Жароупорные стали и сплавы
Под жароупорностью понимают комплекс свойств, охватывающий жаростойкость (окалиностойкость) — сопротивление металла окислению и жаропрочность — сопротивление металла механическим нагрузкам при высоких температурах.
ГОСТ 5622—51 предусмотрены основные марки и составы жароупорных сталей.
К жаростойким сталям относятся стали сильхромовой группы (Si, Cr), обеспечивающие жаростойкость до 850—900°С (Х6С, Х9С2). Жаростойкими до 1000—1100°C являются стали Х25 и чугун Х28 и Х34.
Большой интерес представляют жаропрочные стали, которые одновременно и жаростойки.
На рис. 58 представлена схема изменения прочности стали при разных температурах. По мере нагрева прочность стали сначала несколько повышается, затем снижается и при температуре — 350°С кривая прочности раздваивается. Верхняя кривая характеризует результаты быстрых испытаний, а нижняя — результаты медленных испытаний. Это значит, что при температурах более 350° С на прочность стали оказывает влияние фактор -времени, а именно, чем медленнее испытание, тем меньшее напряжение требуется для разрушения металла при данной температуре. Нижняя кривая характеризует напряжение, ниже которого металл практически перестает быть чувствительным к фактору времени.
В процессе медленного испытания одновременно происходит деформация, которая сначала протекает медленно с постоянной скоростью (ползучесть). При достижении определенной степени деформации дальнейшая деформация происходит ускоренно и металл разрушается. В связи с таким характером разрушения для жаропрочных сталей в настоящее время руководствуются двумя характеристиками: пределом ползучести и длительной прочностью.
Предел ползучести (оп) — напряжение, вызывающее заданную скорость деформации при данной температуре, например 0,1% за 1000 час. (обозначение оп 0,1/1000).
Длительная прочность (од) — напряжение, вызывающее разрушение при данной температуре за данное количество часов, например, за 300 час. (обозначение од 300).
Для работы в интервале 350—500° С применяют ферритные и перлитные стали, которые в отличие от жаропрочных часто называют теплоустойчивыми (котлы, клапаны двигателей внутреннего сгорания, установки для крекингования и т. п.).
В стали для котлостроения добавляют около 0,5% Mo, например 15ХМ (0,1—0,2% С, 1% Cr). Для клапанов автомобиля применяют сильхром, например СХ12 (0,4-0,5% С, 10—12% Cr, 3,4—3,7% Si). Углерод придает прочность и износостойкость, а хром и кремний — жаростойкость и жаропрочность. К жаропрочным при 450—550° С относятся стали типа Х6СМ, 10ХЮС2М и др.
Для работы в интервале температур 550—650° С применяют аустенитные стали на основе хрома, никеля с присадкой карбидообразующих элементов (вольфрама, титана, молибдена). К этой группе относится сталь ЭИ69 (Х14Н14В2) с содержанием 0,4— 0,5% С и ЭИ257 с содержанием углерода до 0,2%. Сталь ЭИ69 при различных температурах имеет следующие показатели, кг/мм2:
Аустенитные жаропрочные стали подвергают термообработке. При нагреве под закалку карбиды растворяются в аустените. После закалки производят искусственное старение при 500— 650°С для выделения карбидов в весьма дисперсном состоянии, что значительно повышает твердость и прочность стали. Если сталь предназначена для работы не на длительную прочность (до нескольких сот часов), а на ползучесть (на годы), то искусственное старение проводить не требуется, так как оно произойдет в процессе эксплуатации.
К жаропрочным сталям относят также и нержавеющие хромоникелевые стали (см. ниже), которые не только жаропрочны до 650° С, но и жароустойчивы до 1100° С.
Для работы в условиях температур 650—800° С (например, лопатки турбин реактивных двигателей) применяют нежелезистые сплавы. К этим сплавам относят, например, нимоник (0,1% С, 20% Cr, 3% Ti, 1,0% Al, остальное Ni) и витталиум (0,25% С, 27% Cr, 3% Ni, 5% Mo, остальное Co).
Длительная прочность, кг/мм2, в течение 100 час. при разных температурах для этих сплавов следующая:
