ЖАРОСТОЙКИЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Жаростойкость – способность металлов и сплавов сопротивляться окислению и газовой коррозии при высоких температурах. Жаростойкость зависит от многих внешних и внутренних факторов. В основном за жаростойкость отвечают поверхность металла и чистота ее обработки. Полированные поверхности окисляются медленнее, так как оксиды распределены равномерно и более прочно сцеплены с поверхностью металла. Формирующаяся на поверхности оксидная пленка достаточно хорошо защищает металл от дальнейшего окисления в том случае, если она плотная и не пропускает ионы кислорода, хорошо сцеплена с подложкой и не отслаивается при механических испытаниях. К металлам, которые образуют такие пленки, относятся хром и алюминий. Оксидные пленки типа шпинели Cr₂O₃ и Al₂O₃ хорошо защищают от окисления при высоких температурах. Если на поверхности образуется рыхлый оксид, как у магния, то он не стоек и не защищает металл от дальнейшего окисления.

Повышение жаростойкости достигается легированием элементами (хром, алюминий, кремний), образующими на поверхности непроницаемые для ионов основного металла и кислорода оксидные пленки. Также для этих целей используются защитные покрытия, состав которых выбирается с учетом условий работы изделия и состава агрессивной среды. Структура жаростойкого материала должна быть однородной и однофазной (чистые металлы, твердые растворы).

Термическая обработка меняет строение сплавов и, следовательно, их коррозионную стойкость. Отжиг и нормализация приводят к формированию однофазной структуры и способствуют увеличению жаростойкости материала.

Пластическая деформация ухудшает жаростойкость, так как приводит к появлению градиента напряжений в структуре металла. Величина зерна для жаростойкого материала не существенна, поэтому эта характеристика является структурно нечувствительной.

Жаростойкость стали зависит от ее состава и в меньшей степени от ее структуры. В связи с этим жаростойкость ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова. Введение в сталь 5 – 8 % Cr повышает окалиностойкость до 700 – 750 ^оС; увеличение содержания Сr до 15 – 17 % делает сталь окалиностойкой до 950 – 1000 ^оС, а при введении 25 % Сr сталь остается окалиностойкой до 1100 ^оС. Легирование сталей с 25% Сr алюминием в количестве 5 % повышает жаростойкость до 1300 ^оС.

Нержавеющие стали можно разделить на два основных класса: хромистые, имеющие после охлаждения на воздухе ферритную, мартенситно-ферритную (феррита более 10%) или мартенситную структуру, и хромоникелевые, имеющие аустенитную, аустенитно-мартенситную или аустенитно-ферритную (феррита более 10 %) структуру.

Хромистые стали(20Х13, 30Х13, 40Х13 – мартенситного класса, 12Х13 –мартенситно-ферритного класса, 08Х13, 08Х25Т – ферритного класса). При введении в сталь 12 – 14 % Сr ее электрохимический потенциал становится положительным, и она приобретает устойчивость против коррозии в атмосферных условиях, слабых растворах кислот и солей и других агрессивных средах.

Аустенитные стали. Эти стали, обычно легированные 18 %Сr и 9 – 12 % Ni, после охлаждения до комнатной температуры имеют аустенитную структуру, низкий предел текучести, умеренную прочность, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость в окислительных средах. Стали парамагнитны.

Высокие коррозионностойкие свойства стали сообщает хром, пассивируя поверхность. Типичными представителями аустенитных хромоникелевых сталей являются 12Х18Н9 и 17Х18Н9. После медленного охлаждения стали имеют структуру аустенит (g), феррит (a) и карбиды М₂₃С₆. Для получения чисто аустенитной структуры, обладающей высокой коррозионной стойкостью, стали нагревают до 1000 – 1070 ^оС (для растворения карбидов), и закаливают в воде (на воздухе). Механические свойства стали 12Х18Н9 в закаленном состоянии: s_в = 520 – 600 МПа, s_0,2 = 200 – 230 МПа, d = 50% и y = 50 – 60 %. В процессе холодной пластической деформации сталь легко наклепывается. После холодной деформации (60 – 70 %) s_в = 1200 – 1300 МПа, при этом d снижается до 4 – 5 %. Упрочнение в процессе холодной деформации связано с наклепом и мартенситным превращением.

Стали хорошо свариваются точечной сваркой и штампуются. Сталь 12Х18Н10Т получила наибольшее распространение для работы в окислительных средах (например, азотной кислоте).

Коррозионностойкие сплавы на никелевой основе. Сплавы никеля с медью (например, НМЖМц 28–2,5–1,5 (монель-металл)), содержат в среднем 28 % Сu; 2,5 % Fe и 1,5 % Мn; они обладают высокой коррозионной стойкостью на воздухе, в морской и пресной воде, неорганических кислотах и т. д., сравнительно высокой прочностью (s_в = 450 – 650 МПа) и хорошей пластичностью (d = 25 – 30 %). Этот сплав применяют в судостроении, в нефтеобрабатывающей и фармацевтической промышленности. Наиболее высокой коррозионной стойкостью обладают сплавы Ni–Mo, Ni–Cr и Ni–Mo–Cr.

Для изготовления сварных емкостей, работающих при повышенных температурах в соляно-кислых средах, концентрированных растворах серной и фосфорной кислот, применяют никелевый сплав Н70МФ (0,02 % С, 25 – 27 % Мо и 1,4 – 1,7 % V). Механические свойства сплава: s_в ³ 800 МПа, s_0,2 ³ 370 МПа и d ³ 40%.

Никелевые сплавы должны содержать возможно меньше углерода (0,006 - 0,015 %), образующего с молибденом и хромом карбиды. Выделение из g-раствора карбидов обедняет пограничные области молибденом и хромом, что может явиться причиной охрупчивания сплава после сварки.