Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 [ 27 ] 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

только иметь большее химическое сродство к кислороду, а его количество и диффузионная подвижность должны обеспечить образование оксида на всей окисляемой поверхности. Сам оксид легирующего элемента должен быть плотным, не растрескиваться, иметь малую электрическую проводимость, но высокие температуры сублимации и плавления, не образовывать легкоплавких эвтек-тик и собственных фаз.

Высокая жаростойкость высоколегированных сталей и сплавов на основе переходных металлов связана с образованием двойных оксидов АО-АзОз, которые имеют кристаллическую решетку типа шпинели (см. п. 1.3). В узлах решетки расположены ионы кислорода; ионы двух- и трехвалентного металлов, имеющие меньший ионный радиус, занимают межузельные поры. Переменный состав оксида объясняется наличием вакантных межузельных пор, по которым и идет диффузия ионов металлов. Высокие защитные свойства двойных оксидов связывают с большой плотностью упаковки и малым параметром кристаллической решетки. Ионы легирующего элемента частично или полностью заменяют ионы металла. Такая замена уменьшает коэффициент диффузии и электрическую проводимость, тем самым улучшая защитные свойства оксида.

Жаростойкость промышленных алюминиевых сплавов, за исключением сплавов с магнием АМгЗ, АМгб, практически такая же хорошая, как у чистого алюминия, так как химическое сродство к кислороду алюминия больше, чем элементов Си, Zn, Si, Мп, входящих в эти сплавы. Некоторое ухудшение жаростойкости в сплавах, структура которых неоднофазная, вызвано неоднородностью оксида AI2O3 по составу и толщине. Алюминиевые сплавы типа АМг, содержащие магний, уступают чистому алюминию, так как в этих сплавах магний образует на внешней поверхности собственный рыхлый оксид MgO.

Жаростойкость магния удается повысить легированием. Небольшие добавки бериллия (0,02-0,05%) улучшают жаростойкость и устраняют самовозгорание при технологической обработке. Сплавы магния с Мп, Zn и А1 также более жаростойкие, чем магний.

Жаростойкость промышленных

медных сплавов-латуней и бронз-выше жаростойкости чистой меди. Легирующие элементы в медных сплавах-элементы четвертой группы (см. табл. 14.4) имеют большее химическое сродство к кислороду, чем медь, и при достаточном их количестве образуют при нагреве собственные оксиды, обладающие лучшими защитными свойствами, чем оксид CujO. Сплавы меди с Be, Al, Мп отличаются высокой жаростойкостью; несколько уступают им сплавы с Zn, Sn, Si.

Титановые сплавы поглощают кислород более активно, чем иодидный титан, поэтому защитные оксиды на поверхности не образуются, и жаростойкость титана при легировании не улучшается ни для а-сплавов, ни для (а -- Р)-сплавов. Повысить жаростойкость удается лишь применением жаростойких покрытий.

Жаростойкость железа и стали можно повысить легированием хромом, алюминием и кремнием. Наибольшее распространение при объемном и поверхностном легировании железа и сталей получил хром, содержание которого доходит до 30%. С увеличением содержания хрома в стали, а также с ростом температуры, выдержки и уменьшением парциального давления окислителя содержание хрома в оксиде растет. Легированные оксиды железа заменяются оксидами хрома, что ведет к повышению жаростойкости. Низко-углеродистая сталь при большом содержании хрома приобретает однофазную ферритную структуру. В процессе длительной работы при высоких температурах кристаллы феррита растут, что сопровождается понижением сопротивления ударным нагрузкам-снижается ударная вязкость. Для предотвращения такого охрупчивания сталь дополнительно легируют карбидообразующими элементами (например, титаном). Карбиды затрудняют рост зерна феррита. Химический состав и свойства жаростойких сталей приведены в табл. 14.5.



ТАБЛИЦА 14.5. Свойства жаростойких сталей и сплавов

Марка

Массовая доля элементов*, %

Механические свойства

Ов, МПа

5, %

08X17Т

0,08

16-18

0,4-0,8

15Х25Т

0,15

24-27

0,75-0,8

20Х23Н18

22-25

17-20

20Х25Н20С2

24-27

18-21

• По ГОСТ 5632-

-72.

Следует отметить, что стали 08X17Т и 15Х25Т ферритного класса (в структуре преобладает феррит) нежаропрочны, поэтому их используют в изделиях, которые не испытывают больших нагрузок, особенно ударных. Свойства сталей приведены для отожженного состояния. Сплавы 20Х23Н18 и 20Х25Н20С2 аустенитного класса не только жаростойки, но и жаропрочны. Свойства их даны для закаленного состояния. Области применения жаростойких сталей и сплавов указаны в табл. 14.6.

В сталях содержание алюминия и кремния в отличие от хрома ограничено, так как эти элементы охрупчивают сталь и ухудшают технологические свойства при обработке давлением. Этот недостаток можно исключить, если их вводить совместно с хромом или использовать при поверхностном леги-

ровании. Жаростойкие стали Х13Ю4 и Х23Ю5Т, легированные хромом и алюминием, так же как и сплав Х20Н80, используют как материалы с повышенным электрическим сопротивлением (см. п. 17.1).

Низкая жаростойкость тугоплавких металлов Мо, W, Та, Nb создает большие затруднения при использовании их в качестве жаропрочных материалов. Применение вакуума и защитных сред при технологической обработке и экс-плуатащ1и тугоплавких металлов вызывает в некоторых случаях большие технические трудности. Объемное легирование тугоплавких металлов не приводит к повьш1ению жаростойкости, хотя для повышения жаропрочности оно может быть эффективным. Высокой жаростойкости можно добиться, используя жаростойкие тугоплавкие покрытия.

ТАБЛИЦА 14.6. Жаростойкие стали и сплавы, применяемые в электропечах

Марка

Рабочая температура, °С

Назначение

Полуфабрикат (ГОСТ)

Х13Ю4

900-950

Электронагреватели печей

Проволока (ГОСТ 12766.1-77)

Х23Ю5Т

1350-1400

Лента (ГОСТ 12766.2-77)

Х20Н80

1050-1100

15Х25Т

800-1000

Малонагруженные детали печей

Листы (ГОСТ 5582-85)

20Х23Н18

800-1000

Муфели, направляющие, детали вентиляторов, конвейеров и рольгангов печей

Сортовой прокат (ГОСТ 5949-75)

20Х25Н20С2

950-1050

Муфели, ролики рольгангов, подовые плиты и другие детали печей, работающие в уг-леродосодержащей среде

То же



14.3. Жаропрочные материалы

Критерии жаропрочности материалов.

Жаропрочностью называется способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при повьппенных температурах.

Жаропрочность важна при выборе материала, когда рабочие температуры деталей превышают 0,3 Т. Многие детали современных паросиловых установок, металлургических печей, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин и других машин нагреваются до высоких температур и несут большие нагрузки. Условия работы деталей весьма разнообразны; решающее значение при выборе материала имеют температура, длительность работы под нагрузкой и величина напряжений. Например, паросиловые установки работают сотни тысяч часов, а ракетные двигатели-всего несколько минут. В одних случаях температуры участков деталей очень высоки и близки к температуре плавления сплава, в других-они лишь незначительно вьш1е 0,3 Гпд. При высоких температурах ускоряются диффузионные процессы, изменяются исходная микроструктура и механические свойства материала.

Нагрев ослабляет межатомные связи, при высоких icMiicpaiypax уменьшаются модули упругости, временное сопро-



Рис. 14.12. Зависимость предела текучести

металлов от температуры

/ - А1; 2 - Си; 5 - Ti; 4 - Та; 5 - W

Рис. 14.13. Кривая ползучести:

/ неустановившаяся стадия; - установившаяся

стадия; / - стадия разрушения

тивление, предел текучести, твердость. Чем ниже Тпл основы сплава, тем ниже оказываются его допустимые рабочие температуры (рис. 14.12).

При длительном нагружений при высоких температурах поведение материала определяется диффузионными процессами. Для этих условий характерны процессы ползучести и релаксации напряжений.

Ползучесть представляет собой медленное нарастание пластической деформации под действием напряжений, меньших предела текучести. Типичная зависимость деформации от времени нагружения представлена на рис. 14.13. Кривая ползучести состоит из трех участков, каждый из которых соответствует определенной стадии ползучее!и. Первая стадия так называемой неустановившейся ползучести отличается постепенным затуханием скорости деформации до определенной постоянной величины. Вторая стадия установившейся ползучести характеризуется постоянной скоростью деформации. На третьей стадии скорость деформации нарастает до момента разрушения. Третья стадия ползучести, как правило, непродолжительна и для деталей недопустима, так как в этом случае неминуемо быстрое разрушение.

Относительное развитие каждой стадии зависит от температуры и напряжения. При одном и том же напряжении повьппение температуры испытания со-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 [ 27 ] 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61