокую жаростойкость.

          При рабочей температуре 9000С для достаточной окалиностойкости сплав должен содержать не менее 10% Cr, а при рабочей температуре 11000С – не менее 20-25% Cr. При более высоком содержании хрома следует учитывать образование двухфазной области из окислов NiO и Cr2O3 , а в окалиностойких сплавах – образование стабильной и плотной шпинельной фазы , в которой процессы диффузионного обмена протекают очень медленно.

          Важно, что окалиностойкость, столь существенно зависящая от состава стали или сплава, не зависит от его структуры, т.е. это свойство структурно нечувствительное.

          Данные рисунка 7 отражают образование окалины на хромистой стали. При 30% Cr и 12000С, например, наблюдается такая же окалиностойкость, как при 9 – 10% Cr и 9000С.

Рисунок 7 – Влияние хрома на образование окалины на воздухе

при температурах от 900 до 12000С, продолжительность нагрева 220 ч          Эта связь между температурой и содержанием хрома справедлива для окислительной среды; при менее агрессивных средах и при более низких температурах для создания полной окалиностойкости оказываются достаточными более низкие содержания хрома.

         Стали с 1,7% Сr, ввиду высокого содержания хрома стали типа Х17, можно применять и как жаростойкие (окалиностойкие) при рабочих температурах не выше 900°С.

          В хромистых сталях повышение длительной прочности достигается при легировании титаном, цирконием, танталом.

          Влияние никеля. Жаростойкие никелевые сплавы обладают повышенным сопротивлением окислению на воздухе при 850 – 11000С и предназначаются для изготовления газопроводов, камер сгорания, форсажных камер и других узлов и деталей авиационных двигателей и установок. По химическому составу эти сплавы, за редким исключением, представляют собой малоуглеродистые Ni – Cr, Ni – Cr – Fe или Ni – Cr – W – Fe – твердые растворы, легированные Si, Al, Ti и др.

          Имея в основном структуру твердых растворов, жаростойкие никелевые сплавы мало упрочняются термической обработкой и, следовательно, обладают сравнительно невысокими показателями прочности и жаропрочности. Жаростойкие никелевые сплавы имеют повышенное удельное электрическое сопротивление, поэтому некоторые из них (Х15Н60, Х20Н80 и др.) используют в качестве элементов сопротивления лабораторных и промышленных нагревательных печей, работающих при температурах до 11000С. Такие никелевые сплавы, как ХН60Ю, ХН78Т и др. способны воспринимать упрочняющую термическую обработку. Иногда жаростойкие никелевые стали содержат небольшие добавки церия и бария. Эти сплавы более долговечны.

          Исследование жаростойкости различных нихромов (Х10Н90, Х20Н80, Х30Н70, Х40Н60, Х50Н50) показали, что наибольшей жаростойкостью обладают сплавы Х30Н70 и Х20Н80, на которых образуются защитные окисные пленки типа шпинели.

          К сплавам на никелевой основе относятся сплавы, содержащие не менее 50 % Ni, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в никеле (содержание железа не более 6–8 %).

          Никель редко применяется в чистом виде, но его сплав с хромом и молибденом широко используется для высокотемпературных деталей и элементов конструкций. Такой сплав характеризуется высоким сопротивлением ползучести и высокой коррозионной стойкостью в диапазоне температуры от 800 до 11000C. Типичное применение хромомолибденовых сплавов никеля – лопатки турбин и другие высокотемпературные компоненты.

          Влияние кремния. Кремний может образовывать окалиностойкие слои кремневой кислоты или силикатов железа.

          Своеобразный часто наблюдающийся ход температурной зависимости окалинообразования кремнистой стали (рисунок 8) обусловлен некоторой пористостью защитного слоя, которая уменьшается при повышении температуры. 

 

Рисунок 8 – Температурная зависимость при образовании окалины

в кремнистой стали при окислении на воздухе, продолжительность нагрева 12 ч          При более низкой температуре для образования защитного слоя требуется больше времени. Выше 800 – 9000С наступает усиленная потеря веса вследствие образования окислов железа.

          Основная роль кремния в улучшении жаростойкости связана с формированием на границе металл окалина подслоя Fe2SiO4 или SiO2. Последний термодинамически весьма стабилен и при его образовании снижается скорость контролируемой стадии окисления, какой является диффузия катионов металла через пленку окислов.

         Силицирование применяют для деталей, работающих при повышенных температурах. Температура 1100-12000С. Глубина слоя достигает 0,8 мм, но продолжительность около суток. Если испытать газовую фазу, то в качестве газовой фазы используют Sih5 - моносилан.

         Силицирование чаще проводят одновременно с насыщением детали Al, этот процесс называют алюмосилицированием. В результате на поверхности образуется FeAl интерметаллидная фаза и Al2O3, FeAl2O4. Это позволяет дополнительно повысить жаростойкость детали.

         Влияние алюминия. Алюминий повышает жаростойкость.

         Стали, содержащие алюминий в пределах 3-6% имеют при 800оС высокую жаростойкость, тогда как при 900оС все испытанные стали, независимо от концентрации алюминия, обладают пониженной стойкостью. Стали без алюминия и содержащие менее 3% алюминия при 900оС окисляются с очень большой неконтролируемой скоростью, что не позволило получить для них количественной оценки жаростойкости.

         Учитывая ограниченные возможности легирования стали алюминием повышение жаростойкости стали достигнуто введением алюминия в меньших (допустимых пределах при одновременном повышении содержания кремния до 1,6-1,9%.         Значение алюминия в повышении окалиностойкости проявляется в изменении защитных свойств окислов других элементов, входящих в состав стадии. Замещена часть трехвалентных ионов железа или марганца в окисле типа шпинели, алюминий снижает его проницаемость. Наиболее эффективно влияние алюминия на снижение скорости высокотемпературного окисления, когда он образует собственный окисел Al2O3, обладающий высокими защитными свойствами.         Выводы: определение жаростойкости показало, что от высокотемпературного окисления хорошо защищают сталь хромирование (до 800—9000С) и алитирование (вплоть до 10000С). Металлографические исследования показали, что при температурах 500—6000С алитированные и хромированные слои хорошо сохраняются. Однако при повышении рабочей температуры наблюдается утонение слоев, а затем и разрушение их. В местах разрушения слоя происходит интенсивное выгорание углерода с поверхностных слоев металла.

         Механизмы защитного действия оксидных пленок, образующихся на металлических покрытиях и на жаростойких сплавах, аналогичны, поэтому при выборе состава жаростойких покрытий можно учитывать достаточно подробно разработанные принципы легирования стали. Для повышения окалиностойкости в сталь добавляют легирующие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. Такими элементами чаще всего являются хром, алюминий, кремний, которые образуют на поверхности при нагреве тонкую, плотную пленку окислов, надежно защищающую металл от дальнейшего окисления. Жаростойкость практически не зависит от структуры металла, а определяется химическим составом. Увеличение процентного содержания хрома, алюминия, никеля или кремния, образующих плотные окислы Cr2О3, A12О3, NiO, SiО2, обусловливает повышение жаростойкости и уровня рабочих температур. Лучшие результаты обычно получают при комбинированном легировании.

                               Литература         1 Ощепков Б.В., Решетников С. А., Чуманов И. В. Конструкция и проектирование  электропечей. «Учебное пособие» – Челябинск, 1995 г. – 51 с.

         2 Егоров А. В. Расчет мощности и параметров электроплавильных печей. – Москва, 2000 г. – 120 с.

         3 Гуляев А.П. Металловедение. – Москва: «Металлургия», 1986 г. – 544 с.

         4 Захаров М.В., Захаров А.М. Жаропрочные сплавы. – Москва: «Металлургия», 1972 г. – 384 с.

         5 Гудремон Э. Специальные стали. – Москва: «Металлургия», 1966 г. –

736 с.         

         6 www. krugosvet. ru

         7 www. naukaspt.ru/spravochniki

         8 www.hardprom.ru

                  

www.coolreferat.com

Нержавеющие хромоникелевые (аустенитные) стали. - www.mpoltd.ru

Нержавеющие стали в составе которых железо, хром и никель - это важнейшая категория специальных конструкционных материалов, которая нашла применение во многих отраслях промышленности. В этой статье речь пойдет об одном из видов нержавеющей стали - хромоникелевых имеющих аустенитную структуру. И немного о свойствах и применении нержавеющей стали 12Х18Н10Т.

Коррозия и ее особенности.

Я заметил, что описывая качества нержавеющих сталей и отмечая их нужность и полезность для промышленности, до сих пор не акцентировал внимание на том почему они так важны. Основное свойство нержавеющих сталей - способность противостоять коррозии, поэтому несколько слов о том, что это такое.

Коррозия - это процесс разрушения поверхности металлов в результате чисто химического или электрохимического воздействия внешней среды, как правило агрессивной. В общем случае коррозия металла сопровождается образованием на поверхности продуктов разрушения, таких как ржавчина, но бывают и разрушения без внешних проявлений. Интенсивность коррозии зависит от свойств металла и степени агрессивности окружающей среды.

Коррозия это довольно широкое понятие и характеризуется по различным проявлениям:

  • сплошная (равномерная) коррозия, когда разрушению подвергается вся поверхность металла;
  • точечная (местная, щелевая, питтинговая) коррозия, когда разрушаются отдельные участки поверхности металла;
  • межкристаллитная коррозия, когда коррозия распространяется в глубь изделия по границам зерен;
  • коррозия под напряжением (коррозионное растрескивание), когда на поверхности металла развиваются трещины вследствие одновременного воздействия растягивающих напряжений и агрессивной среды.

Отдельный вид - электрохимическая коррозия, когда к чисто химическим процессам взаимодействия металла и окружающей среды, добавляются электрохимические процессы на границе раздела. Это самый разрушительный вид коррозии.

В процессе электрохимической коррозии разрушение металлов происходит под воздействием электролитов и сопровождается переходом атомов. На практике чаще всего электролитами выступают водные растворы солей, кислот и щелочей. Таким образом интенсивному разрушению электрохимической коррозией подвергаются металлические емкости, трубопроводы, детали машин и части сооружений находящиеся в контакте с морской и речной водой, а также грунтовыми водами.

Из теории электрохимической коррозии следует, что наибольшую устойчивость имеют очень чистые металлы. Но в жизни использование чистых металлов практически невозможно, поэтому возникает необходимость обеспечения однородной структуры твердого раствора в сплавах.

Повышенная стойкость против равномерной коррозии в широкой гамме коррозионно-активных сред различной степени агрессивности - отличительная особенность нержавеющих сталей и сплавов. Многие виды нержавеющие стали кроме того обладают стойкостью против межкристаллитной и точечной коррозии и коррозионного растрескивания.

Общее о хромоникелевых нержавеющих сталях.

Основные легирующие элементы, придающие хромоникелевой стали коррозионную стойкость в окислительных средах это Cr (хром) и Ni (никель). Хром способствует образованию на поверхности нержавеющей стали защитной плотной пассивной пленки окисла Сr2O3. Необходимая для придания коррозионной стойкости нержавеющей стали концентрация хрома в сталях этой группы составляет 18%.

Никель относится к металлам находящимся или легко переходящим в так называемое "пассивное" состояние. В пассивным состоянии металл или сплав обладает повышенной коррозионной стойкостью в агрессивной среде. Хотя, конечно, эта способность никеля меньше чем у хрома или молибдена.

Хром и железо в сплаве образуют твердый раствор, а никель в количестве 9—12%, кроме того, способствует формированию аустенитной структуры. Благодаря аустенитной структуре хромоникелевые нержавеющие стали отличаются высокой технологичностью при горячей и холодной деформациях и стойкостью при низких температурах.

Хромоникелевые аустенитные нержавеющие стали наиболее широко распространенная группа коррозионностойких сталей. Они так же известны в мировой практике под общим названием сталей типа 18-10.

В нашей стране наиболее распространены марки хромоникелевых нержавеющих сталей: 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т (ЭИ914), 08Х18Н10, 12Х18Н9Т, 03Х18Н11, 12Х18Н12Т, 08Х18Н12Б (ЭИ402), 02Х18Н11, 03Х19АГ3Н10.

Эти нержавеющие стали обладают коррозионной стойкостью во многих окисляющих средах при различной концентрации и в широком диапазоне температур. Они так же обладают жаростойкостью и жаропрочностью, но при умеренных температурах.

Стойкость нержавеющей стали против межкристаллитной коррозии

Способность сопротивляться межкристаллитной коррозии у хромоникелевых аустенитных нержавеющих сталей в первую очередь зависит от содержания углерода в твердом растворе. Углерод способствует выделению в твердом растворе карбидных фаз, тем самым способствую ускорению проявления межкристаллитной коррозии с повышением температуры.

Хромоникелевые аустенитные нержавеющие стали при выдержке в интервале 750-800 ºС теряют способность сопротивляться межкристаллитной коррозии:

  • при содержании углерода 0,084 % — в течение 1 минуты;
  • при содержании углерода 0,054 % — в течение 10 минут;
  • при содержании углерода 0,021 5 – через более чем 100 минут.

Содержание азота в составе хромоникелевых аустенитных нержавеющих сталей так же оказывают влияние на склонность к межкристаллитной коррозии, но в значительно меньшей степени. наличие азота в составе может быть даже полезно для повышения прочности.

Повышение концентрации никеля в составе хромоникелевых аустенитных нержавеющих сталей способствует снижению растворимости углерода, но отрицательно влияет на ударную вязкость хромоникелевой стали после отпуска и способствует межкристаллитной коррозии.

Растворимость углерода в твердом растворе хромоникелевых аустенитных нержавеющих сталей происходит и при увеличении содержания хрома. В этом случае так же происходит снижение ударной вязкости стали, но при этом стойкость против межкристаллитной коррозии возрастает.

Закалка аустенитных хромоникелевых сталей.

Углерод в составе аустенитных хромоникелевых нержавеющих сталей без добавок титана и ниобия влияет на температуру закалки стали. При закалке требуется произвести нагрев стали выше температуры растворения карбидов хрома, последующее быстрое охлаждение предназначено фиксировать однородность твердого раствора. Таким образом при увеличении содержания углерода требуется большая температура нагрева под закалку. В целом интервал температуры нагрева при закалке аустенитных хромоникелевых нержавеющих сталей составляет от 900 до 1100 ºС.

Длительная выдержка аустенитных хромоникелевых нержавеющих сталей при достижении температуры закалки не требуется. Для листовой нержавеющей стали общее время нагрева до 1000-1050 ºС и выдержки составляет 1-3 минуты на 1 мм толщины листа.

А вот охлаждение должно быть быстрым. Для аустенитных хромоникелевых нержавеющих сталей с содержанием углерода более 0,03 %, относящихся к "нестабилизированным" применяют охлаждение в воде. Нержавеющие стали с меньшим содержанием углерода и имеющие небольшие сечения можно охлаждать на воздухе.

Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т применение, свойства.

Сталь 12Х18Н10Т отличный пример хромоникелевой аустенитной нержавеющей стали, широко применяемой при производстве сварных конструкций. Она может работать в контакте с азотной кислотой и другими сильными окислителями; в некоторых органических кислотах средней концентрации, органических растворителях, атмосферных условиях и т.д. Это емкости, теплообменники, а так же сварные конструкций в криогенной технике (до —269 °С).

Примеры использования нержавеющей стали 12Х18Н10Т:

  • прокат кованый круглый, квадратный, шестигранный
  • лист толстый;
  • лист тонкий;
  • лента холоднокатаная;
  • трубы бесшовные горячедеформированные;
  • трубы бесшовные холодно- и теплодеформированные;
  • проволока;
  • профили стальные фасонные.

Коррозионная стойкость нержавеющей стали 12Х18Н10Т против межкристаллитной коррозии определяется при испытании по методам AM и АМУ ГОСТ 6032-89 с продолжительностью выдержки в контрольном растворе соответственно 24 и 8 ч. Испытания проводят после провоцирующего нагрева при 650 °С в течение 1 ч.

При непрерывной работе нержавеющая сталь 12Х18Н10Т устойчива против окисления на воздухе и в атмосфере продуктов сгорания топлива при температуре до 900 °С. Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т обладает достаточно высокой жаростойкостью при температурах 600-800 °С.

Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т обладая хорошей технологичностью может подвергаться значительным пластическим деформациями. Температурный интервал обработки нержавеющей стали 12Х18Н10Т давлением составляет 1180-850 °С, скорость нагрева и охлаждения не лимитируется. В холодном состоянии допускают высокие степени пластической деформации.

Сварка нержавеющей стали 12Х18Н10Т

Основной проблемой при сварке аустенитных нержавеющих сталей является прокаливание, которое вызывает в них структурные изменения, приводящие к снижению стойкости против межкристаллитной коррозии.

Для снижения подобных рисков в состав хромоникелевых нержавеющих сталей вводят титан или ниобий. Легированные титаном нержавеющие стали хорошо свариваются, при условии исключения последующей термообработки.

Хромоникелевая нержавеющая сталь 12Х18Н10Т хорошо сваривается всеми видами ручной и автоматической сварки. Электросварку можно производить контактной сваркой, сваркой неплавящимся вольфрамовым электродом в защитной среде аргона, полуавтоматической сваркой в защитной среде из смеси аргона с углекислым газом, сваркой отдельными, покрытыми электронами.

Для обычной автоматической сварки под флюсами АН-26, АН-18 и аргонодуговой сварки используют специальную проволоку для сварки "нержавейки", например Св-08Х19Н10Б, Св-04Х22Н10БТ, Св-05Х20Н9ФБС и Св-06Х21Н7БТ.

Для ручной сварки нержавеющей стали используют электроды для "нержавейки" типа ЭА-1Ф2 марок ГЛ-2, ЦЛ-2Б2, ЭА-606/11 с проволокой Св-05Х19Н9ФЗС2, Св-08Х19Н9Ф2С2 и Св-05Х19Н9ФЗС2. Это обеспечивает стойкость шва против межкристаллитной коррозии. Сварочные электроды для "нержавейки" обычно короче, чем электроды для обычной стали, так как их электрическое сопротивление выше.

Так же возможно сваривание деталей из нержавеющей стали и обычной стали, но в этом случае необходимо использовать т.н. "переходные" электроды. В этом случае требуется, чтобы металл сварочного шва был из нержавейки, поэтому и используются переходные электроды, содержащие повышенное содержание легирующих элементов.

Особую маркировку имеют сварочные электроды, предназначенные для сварки нержавеющей стали, предназначенной для использования в пищевой промышленности. Применение правильных сварочных материалов обеспечивает сохранность высоких коррозионных свойств как против общей, так и межкристаллитной коррозии.

Приглашаем к сотрудничеству

www.mpoltd.ru

4.2. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали

Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуру эвтектоидной и эвтектической реакции и влияют на растворимость углерода в аустените. Некоторые легирующие элементы способны так же, как и железо, взаимодействовать с углеродом, образуя карбиды, а так же взаимодействовать друг с другом или с железом, образуя промежуточные фазы – интерметаллиды.

Принято температуры равновесных превращений, совершающихся в железе в сталях в твердом состоянии, обозначать буквой А с соответствующим индексом. Температуры фазового равновесия указаны на диаграмме состояния Fe-Fe3C, поэтому обозначения связаны с линиями этой диаграммы.

Эвтектоидную температуру (линия PSK) обозначают А1, температуру ??? линииGS– А3, температуру полиморфного превращенияFeFe(линияNI) А4, температуру линииSE– Асm. Равновесные температуры А3и А4для чистого железа равны соответственно 911 и 13920С. В интервале указанных температур устойчива модификацияFeс решеткой ГЦК.

По влиянию на температуры полиморфных превращений А3и А4легирующие элементы можно разбить на две группыВ первую группу входят элементы группы никеля, которые понижают температуру А3и повышают температуру А4. К ним относятсяNi,Mn,Co,Cu.

В сплавах железа с никелем, марганцем и кобальтом - область «открывается», т.е. в определенном интервале температур существуют твердые растворы с ГЦК решеткой. При этом температура А3при определенной концентрации легирующего элемента понижается ниже нуля. На рис. 4.1. показан участок диаграммыFe– легирующий элемент с открытой- областью. В сплавах с концентрацией легирующего элемента, равной или превышающей точкуb, ГЦК решетка устойчива при температуре 20-250С; такие сплавы называют аустенитными сталями. Таким образом, аустенитом называют не только твердый раствор углерода вFe, но и любые твердые растворы на основеFe.

Рис 4.1 Схема состояния “железо- легирующий элемент группы никеля”

Рис. 4.2 Схема диаграммы состояния “железо

— легирующий элемент группы хрома”

а) замкнутой -областью

б) с промежуточной фазой

Во вторую группу входят элементы группы хрома, которые повышают температуру А3и понижают температуру А4. В этом случае температурный интервал устойчивости аустенита уменьшается и, соответственно, расширяется температурный интервал устойчивостиFe. Таких легирующих элементов большинство:Cr,Mo,W,V,Si,Tiи др.

Все перечисленные элементы образуют с железом диаграмму с «замкнутой» - областью (рис. 4.2). Концентрация, соответствующая точке с, для хрома составляет 12%.

Из перечисленных элементов, дающих замкнутую - область, только хром и ванадий не образуют с железом промежуточных фаз, и поэтому- область «открывается». Остальные легирующие элементы, замыкающие область, образуют с железом промежуточные фазы, поэтому при определенных концентрациях на диаграммах появляется линия, ограничивающая растворимость, правее которой расположены двухфазные области (рис. 4,2, б).

Однофазные сплавы с ОЦК решеткой, устойчивой при всех температурах вплоть до солидуса, называют ферритными сталями. Таким образом, ферритом называют не только твердый раствор углерода в Fe, но и любые твердые растворы на основеFe.

По отношению к углероду легирующие элементы разделяют на:

не образующие карбиды, которые, в свою очередь, подразделяются на графитизирующие – кремний, алюминий, медь; и нейтральные – кобальт и никель

карбидообразующие – марганец, хром, молибден, вольфрам, ниобий, ванадий, цирконий и титан (элементы перечислены в порядке возрастания их карбидообразующей способности).

При введении в сталь карбидообразующего элемента в небольшом количестве (десятые доли; для несильных карбидообразователей - 12%) образование карбида этого элемента чаще не происходит. В этом случае атомы легирующего элемента частично замещают атомы железа в решетке цементита; образуется легированный цементит, мало отличающийся по свойствам от обычного цементита.

Процесс взаимодействия легирующего элемента с фазами стали (ферритом и цементитом) можно представить протекающим в следующей последовательности: вначале происходит взаимодействие с карбидной фазой, в результате которого образуется легированный цементит либо специальные карбиды. Неизрасходованная часть легирующего элемента растворится в феррите (железе). Если легирующий элемент карбидов не образует, то он целиком растворится в железосодержащей (ферритной) фазе и оказывает влияние на полиморфные превращения железа.

Легирующие элементы существенно влияют на концентрацию углерода в эвтектоиде (перлите) и максимальную растворимость углерода в аустените (точки Sи Е диаграммы). Такие элементы, как никель, кобальт, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, сдвигают точкиSи Е влево, т.е. в сторону меньших концентраций углерода. Очевидно, что в присутствии этих легирующих элементов ледебурит в структуре сплава появится при меньших концентрациях углерода, чем в нелегированных железоуглеродистых сплавах. Например, в стали с 1011%Crледебурит появляется в структуре при содержании углерода около 1%. В связи с этим легированные стали, содержащие ледебурит, классифицируют как ледебуритные.

Рассмотрим, какой будет структура различных легированных сталей в равновесном состоянии с учетом указанных закономерностей.

Пример 1. Сталь 30ХГСА содержит небольшие количества (около 1% карбидообразующих элементов – хрома и марганца – и не образующий карбидов кремний). Часть хрома и марганца израсходуется на легирование цементита, а остальная часть этих элементов и кремний пойдут на легирование феррита. В связи с изменением состава феррита и цементита изменяется состав эвтектоида в сторону меньших концентраций углерода, следовательно, в структуре стали 30ХГСА количество перлита увеличивается по сравнению со сталью 30.

Пример 2. Сталь шарикоподшипниковая ШХ15 содержит большое количество углерода (0,951,05%) и небольшое количество хрома (1,301,65%). Поскольку хром является активным карбидообразователем, он весь израсходуется на легирование цементита и образование собственных карбидов. Кроме того, он снижает содержание углерода в эвтектоиде. Поэтому структура стали в этом состоянии будет содержать перлит и повышенное количество карбидов хрома и легированного цементита.

Пример 3. Сталь нержавеющая 08Х13 содержит более 0,08% углерода и 1214% хрома. Поскольку содержание углерода невелико, то расход хрома на образование карбидов будет незначительным. Поэтому практически весь хром израсходуется на легирование феррита. А поскольку хром при концентрации около 12% замыкает область аустенита, то сталь 08Х13 будет иметь ферритную структуру при всех температурах, вплоть до плавления.

Пример 4. Сталь шарикоподшипниковая 95Х18 содержит около 1% углерода и 1719% хрома. Ввиду большого содержания хрома меньшая часть его израсходуется на образование карбидов, а большаяна легирование феррита. Поэтому структура этой стали будет состоять из легированного феррита и большого количества карбидов хрома и железа, а точнееиз перлита и карбидов. Поскольку хром сдвигает точкиSи Е диаграммы влево, и поскольку содержание его велико, то в структуре литой стали появится ледебуритная эвтектика, т.е. это сталь ледебуритного класса.

Пример 5. Сталь 12Х18Н10Т содержит не более 0,12% углерода, 1719%, хрома, 911% никеля, 0,65% титана. Поскольку титан является более сильным карбидообразователем, чем хром, то в первую очередь будут образовываться карбиды титана, а хром и никель будут легировать феррит. При совместном легировании стали хрома и никеля, которые противоположно воздействуют на полиморфизм железа, влияние никеля проявляется сильнее, поэтому сталь будет иметь аустенитную структуру с небольшим количеством карбидов.

Пример 6. Сталь 110Г13Л (сталь Гатфильда) содержит 0,91,3% углерода и 11,514,5% марганца. Часть марганца израсходуется на легирование цементита, а большая частьна легирование феррита. Поскольку марганец является элементом, расширяющим область существования аустенита и его содержание достаточно велико, то равновесная структура стали будет состоять из аустенита и легированного марганцем цементита.

При определении структуры легированных сталей следует учитывать следующие закономерности:

1. В зависимости от содержания углерода и легирующих элементов, легированные стали по структуре в равновесном состоянии могут быть отнесены к одному из классов: перлитному, ферритному, аустенитному, ледебуритному (карбидному).

2. Прежде чем рассматривать влияние легирующего элемента на полиморфные превращения железа, необходимо определить отношение этого легирующего элемента к углероду. Элементы, расширяющие область аустенита, имеют решетку ГЦК, т.е. изоморфную решетке аустенита. И наоборот, элементы с решеткой ОЦК, изоморфные решетке феррита, расширяют область. Если же легирующий элемент является карбидообразующим, то при кристаллизации образуется сложная кристаллическая решетка, отличающаяся от ОЦК и ГЦК решетки, т.е. если легирующий элемент образует карбид, то его влияние на полиморфизм проявляться не будет.

3. Большинство легированных сталей относятся к перлитному классу, в основном это низколегированные стали с любым количеством углерода.

4. Стали аустенитного класса могут содержать любое количество углерода, но обязательно присутствие никеля (не менее 67%) или другого элемента группы никеля.

5. В сталях ферритного класса должен присутствовать хром в количестве не менее 12% при низком содержании углерода (до 0,1%). С увеличением количество углерода для образования ферритной структуры содержание хрома должно быть тоже увеличено.

При совместном легировании хромом и никелем, которые противоположно действуют на полиформизм железа, влияние никеля проявляется сильнее приблизительно в 2,5 раза.

6. Стали ледебуритного (или карбидного) класса это среднеили высоколегированные стали с содержанием углерода более 0,8%.

studfiles.net

Влияние химических элементов на свойства сталей повышенной прочности феррито-перлитного класса

Влиянию элементов на свойства феррита (или железа) посвящено много работ, причем большой вклад внесли отечественные исследователи. Не рассматривая подробно эти работы, можно сделать следующее заключение: все легирующие элементы, изменяя параметр решетки железа, повышают его прочностные свойства, незначительно изменяют характеристики пластичности (за исключением элементов, образующих растворы внедрения) и обычно понижают ударную вязкость (за исключением никеля).

Азот, растворенный в феррите, оказывает исключительно сильное отрицательное влияние на хладостойкость низколегированных сталей. Это связано с тем, что внедряясь в феррит, азот упрочняет сталь, т.е. сильно возрастает величина σ0 в выражении; хорошо известно, что сегрегации атомов азота (облака) блокируют движение дислокаций, увеличивая k; сегрегации азота располагаются по плоскости, снижая y, и способствуют разрушению сколом, реализующемуся в кристаллах с ОЦК-решеткой именно по плоскостям. Наконец, азот сегрегирует к границам зерен, также увеличивая к и снижая y. Поэтому одна из основных задач раскисления и легирования стали — ослабление отрицательного действия свободного азота и возможно полное удаление этого элемента из твердого раствора.

Марганец, кремний, хром, никель, медь являются наиболее распространенными элементами в низколегированных сталях. При содержании углерода до 0,2 % рассматриваемые элементы преимущественно находятся в твердом растворе (за исключением хрома, образующего частично карбид, и меди, которая при содержании равном или менее 0,7% вызывает дисперсионное твердение), обусловливая повышение прочностных характеристик. Из рассматриваемых элементов кремний и марганец наиболее сильно упрочняют сталь.

Присутствие марганца в количестве 1,1-1,5% в стали с 0,15% С сопровождается повышением предела текучести с 310 до 390 Н/мм2. Степень упрочнения от легирования кремнием практически такая же: 1 % Si повышает предел текучести на 79 Н/мм2. Раздельное легирование стали хромом, никелем и медью оказывает небольшое влияние на предел текучести: 2 % Ni повышают его с 280 до 340 Н/мм2, 1 % Cu — на 40 Н/мм2. Упрочняющее влияние хрома усиливается с повышением содержания углерода или при комплексном легировании. Явление дисперсионного твердения, связанное с изменением растворимости меди в феррите, вызывает повышение прочностных и снижение пластических и вязких свойств. Эффект дисперсионного твердения обычно возрастает с уменьшением содержания в стали углерода и несколько снижается в присутствии элементов, образующих растворы с медью (марганца, никеля, кремния). Легирование медьсодержащих сталей вторым элементом обязательно, так как медь в количестве равном или менее 0,3 % приводит к красноломкости; такое влияние меди нейтрализуется введением никеля в соотношении не более 1 : 2.

По-иному влияют легирующие элементы на ударную вязкость при минусовых температурах и на условные пороги хладноломкости. Имеющиеся в литературе несоответствия по этим характеристикам можно объяснить повышенной чувствительностью этих характеристик к многим факторам (условиям выплавки и способу раскисления стали, исходной структуре и прочности, методике испытания и др.).

Рассматриваемые легирующие элементы по-разному влияют на хладостойкость низколегированных сталей. Положительное влияние никеля на переходную температуру подтверждается следующими данными для стали с 0,09% С (числитель — без никеля, знаменатель 2,0% Ni): KCU (Дж/см2) при температуре +20° С составляет 171/163; при -45° С — 16/118 и при -74° С — 0,7/9,8. Положительная роль никеля обычно связывается с ослаблением под действием этого элемента блокировки дислокаций сегрегациями азота.

Большинство работ, проведенных в последние годы, показывают, что марганец до 1,5-2,0% (в зависимости от углерода) повышает сопротивление стали и железа хрупкому разрушению. Однако легирование стали большим количеством марганца сопровождается образованием промежуточных структур с соответствующим ухудшением хладостойкости стали.

Вредное влияние кремния на условные пороги хладноломкости начинает проявляться при содержании более 0,8% (особенно более 1,1 %). В меньших количествах кремний снижает ударную вязкость и мало влияет на порог хладноломкости.

Подробнее остановимся на физической природе воздействия марганца в низколегированных малоуглеродистых сталях.

Марганец эффективно упрочняет твердый раствор из-за значительных различий атомных диаметров. Также следует заметить, что легирование марганцем приводит к измельчению зерен феррита и участков перлита.

При пластическом деформировании марганец увеличивает склонность к образованию ячеистой структуры, что способствует увеличению вязкости разрушения и хладостойкости. Марганец снижает степень блокировки движения дислокаций сегрегациями азота и уменьшает склонность к охрупчиванию при деформационном старении, поскольку задерживает выделение нитридов, в целом этот элемент приводит к снижению k. Кроме того, марганец вызывает перераспределение карбидов от границ внутрь зерен, что ведет к увеличению y при разрушении.

Марганец повышает низкотемпературную пластичность железа и понижает температуру вязкохрупкого перехода, морфологию карбидной фазы, одновременно увеличивает максимальные значения ударной вязкости.

При разработке марок марганцовистых сталей следует обращать внимание на допустимое верхнее содержание этого элемента, поскольку при превышении определенного предела в структуре появляются продукты промежуточного распада, резко снижающие ударную вязкость проката. По мнению авторов, в низколегированных строительных сталях содержание марганца не должно превышать 1,6%. В последнее время в связи с дефицитностью этого элемента особое внимание уделяется разработке сталей повышенной прочности с содержанием марганца, не превышающим 1,0%.

Еще Э. Гудремон отмечал, что в марганцовистых строительных сталях, применяемых непосредственно после горячей прокатки или нормализации, наблюдается строчечная или полосчатая структура из-за известной склонности марганца к ликвации. Причинами образования полосчатой структуры Э. Гудремон считал наличие сегрегации марганца и фосфора, а также полосчатое распределение сульфидов марганца и оксидов. Массовые строительные стали являются марганцовистыми, поэтому полосчатость структуры в этих материалах воспринимается как данность. Вместе с тем она имеет определенное отрицательное влияние на вязкость стали: работа разрушения в вязком состоянии понижается на 20...30 Дж из-за стеснения развития пластических деформаций в феррите; снижаются механические свойства при нагружении поперек направления прокатки. Полосчатая структура может быть устранена гомогенизирующим диффузионным отжигом при 1200° С или легированием определенного типа, описанным ниже. К отрицательным свойствам марганца также можно отнести склонность к образованию дискообразных сульфидов марганца, в определенных условиях сильно снижающих энергоемкость разрушения проката.

Кремний как легирующий элемент в ряде случаев может оказывать и положительное влияние на ударную вязкость стали, в том числе и при низких температурах. Кремний затрудняет возникновение промежуточных структур в прокате. В низколегированных сталях с кремнием ослаблена феррито-перлитная полосчатость. Наконец, поскольку у этого элемента сродство к азоту и углероду ниже, чем у железа, при охлаждении стали он способствует формированию в аустените дисперсной нитридной фазы алюминия, вытесняя азот из твердого раствора, что способствует измельчению зерна в стали и очистке твердого раствора от азота. Эти свойства кремния обусловили создание новых низколегированных сталей, описанных ниже.

Молибден и бор. Раздельное легирование этими элементами мало сказывается на прочностных и вязких свойствах малоуглеродистой стали с 0,09% С, 0,42% Mn, 0,25% Si для нормализованных прутков.

Комплексное легирование молибденом (≥0,20 %) и бором (≥0,0016 %) сопровождается образованием бейнитной структуры. Горячекатаные стали с основой легирования 0,2 % Мо + 0,005 % В были созданы, но не нашли широкого применения из-за низкой вязкости.

По данным работы, молибден, как и хром, оказывает небольшое влияние на порог хладноломкости железа.

Ванадий, ниобий, титан. Влиянию микролегирования этими элементами на свойства строительных сталей посвящен ряд серьезных монографий. Здесь приведены некоторые данные авторов, иллюстрирующие суть вопроса. Растворение в феррите этих элементов вызывает интенсивное упрочнение последнего, однако это сопровождается резким падением его пластичности и вязкости. В то же время эти элементы, измельчая структуру благодаря дисперсионному твердению, обеспечивают получение у стали хорошего комплекса механических свойств.

Титан измельчает структуру (балл 10-11) и повышает механические свойства стали.

Карбидная или нитридная (карбонитридная) фаза рассматриваемых элементов при нагреве может остаться нерастворенной или перейти в аустенит. Растворение карбида ванадия завершается при 950° С, а нитрида — при 1100° С. Карбонитрид ниобия и карбид титана начинают переходить в аустенит при 900° С, а завершается этот процесс только при 1300° С. Нитрид титана практически не растворим в аустените при нагреве до 1350° С. С повышением температуры нагрева и переводом большего количества карбидной или нитридной фазы в твердый раствор происходит заметное увеличение прочности.

Измельчению структуры и дисперсионному твердению способствуют нитриды и карбонитриды рассматриваемых элементов, в первую очередь, нитриды ванадия. Указанные процессы оказывают противоположное влияние на хладостойкость низколегированных сталей: дисперсионное твердение ухудшает, а измельчение структуры улучшает это свойство, поэтому суммарный эффект будет зависеть от их соотношения.

В ниобийсодержащей стали нормализация с 950° С вызывает измельчение зерна, переходная температура составляет около —30° С. Нагрев до 1250° С приводит к росту и огрублению зерна, значительному дисперсионному твердению и повышению переходной температуры.

Установлено, что содержание ванадия и титана в строительных сталях следует ограничивать.

С увеличением количества нитридов алюминия в низколегированной стали измельчается зерно феррита, и это приводит к повышению предела текучести. Считается, что для получения хорошего сочетания прочностных и вязких свойств содержание нитрида алюминия должно быть 0,03-0,08 %, что обеспечивает получение зерна в пределах 0,007-0,01 мм.

Как было показано выше, размер зерна является наиболее важной характеристикой, улучшающей ударную вязкость и хладостойкость стали. Поэтому мелкозернистая сталь с нитридами алюминия обладает низким порогом хладноломкости.

www.uniexo.ru

Влияние основных легирующих элементов на свойства нержавеющих сталей

Хром (Cr) :

- является основным элементом стали , определяющей её стойкость к окислению (коррозии), хром резко повышает коррозионную стойкость стали при увеличении его в сплаве выше 12,5%, начиная с этой концентрации на поверхности образуется плотная оксидная плёнка Cr2O3(хром собственно и делает сталь нержавеющей, например стали 20Х13, 30Х13, 40Х13 и т.п)- при содержании хрома в стали 12---14% теплопроводность стали в 2 раза меньше чистого железа, а электроопротивление возрастает в 3 раза- обеспечивает повышенную прочность при повышенных температурах, добавка хрома повышает твёрдость и прочность стали, не снижая её пластичности- снижает ударную вязкость стали

Никель (Ni) :

- основная функция никеля - стабилизация аустенитной структуры стали, такая структура является особо прочной и эластичной.(минимальное количество никеля способное стабилизировать аустенитную структуру - 8%, именно столько никеля находится в наиболее распространённой импортной стали AISI 304 )- наличие в стали от 8-10% никеля обеспечивает ей хорошую пластичность и хорошие формовочные свойства- улучшает свариваемость стали и дополнительно увеличивает сопротивление стали  к окислению (коррозии) в районе сварного шва - никель увеличивает жаропрочность стали (в особенности по отношению к устойчивости к деформации)- благодаря никелю нержавеющая сталь лучше полируется и более устойчива к царапинам, чем обычные стали(шлифованные и зеркальные поверхности )

Молибден (Mo) :

- повышает сопротивление стали к окислению (коррозии) при высоких температурах, снижает стойкость сталей к точечной (питтинговой) коррозии- увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение- обеспечивает дополнительное термическое упрочнение

Титан (Ti) :

- повышает прочность стали- титан добавляют в нержавеющие стали  для предотвращения межкристаллитной коррозии 

Углерод (C) :

- при увеличении углерода до 0,8% растёт твёрдость и прочность стали, однако приводит к увеличению порога хладноломкости(например стали 40Х13 и 95Х18 используются для производства ножей)- чем больше в стали углерода, то она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется и хуже сваривается(так наиболее распространённые в продаже импортные стали 300-ой серии AISI304/321/316 имеют в своём составе 0,8% углерода, что даёт им большую область применения по сравнению с отечественной сталью 12х18н10т) )

almaznpf.ru

Доклад - Влияние хрома, никеля, кремния и алюминия на жаростойкость сталей

2 Влияние хрома, никеля, кремния и алюминия на жаростойкость сталей

Под жаростойкостью (окалиностойкостью) сталей и сплавов принято понимать стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 5500С и работающие в ненагруженном и слабонагруженном состоянии.

Жаростойкие стали применяются в паровых котлах, газотурбинных установках, авиационных двигателях, печах и печных конвейерах – всюду, где температура может составлять 400–14000C. Самой важной характеристикой таких сталей является сопротивление ползучести при высоких температурах. Важное значение имеет также сопротивление окислению (окалиностойкость). Жаростойкие сплавы предназначены для использования в машиностроении, самолетостроении, ракетостроении, теплоэнергетики, металлургии и многих других отраслей промышленности.

В металлургии жаростойкую сталь используют для изготовления тиглей для соляных и металлических ванн. Эти тигли изнутри подвергаются действию расплава, а снаружи – окалинообразованию при нагреве. Кроме того, из этой стали изготовляют изделия, подвергающиеся в процессе эксплуатации воздействию металла или солей.

Жаропрочные сплавы должны быть и жаростойкими, в противном случае они быстро «сгорают», т.е. превращаются в окалину из-за быстрого окисления и детали их них выходят из строя. Наоборот, жаростойкие сплавы не всегда бывают жаропрочными. Например, жаростойкие высокобериллиевые и алюминиевые бронзы не относятся к числу жаропрочных медных сплавов; то же можно сказать относительно высокохромистых железных и никелевых жаростойких сплавов типа фехраль, нихром и др.

Жаростойкость характеризует сопротивление металла окислению при высоких температурах.

Как происходит окисление? Начальная стадия окисления стали – чисто химический процесс. Но дальнейшее течение окисления – уже сложный процесс, заключающийся не только в химическом соединении кислорода и металла, но и в диффузии атомов кислорода и металла через многофазный окисленный слой. При плотной оксидной пленке скорость нарастания окалины определяется скоростью диффузии атомов сквозь толщину окалины, что в свою очередь зависит от температуры и строения оксидной пленки.

С повышением температуры скорость окисления возрастает (рисунок 1) и резко при 5700С, когда вместо плотных оксидов типа Fe2 O3 и Fe3 O4 образуется рыхлый оксид FeO. Особенно низкое сопротивление окислению имеют тугоплавкие металлы и их жаропрочные сплавы, предназначенные для работы при температурах выше 1100 – 12000С. Исключение составляют жаропрочные сплавы хрома с рабочими температурами 700 – 11500С и выше, однако они имеют другие существенные недостатки.

Рисунок 4 – Влияние температуры на скорость окисления железа

Проблема защиты жаропрочных сплавов от окисления решается несколькими путями.

Основной из них заключается в легировании элементами, которые благоприятным образом изменяют состав и строение окалины. Так, в результате внедрения в сталь соответствующих количеств хрома, алюминия или кремния, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, в процессе окисления на поверхности образуются плотные окислы Cr2 O3 , Al2 O3 или SiO2, диффузия сквозь которые проходит с трудом. Образовавшаяся тонкая пленка из этих оксидов затрудняет процесс дальнейшего окисления.

Чем выше содержание хрома, алюминия или кремния в стали и тем выше может быть рабочая температура.

Более эффективен и другой путь в случае тугоплавких металлов и их жаропрочных сплавов – нанесение специальных защитных покрытий, поскольку истинно жаростойкие сплавы тугоплавких металлов, как правило, не жаропрочны, отличаются повышенной хрупкостью и не поддаются обработке давлением.

Взаимосвязь между важнейшими свойствами жаропрочных сплавов на основе тугоплавких металлов можно иллюстрировать наглядной схемой (рисунок 2).

Рисунок 5 – Взаимосвязь между важнейшими свойствами сплавов

тугоплавких металлов

Один и тот же сплав не может одновременно сочетать в себе такие противоречивые характеристики, как высокая жаропрочность, сопротивление окислению и технологичность (например, деформируемость при обработке давлением). Например, сплав 1 обладает хорошим сопротивлением окислению, но маложаропрочен и плохо деформируется; наоборот, сплав 2 отличается высокой жаропрчностью, удовлетворительной деформируемостью, но имеет низкую жаростойкость и т.д.

Легирующие элементы в сплавах могут быть по отношению к кислороду либо более благородными, либо менее благородными, чем железо. При действии кислорода расплав обогащается вследствие окисления железа элементами первой группы; наоборот, элементы второй группы преимущественно сами окисляются и тем самым предохраняют железо от окисления. Такое влияние легирующих элементов сохраняется в сплавах и в твердом состоянии.

При окислении твердых растворов железа, содержащих элементы, окисляющиеся легче железа, можно наблюдать обогащение окалины соответствующими элементами, если имеется достаточно времени для протекания диффузии. Если нагревать железохромистые, железоалюминиевые, железокремнистые сплавы в окислительной атмосфере на высокие температуры таким образом, чтобы окисление происходило не слишком быстро и чтобы легирующие элементы могли диффундировать по объему сплава, то можно установить обогащение слоя окалины хромом, алюминием, кремнием. В результате диффузии при соответствующих условиях окисления может образоваться защитный слой окислов, как это видно из таблицы 2.

Таблица 2 – Состав окалины на окалиностойких сплавах при нагревании их на воздухе

Состав сплавов, % Температу-ра нагрева 0С Анализ окалины
Cr Al Ni

23,7

10

20

30 – 40

7,5

-

-

-

-

90

80

70 – 60

1200

1000

1000

1000

84,5% Al2 O3; 3,4% Cr2 O3; 2% Fe2 O3

~ 10% Cr2 O3; ~ 90% NiO; немного NiOCr2 O3

~ 80% Cr2 O3; ~ 20% NiO; немного NiOCr2 O3

< 90% Cr2 O3; > 10% NiO; немного NiOCr2 O3

Защитные покрытия для тугоплавких металлов и их жаропрочных сплавов должны удовлетворять целому ряду требований, поэтому проблема защиты этих материалов от окисления является одной из важнейших.

В таблице 3 приведены составы сталей и сплавов, применяемых как жаростойкие. Предельная температура эксплуатации указана в таблице и показывает температуру, выше которой сплав не должен нагреваться при работе во избежание быстрого окисления. Поскольку повышение предельной температуры эксплуатации создается за счет дорогого легирования, то следует точно определять температурные условия работы металла и выбирать по справочным данным жаростойкий сплав.

Таблица 3 – Составы и применение некоторых жаростойких сталей

(ГОСТ 5632 – 72)

Марка стали

Ока-лино-стой-кость

Содержание элементов, % Прочие

При-меча-

ние

С Si Mn Cr Ni

12Х17

15Х25Т

12Х18Н9

10Х23Н18

12Х25Н16Г7АР

ХН32Т

ХН45Ю

ХН78Т

15Х25ТЛ

30Х24Н12СЛ

15Х25Н19С2Л

900

1050

850

1050

1100

1100

1300

1150

1050

1050

1150

0,12

0,15

0,12

0,10

0,12

0,05

0,1

0,12

0,1-0,2

0,4

0,2

0,8

1

2

1

1

0,7

1

0,8

0,5-1,2

0,5-1,5

2-3

0,8

0,8

2

2

7

0,7

1

0,7

0,5-0,8

0,3-0,8

0,5-1,5

16-18

24-27

17-19

22-25

23-26

19-22

15-17

19-22

28-27

22-26

23-27

-

8-10

17-20

15-18

30-34

44-46

Основы

-

11-13

18-20

Ti 5C – 0,9

-

-

0,3 – 0,45 Ni

0,01 В

0,25 – 0,6 Ti

2,9 – 3,9 Al

0,15 – 0,35 Ti

0,15 Al

0,4 – 0,8 Ti

-

-

Лист, пруток

Лист, пруток,

трубы

То же

Лист, пруток

То же

Лист, пруток,

трубы

То же

Лист, пруток

Литые детали

То же

То же

Примечание. Основа всех сплавов – железо, кроме сплава ХН78Т, основа которого никель (< 6 % Fe).

Процессы, протекающие при образовании окалины в легированной стали, можно пояснить с помощью схем (рисунок 6).

При сравнительно низких температурах степень легирования не оказывает сильного влияния на окалиностойкость, и потери с окалиной описываются кривой

рисунок 6a. Только при повышенных температурах, при достаточной диффузии элементов, можно ожидать образования защитного слоя. Во времени (рисунок 6б) прежде всего образуется богатая железо начальная окалина, в которую диффундирует легирующий элемент и образует собственный окисел (точка с). При этом легирующий элемент в ряде случаев даже восстанавливает железо из начальной окалины. В дальнейшем процесс образования окалины происходит по кривой b. Процесс на отрезке а’ – с часто протекает настолько быстро или даже при более низких температурах, что этот участок не всегда заметен. Переход от a к b происходит не в одной точке, а некотором интервале температур. При высоких температурах скорость окисления может оказаться столь высокой, что диффузия легирующих элементов будет недостаточной для поддержания защитного слоя в окалине. Переход d, происходящий в некотором интервале температур, часто связан с местными нарушениями сплошности защитного слоя. Нарушение сплошности защитного слоя может происходить из-за механического растрескивания, если увеличения слоя окалины не соответствует уменьшению слоя металла. В области с образуется защитный слой и эта область перекрывает область d, в которой при большей продолжительности нагревания образуются «розочки». При дальнейшем повышении степени легирования наступает полная окалиностойкость.

Рисунок 6 – Образование окалины:a – железистая трехслойная окалина;

а’ – железистая начальная окалина; b – бедный железом защитный слой из окисла легирующего элемента; с – возникновение защитного слоя из начальной окалины; d – усиленная местная окалина (образование розочек).

При многократном повторении процесса окисления сплав постепенно обедняется легирующими элементами. Окалиностойкость может уменьшаться.

Влияние хрома. Хром – как легирующий элемент, обеспечивающий высокую жаростойкость.

При рабочей температуре 9000С для достаточной окалиностойкости сплав должен содержать не менее 10% Cr, а при рабочей температуре 11000С – не менее 20-25% Cr. При более высоком содержании хрома следует учитывать образование двухфазной области из окислов NiO и Cr2 O3, а в окалиностойких сплавах – образование стабильной и плотной шпинельной фазы , в которой процессы диффузионного обмена протекают очень медленно.

Важно, что окалиностойкость, столь существенно зависящая от состава стали или сплава, не зависит от его структуры, т.е. это свойство структурно нечувствительное.

Данные рисунка 7 отражают образование окалины на хромистой стали. При 30% Cr и 12000С, например, наблюдается такая же окалиностойкость, как при 9 – 10% Cr и 9000С.

Рисунок 7 – Влияние хрома на образование окалины на воздухе

при температурах от 900 до 12000С, продолжительность нагрева 220 ч

Эта связь между температурой и содержанием хрома справедлива для окислительной среды; при менее агрессивных средах и при более низких температурах для создания полной окалиностойкости оказываются достаточными более низкие содержания хрома.

Стали с 1,7% Сr, ввиду высокого содержания хрома стали типа Х17, можно применять и как жаростойкие (окалиностойкие) при рабочих температурах не выше 900°С.

В хромистых сталях повышение длительной прочности достигается при легировании титаном, цирконием, танталом.

Влияние никеля. Жаростойкие никелевые сплавы обладают повышенным сопротивлением окислению на воздухе при 850 – 11000С и предназначаются для изготовления газопроводов, камер сгорания, форсажных камер и других узлов и деталей авиационных двигателей и установок. По химическому составу эти сплавы, за редким исключением, представляют собой малоуглеродистые Ni – Cr, Ni – Cr – Fe или Ni – Cr – W – Fe – твердые растворы, легированные Si, Al, Ti и др.

Имея в основном структуру твердых растворов, жаростойкие никелевые сплавы мало упрочняются термической обработкой и, следовательно, обладают сравнительно невысокими показателями прочности и жаропрочности. Жаростойкие никелевые сплавы имеют повышенное удельное электрическое сопротивление, поэтому некоторые из них (Х15Н60, Х20Н80 и др.) используют в качестве элементов сопротивления лабораторных и промышленных нагревательных печей, работающих при температурах до 11000С. Такие никелевые сплавы, как ХН60Ю, ХН78Т и др. способны воспринимать упрочняющую термическую обработку. Иногда жаростойкие никелевые стали содержат небольшие добавки церия и бария. Эти сплавы более долговечны.

Исследование жаростойкости различных нихромов (Х10Н90, Х20Н80, Х30Н70, Х40Н60, Х50Н50) показали, что наибольшей жаростойкостью обладают сплавы Х30Н70 и Х20Н80, на которых образуются защитные окисные пленки типа шпинели.

К сплавам на никелевой основе относятся сплавы, содержащие не менее 50 % Ni, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в никеле (содержание железа не более 6–8 %).

Никель редко применяется в чистом виде, но его сплав с хромом и молибденом широко используется для высокотемпературных деталей и элементов конструкций. Такой сплав характеризуется высоким сопротивлением ползучести и высокой коррозионной стойкостью в диапазоне температуры от 800 до 11000C. Типичное применение хромомолибденовых сплавов никеля – лопатки турбин и другие высокотемпературные компоненты.

Влияние кремния. Кремний может образовывать окалиностойкие слои кремневой кислоты или силикатов железа.

Своеобразный часто наблюдающийся ход температурной зависимости окалинообразования кремнистой стали (рисунок 8) обусловлен некоторой пористостью защитного слоя, которая уменьшается при повышении температуры.

Рисунок 8 – Температурная зависимость при образовании окалины

в кремнистой стали при окислении на воздухе, продолжительность нагрева 12 ч

При более низкой температуре для образования защитного слоя требуется больше времени. Выше 800 – 9000С наступает усиленная потеря веса вследствие образования окислов железа.

Основная роль кремния в улучшении жаростойкости связана с формированием на границе металл окалина подслоя Fe2 SiO4 или SiO2. Последний термодинамически весьма стабилен и при его образовании снижается скорость контролируемой стадии окисления, какой является диффузия катионов металла через пленку окислов.

Силицирование применяют для деталей, работающих при повышенных температурах. Температура 1100-12000С. Глубина слоя достигает 0,8 мм, но продолжительность около суток. Если испытать газовую фазу, то в качестве газовой фазы используют Sih5 — моносилан.

Силицирование чаще проводят одновременно с насыщением детали Al, этот процесс называют алюмосилицированием. В результате на поверхности образуется FeAl интерметаллидная фаза и Al2 O3, FeAl2 O4. Это позволяет дополнительно повысить жаростойкость детали.

Влияние алюминия. Алюминий повышает жаростойкость.

Стали, содержащие алюминий в пределах 3-6% имеют при 800о С высокую жаростойкость, тогда как при 900о С все испытанные стали, независимо от концентрации алюминия, обладают пониженной стойкостью. Стали без алюминия и содержащие менее 3% алюминия при 900о С окисляются с очень большой неконтролируемой скоростью, что не позволило получить для них количественной оценки жаростойкости.

Учитывая ограниченные возможности легирования стали алюминием повышение жаростойкости стали достигнуто введением алюминия в меньших (допустимых пределах при одновременном повышении содержания кремния до 1,6-1,9%. Значение алюминия в повышении окалиностойкости проявляется в изменении защитных свойств окислов других элементов, входящих в состав стадии. Замещена часть трехвалентных ионов железа или марганца в окисле типа шпинели, алюминий снижает его проницаемость. Наиболее эффективно влияние алюминия на снижение скорости высокотемпературного окисления, когда он образует собственный окисел Al2 O3, обладающий высокими защитными свойствами. Выводы: определение жаростойкости показало, что от высокотемпературного окисления хорошо защищают сталь хромирование (до 800—9000С) и алитирование (вплоть до 10000С). Металлографические исследования показали, что при температурах 500—6000С алитированные и хромированные слои хорошо сохраняются. Однако при повышении рабочей температуры наблюдается утонение слоев, а затем и разрушение их. В местах разрушения слоя происходит интенсивное выгорание углерода с поверхностных слоев металла.

Механизмы защитного действия оксидных пленок, образующихся на металлических покрытиях и на жаростойких сплавах, аналогичны, поэтому при выборе состава жаростойких покрытий можно учитывать достаточно подробно разработанные принципы легирования стали. Для повышения окалиностойкости

в сталь добавляют легирующие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. Такими элементами чаще всего являются хром, алюминий, кремний, которые образуют на поверхности при нагреве тонкую, плотную пленку окислов, надежно защищающую металл от дальнейшего окисления. Жаростойкость практически не зависит от структуры металла, а определяется химическим составом. Увеличение процентного содержания хрома, алюминия, никеля или кремния, образующих плотные окислы Cr2 О3, A12 О3, NiO, SiО2, обусловливает повышение жаростойкости и уровня рабочих температур. Лучшие результаты обычно получают при комбинированном легировании.

Литература

1 Ощепков Б.В., Решетников С. А., Чуманов И. В. Конструкция и проектирование электропечей. «Учебное пособие» – Челябинск, 1995 г. – 51 с.

2 Егоров А. В. Расчет мощности и параметров электроплавильных печей. – Москва, 2000 г. – 120 с.

3 Гуляев А.П. Металловедение. – Москва: «Металлургия», 1986 г. – 544 с.

4 Захаров М.В., Захаров А.М. Жаропрочные сплавы. – Москва: «Металлургия», 1972 г. – 384 с.

5 Гудремон Э. Специальные стали. – Москва: «Металлургия», 1966 г. –

736 с.

6 www. krugosvet. ru

7 www. naukaspt.ru/spravochniki

8 www.hardprom.ru

www.ronl.ru

Влияние хрома, никеля, кремния и алюминия на жаростойкость сталей

         2 Влияние хрома, никеля, кремния и алюминия на жаростойкость сталей         Под жаростойкостью (окалиностойкостью) сталей и сплавов принято понимать стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 5500С и работающие в ненагруженном и слабонагруженном состоянии.

         Жаростойкие стали применяются в паровых котлах, газотурбинных установках, авиационных двигателях, печах и печных конвейерах – всюду, где температура может составлять 400–14000C. Самой важной характеристикой таких сталей является сопротивление ползучести при высоких температурах. Важное значение имеет также сопротивление окислению (окалиностойкость).        Жаростойкие сплавы предназначены для использования в машиностроении,  самолетостроении, ракетостроении, теплоэнергетики, металлургии и многих других отраслей промышленности.

         В металлургии жаростойкую сталь используют для изготовления тиглей для соляных и металлических ванн. Эти тигли изнутри подвергаются действию расплава, а снаружи – окалинообразованию при нагреве. Кроме того, из этой стали изготовляют изделия, подвергающиеся в процессе эксплуатации воздействию металла или солей.

         Жаропрочные сплавы должны быть и жаростойкими, в противном случае они быстро «сгорают», т.е. превращаются в окалину из-за быстрого окисления и детали их них выходят из строя. Наоборот, жаростойкие сплавы не всегда бывают жаропрочными. Например, жаростойкие высокобериллиевые и алюминиевые бронзы не относятся к числу жаропрочных медных сплавов; то же можно сказать относительно высокохромистых железных и никелевых жаростойких сплавов типа фехраль, нихром и др.

         Жаростойкость характеризует сопротивление металла окислению при высоких температурах.

         Как происходит окисление? Начальная стадия окисления стали – чисто химический процесс. Но дальнейшее течение окисления – уже сложный процесс, заключающийся не только в химическом  соединении кислорода и металла, но и в диффузии атомов кислорода и металла через многофазный окисленный слой. При плотной оксидной пленке скорость нарастания окалины определяется скоростью диффузии атомов сквозь толщину окалины, что в свою очередь зависит от температуры и строения оксидной пленки.

         С повышением температуры скорость окисления возрастает (рисунок 1) и резко при 5700С, когда вместо плотных оксидов типа Fe2O3 и Fe3O4 образуется рыхлый оксид FeO. Особенно низкое сопротивление окислению имеют тугоплавкие металлы и их жаропрочные сплавы, предназначенные для работы при температурах выше 1100 – 12000С. Исключение составляют жаропрочные сплавы хрома с рабочими температурами 700 – 11500С и выше, однако они имеют другие существенные недостатки.Рисунок 4 – Влияние температуры на скорость окисления железа         Проблема защиты жаропрочных сплавов от окисления решается несколькими путями.

         Основной из них заключается в легировании элементами, которые благоприятным образом изменяют состав и строение окалины. Так, в результате внедрения в сталь соответствующих количеств хрома, алюминия или кремния, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, в процессе окисления на поверхности образуются плотные окислы Cr2O3 , Al2O3 или SiO2 , диффузия сквозь которые проходит с трудом. Образовавшаяся тонкая пленка из этих оксидов затрудняет процесс дальнейшего окисления.

         Чем выше содержание хрома, алюминия или кремния в стали и тем выше может быть рабочая температура.

         Более эффективен и другой путь в случае тугоплавких металлов и их жаропрочных сплавов – нанесение специальных защитных покрытий, поскольку истинно жаростойкие сплавы  тугоплавких металлов, как правило, не жаропрочны, отличаются повышенной хрупкостью и не поддаются обработке давлением.

         Взаимосвязь между важнейшими свойствами жаропрочных сплавов на основе тугоплавких металлов можно иллюстрировать наглядной схемой (рисунок 2).

Рисунок 5 – Взаимосвязь между важнейшими свойствами сплавов

тугоплавких металлов

         Один и тот же сплав не может одновременно сочетать в себе такие противоречивые характеристики, как высокая жаропрочность, сопротивление окислению и технологичность (например, деформируемость при обработке давлением). Например, сплав 1 обладает хорошим сопротивлением окислению, но маложаропрочен и плохо деформируется; наоборот, сплав 2 отличается высокой жаропрчностью, удовлетворительной деформируемостью, но имеет низкую жаростойкость и т.д.

         Легирующие элементы в сплавах могут быть по отношению к кислороду либо более благородными, либо менее благородными, чем железо. При действии кислорода расплав обогащается вследствие окисления железа элементами первой группы; наоборот, элементы второй группы преимущественно сами окисляются и тем самым предохраняют железо от окисления. Такое влияние легирующих элементов сохраняется в сплавах и в твердом состоянии.

         При окислении твердых растворов железа, содержащих элементы, окисляющиеся легче железа, можно наблюдать обогащение окалины соответствующими элементами, если имеется достаточно времени для протекания диффузии. Если нагревать железохромистые, железоалюминиевые, железокремнистые сплавы в окислительной атмосфере на высокие температуры таким образом, чтобы окисление происходило не слишком быстро и чтобы легирующие элементы могли диффундировать по объему сплава, то можно установить обогащение слоя окалины хромом, алюминием, кремнием. В результате диффузии при соответствующих условиях окисления может образоваться защитный слой окислов, как это видно из таблицы 2. Таблица 2 – Состав окалины на окалиностойких сплавах при нагревании их на воздухе

Состав сплавов, % Температу-ра нагрева 0С Анализ окалины
Cr Al Ni
23,7

10

20

30 – 40

7,5

-

-

-

-

90

80

70 – 60

1200

1000

1000

1000

84,5% Al2O3; 3,4% Cr2O3; 2% Fe2O3

10% Cr2O3; ~ 90% NiO; немного NiO Cr2O3

80% Cr2O3; ~ 20% NiO; немного NiO Cr2O3

< 90% Cr2O3; > 10% NiO; немного NiO Cr2O3

         Защитные покрытия для тугоплавких металлов и их жаропрочных сплавов должны удовлетворять целому ряду требований, поэтому проблема защиты этих материалов от окисления является одной из важнейших.

         В таблице 3 приведены составы сталей и сплавов, применяемых как жаростойкие. Предельная температура эксплуатации указана в таблице и показывает температуру, выше которой сплав не должен нагреваться при работе во избежание быстрого окисления. Поскольку повышение предельной температуры эксплуатации создается за счет дорогого легирования, то следует точно определять температурные условия работы металла и выбирать по справочным данным жаростойкий сплав.Таблица 3 – Составы и применение некоторых жаростойких сталей

(ГОСТ 5632 – 72)

         Марка стали Ока-лино-стой-кость

Содержание элементов, % Прочие При-меча-

ние

С Si Mn Cr Ni
12Х1715Х25Т12Х18Н9

10Х23Н1812Х25Н16Г7АРХН32ТХН45ЮХН78Т15Х25ТЛ30Х24Н12СЛ15Х25Н19С2Л

9001050850

10501100110013001150105010501150

0,120,150,12

0,100,120,050,10,120,1-0,2

0,40,2

0,812

110,710,80,5-1,2

0,5-1,5

2-3

0,80,82

270,710,70,5-0,8

0,3-0,8

0,5-1,5

16-1824-2717-19

22-2523-2619-2215-1719-2228-2722-2623-27

-- 8-10

17-2015-1830-3444-46Основы-11-1318-20

Ti 5C – 0,9-

-0,3 – 0,45 Ni

0,01 В

0,25 – 0,6 Ti2,9 – 3,9 Al

0,15 – 0,35 Ti

0,15 Al

0,4 – 0,8 Ti

--

Лист, пруток

Лист, пруток,

трубы

То же

Лист, пруток

То жеЛист, пруток,

трубы

То жеЛист, прутокЛитые детали

То жеТо же

          Примечание. Основа всех сплавов – железо, кроме сплава ХН78Т, основа которого никель (< 6 % Fe).

         Процессы, протекающие при образовании окалины в легированной стали, можно пояснить с помощью схем (рисунок 6).

          При сравнительно низких температурах  степень легирования не  оказывает сильного влияния на окалиностойкость, и потери с окалиной описываются кривой

 рисунок 6a . Только при повышенных температурах, при достаточной диффузии элементов, можно ожидать образования защитного слоя. Во времени (рисунок 6б) прежде всего образуется богатая железо начальная окалина, в которую диффундирует легирующий элемент и образует собственный окисел (точка с). При этом легирующий элемент в ряде случаев даже восстанавливает железо из начальной окалины. В дальнейшем процесс образования окалины происходит по кривой b. Процесс на отрезке а’ – с часто протекает настолько быстро или даже при более низких температурах, что этот участок не всегда заметен. Переход от a к b происходит не в одной точке, а некотором интервале температур. При высоких температурах скорость окисления может оказаться столь высокой, что диффузия легирующих элементов будет недостаточной для поддержания защитного слоя в окалине. Переход d, происходящий в некотором интервале температур, часто связан с местными нарушениями сплошности защитного слоя. Нарушение сплошности защитного слоя может происходить из-за механического растрескивания, если увеличения слоя окалины не соответствует уменьшению слоя металла. В области с образуется защитный слой и эта область перекрывает область d, в которой при большей продолжительности нагревания образуются «розочки». При дальнейшем повышении степени легирования наступает полная окалиностойкость.

        

  Рисунок 6 – Образование окалины: a – железистая трехслойная окалина;

                      а’ –  железистая начальная окалина; b – бедный железом                                        защитный слой из окисла легирующего элемента; с –                                             возникновение защитного слоя из начальной окалины; d –                                     усиленная местная окалина (образование розочек).          При многократном повторении процесса окисления сплав постепенно обедняется легирующими элементами. Окалиностойкость может уменьшаться.

          Влияние хрома. Хром – как легирующий элемент, обеспечивающий высокую жаростойкость.

          При рабочей температуре 9000С для достаточной окалиностойкости сплав должен содержать не менее 10% Cr, а при рабочей температуре 11000С – не менее 20-25% Cr. При более высоком содержании хрома следует учитывать образование двухфазной области из окислов NiO и Cr2O3 , а в окалиностойких сплавах – образование стабильной и плотной шпинельной фазы , в которой процессы диффузионного обмена протекают очень медленно.

          Важно, что окалиностойкость, столь существенно зависящая от состава стали или сплава, не зависит от его структуры, т.е. это свойство структурно нечувствительное.

          Данные рисунка 7 отражают образование окалины на хромистой стали. При 30% Cr и 12000С, например, наблюдается такая же окалиностойкость, как при 9 – 10% Cr и 9000С.

Рисунок 7 – Влияние хрома на образование окалины на воздухе

при температурах от 900 до 12000С, продолжительность нагрева 220 ч          Эта связь между температурой и содержанием хрома справедлива для окислительной среды; при менее агрессивных средах и при более низких температурах для создания полной окалиностойкости оказываются достаточными более низкие содержания хрома.

         Стали с 1,7% Сr, ввиду высокого содержания хрома стали типа Х17, можно применять и как жаростойкие (окалиностойкие) при рабочих температурах не выше 900°С.

          В хромистых сталях повышение длительной прочности достигается при легировании титаном, цирконием, танталом.

          Влияние никеля. Жаростойкие никелевые сплавы обладают повышенным сопротивлением окислению на воздухе при 850 – 11000С и предназначаются для изготовления газопроводов, камер сгорания, форсажных камер и других узлов и деталей авиационных двигателей и установок. По химическому составу эти сплавы, за редким исключением, представляют собой малоуглеродистые Ni – Cr, Ni – Cr – Fe или Ni – Cr – W – Fe – твердые растворы, легированные Si, Al, Ti и др.

          Имея в основном структуру твердых растворов, жаростойкие никелевые сплавы мало упрочняются термической обработкой и, следовательно, обладают сравнительно невысокими показателями прочности и жаропрочности. Жаростойкие никелевые сплавы имеют повышенное удельное электрическое сопротивление, поэтому некоторые из них (Х15Н60, Х20Н80 и др.) используют в качестве элементов сопротивления лабораторных и промышленных нагревательных печей, работающих при температурах до 11000С. Такие никелевые сплавы, как ХН60Ю, ХН78Т и др. способны воспринимать упрочняющую термическую обработку. Иногда жаростойкие никелевые стали содержат небольшие добавки церия и бария. Эти сплавы более долговечны.

          Исследование жаростойкости различных нихромов (Х10Н90, Х20Н80, Х30Н70, Х40Н60, Х50Н50) показали, что наибольшей жаростойкостью обладают сплавы Х30Н70 и Х20Н80, на которых образуются защитные окисные пленки типа шпинели.

          К сплавам на никелевой основе относятся сплавы, содержащие не менее 50 % Ni, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в никеле (содержание железа не более 6–8 %).

          Никель редко применяется в чистом виде, но его сплав с хромом и молибденом широко используется для высокотемпературных деталей и элементов конструкций. Такой сплав характеризуется высоким сопротивлением ползучести и высокой коррозионной стойкостью в диапазоне температуры от 800 до 11000C. Типичное применение хромомолибденовых сплавов никеля – лопатки турбин и другие высокотемпературные компоненты.

          Влияние кремния. Кремний может образовывать окалиностойкие слои кремневой кислоты или силикатов железа.

          Своеобразный часто наблюдающийся ход температурной зависимости окалинообразования кремнистой стали (рисунок 8) обусловлен некоторой пористостью защитного слоя, которая уменьшается при повышении температуры. 

 

Рисунок 8 – Температурная зависимость при образовании окалины

в кремнистой стали при окислении на воздухе, продолжительность нагрева 12 ч          При более низкой температуре для образования защитного слоя требуется больше времени. Выше 800 – 9000С наступает усиленная потеря веса вследствие образования окислов железа.

          Основная роль кремния в улучшении жаростойкости связана с формированием на границе металл окалина подслоя Fe2SiO4 или SiO2. Последний термодинамически весьма стабилен и при его образовании снижается скорость контролируемой стадии окисления, какой является диффузия катионов металла через пленку окислов.

         Силицирование применяют для деталей, работающих при повышенных температурах. Температура 1100-12000С. Глубина слоя достигает 0,8 мм, но продолжительность около суток. Если испытать газовую фазу, то в качестве газовой фазы используют Sih5 - моносилан.

         Силицирование чаще проводят одновременно с насыщением детали Al, этот процесс называют алюмосилицированием. В результате на поверхности образуется FeAl интерметаллидная фаза и Al2O3, FeAl2O4. Это позволяет дополнительно повысить жаростойкость детали.

         Влияние алюминия. Алюминий повышает жаростойкость.

         Стали, содержащие алюминий в пределах 3-6% имеют при 800оС высокую жаростойкость, тогда как при 900оС все испытанные стали, независимо от концентрации алюминия, обладают пониженной стойкостью. Стали без алюминия и содержащие менее 3% алюминия при 900оС окисляются с очень большой неконтролируемой скоростью, что не позволило получить для них количественной оценки жаростойкости.

         Учитывая ограниченные возможности легирования стали алюминием повышение жаростойкости стали достигнуто введением алюминия в меньших (допустимых пределах при одновременном повышении содержания кремния до 1,6-1,9%.         Значение алюминия в повышении окалиностойкости проявляется в изменении защитных свойств окислов других элементов, входящих в состав стадии. Замещена часть трехвалентных ионов железа или марганца в окисле типа шпинели, алюминий снижает его проницаемость. Наиболее эффективно влияние алюминия на снижение скорости высокотемпературного окисления, когда он образует собственный окисел Al2O3, обладающий высокими защитными свойствами.         Выводы: определение жаростойкости показало, что от высокотемпературного окисления хорошо защищают сталь хромирование (до 800—9000С) и алитирование (вплоть до 10000С). Металлографические исследования показали, что при температурах 500—6000С алитированные и хромированные слои хорошо сохраняются. Однако при повышении рабочей температуры наблюдается утонение слоев, а затем и разрушение их. В местах разрушения слоя происходит интенсивное выгорание углерода с поверхностных слоев металла.

         Механизмы защитного действия оксидных пленок, образующихся на металлических покрытиях и на жаростойких сплавах, аналогичны, поэтому при выборе состава жаростойких покрытий можно учитывать достаточно подробно разработанные принципы легирования стали. Для повышения окалиностойкости в сталь добавляют легирующие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. Такими элементами чаще всего являются хром, алюминий, кремний, которые образуют на поверхности при нагреве тонкую, плотную пленку окислов, надежно защищающую металл от дальнейшего окисления. Жаростойкость практически не зависит от структуры металла, а определяется химическим составом. Увеличение процентного содержания хрома, алюминия, никеля или кремния, образующих плотные окислы Cr2О3, A12О3, NiO, SiО2, обусловливает повышение жаростойкости и уровня рабочих температур. Лучшие результаты обычно получают при комбинированном легировании.

                               Литература         1 Ощепков Б.В., Решетников С. А., Чуманов И. В. Конструкция и проектирование  электропечей. «Учебное пособие» – Челябинск, 1995 г. – 51 с.

         2 Егоров А. В. Расчет мощности и параметров электроплавильных печей. – Москва, 2000 г. – 120 с.

         3 Гуляев А.П. Металловедение. – Москва: «Металлургия», 1986 г. – 544 с.

         4 Захаров М.В., Захаров А.М. Жаропрочные сплавы. – Москва: «Металлургия», 1972 г. – 384 с.

         5 Гудремон Э. Специальные стали. – Москва: «Металлургия», 1966 г. –

736 с.         

         6 www. krugosvet. ru

         7 www. naukaspt.ru/spravochniki

         8 www.hardprom.ru

                  

en.coolreferat.com