Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника
Посмотреть оригинал

Жаростойкие стали и сплавы.

Повышение окалиностойкости достигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т. е. элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr, Fe)203, (Al, Fe)203> Введение в сталь 5—8 % Сг повышает окалиностойкость до 700—750 °С; увеличение содержания Сг до 15—17 % делает сталь окалиностойкой до 950—1000 °С, а при введении 25 % Сг сталь остается окалиностойкой до 1100°С. Легирование сталей с 25 % Сг алюминием в количестве 5 % повышает окалиностойкость до 1300 °С. Окалиностойкость зависит от состава стали, а не от ее структуры. В связи с этим окалиностойкость (жаростойкость) ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова.

Для изготовления различного рода высокотемпературных установок, деталей печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные (12X17, 15Х25Т и др.) и аустенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2 и др.) стали, обладающие жаропрочностью (см. с. 300).

Коррозионно-стойкие стали.

Составы сталей, устойчивых к электрохимической коррозии, устанавливают в зависимости от среды, для которой они предназначаются. Эти 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 аустенитноферритную (феррита более 10 %) структуру (ГОСТ 5632—72).

Стали ферритного, мартенситного и мартенситно-ферритного классов. При введении в сталь 12—14 % Сг ее электрохимический потенциал становится положительным и она приобретает

Таблица 10

Химический состав (по легирующим элементам) и механические свойства (средние) некоторых коррозионно-стойких сталей

Содержание основных элементов, %

Механические

свойства

Сталь

С

Сг

N1

Другие

элементы

ао,2

й

Ф

МПа

%

Стали мартенситного класса

20X13

0,16— 0,25

12—14

850

650

15

50

30X13

  • 0,26—
  • 0,35

12—14

950

700

15

50

40X13

  • 0,36—
  • 0,45

12—14

1150

900

12

30

Сталь мартенситно-ферритного класса

12X13

  • 0,09—
  • 0,15

12—14

750

500

20

65

Стали ферритного класса

12X17

0,12

16—18

520

350

30

75

15Х25Т

0,15

24-27

5 С—0,9 Ti

540

40

70

015Х17М2Б

0,015

16,5— 18,5

1,5-2,0 Мо 0,3—0,5 Nb

450

280

30

60

Стали аустенитного класса

12Х18Н9

0,12

17—19

8—10

520

360

30

75

10Х14Г14Н4Т

0,10

13—15

2,5—4,5

5 С—0,6 Ti; 13-15% Ми

620

280

45

60

10Х14АГ15

0,10

13-15

0,15-0,25 N- 14—16% Мп

750

300

45

55

10Х17H13M3T

0,1

16—18

12—14

5 С -0,7 Ti

580

280

40

60

Стали аустенитно-ферритного класса

08Х21Н6М2Т

0,08

20—22

5,5-6,5

1 1,8—2,5 Мо | 0,2—0,4 Ti

750

450

50

55

Стали аустенитно-мартенситного класса

09X15Н8Ю |

0,09 j

14—16

7—9 |

0,7—1,3 А1

1250

1000

20

50

Рис. 163. Структурная диаграмма системы Fe—Сг—С и составы коррозионно- стойких сталей (заштрихованные участки):

I — ферритные; 2 — полуферрнтнае; 3 — ле- дебуритные; 4 — эеэвтектоидные; 5 — доэв-

тектопдные

устойчивость против коррозии В атмосфере, морской (пресной) воде, ряде слабых растворов кислот, солей и щелочей. Более широко применяют хромистые стали 12X13, 20X13, 30X13 и 40X13 (ГОСТ

5632—72), содержащие 0,12—0,4 % С и 12—14 % Сг, и низкоуглеродистые «0,12—0,15/6 С) стали 12X17 и 15X28 с 17 и 28 % Сг (табл. 10).

Структурная диаграмма системы Fe—С—Сг (равновесное состояние) и составы хромистых коррозионно-стойких сталей разных марок приведены на рис. 163. Сталь 12X13 в равновесном состоянии относится к полуферритным, а после закалки в масле или на воздухе с высоких температур имеет структуру мартенсит и феррит (ферритно-мартенситная сталь). Стали 20X13 и 30X13 в равновесном состоянии доэвтектоидные, а сталь 40X13 — за- эвтектоидная. Они испытывают полное у а-иревращение. После охлаждения на воздухе стали 20X13, 30X13 и 40X13 имеют структуру мартенсит, т. е. относятся к мартенситному классу.

Стали обладают лучшей стойкостью против коррозии только при условии, что все содержание хрома в стали приходится на долю твердого раствора. В этом случае он образует на поверхности плотную защитную оксидную пленку типа (Сг, Fe)203. Повышение содержания углерода, приводящее к образованию карбидов, создает двухфазную структуру, уменьшает количество хрома в твердом растворе и поэтому понижает коррозионную стойкость стали и увеличивает хрупкость.

Коррозионная стойкость стали повышается термической обработкой: закалкой и высоким отпуском и созданием шлифованной и полированной поверхности.

Стали 12X13 и 20X13 применяют для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам (клапанов гидравлических прессов, предметов домашнего обихода), а также изделий, испытывающих действие слабоагрессивных сред (атмосферных осадков, водных растворов солей органических кислот и т. д.). Их подвергают закалке в масле от 1000—1100 °С и высокому отпуску при 700—775 °С, после которого карбиды присутствуют в виде более крупных частиц. Применение более низкого отпуска, создающего мелкие карбидные частицы, усиливает коррозию.

Стали 30X13 и 40X13 используют для карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т. д. Эти стали закаливают от 1000—1050 °С в масле и отпускают при 180—200 °С. После такого отпуска они сохраняют мартенситную структуру, высокую твердость (50—60 HRC) и достаточную устойчивость против коррозии. Более высокой коррозионной стойкостью обладают низкоуглеродистые высокохромистые стали ферритного класса: 12X17, 15Х25Т и 15X28 (см. рис. 163). Сталь 12X17 применяют после рекристаллизационного отжига при 760—780 °С. Из этой стали изготовляют оборудование для заводов пищевой и легкой промышленности и кухонную утварь. Сварку этой стали следует избегать, так как зоны, прилегающие к сварному шву, имеют крупное зерно, низкую пластичность и относительно невысокую коррозионную стойкость.

Стали 15Х25Т и 15X28 используют чаще без термической обработки для изготовления сварных деталей, работающих в более агрессивных средах и не подвергающихся действию ударных нагрузок, при температуре эксплуатации не ниже -—20 °С. Эти стали обладают крупнозернистостью в литом виде и склонны к сильному росту зерна при нагреве свыше 850 °С (например, при сварке), что сопровождается охрупчиванием стали. Измельчить зерно и повысить пластичность термической обработки нельзя, так как стали не претерпевают а -? у-превращений; сварные конструкции из стали 15X28 склонны к межкристаллит- ной коррозии. Углерод и азот способствуют охрупчиванию стали (повышают порог хладноломкости) и являются причиной межкристалл итной коррозии.

Этот вид коррозии связан с обеднением твердого раствора хромом в местах, прилегающих к границам зерна, в результате образования карбидов хрома. Для повышения сопротивления меж- кристаллитной коррозии и измельчения зерна сталь легируют титаном в количестве не менее пятикратного содержания углерода (15Х25Т). Титан связывает углерод и исключает возможность образования карбидов хрома, а следовательно, обеднение хромом феррита. Ферритные стали, содержащие 25—30 % Сг, охрупчива- ются при длительном нагреве до 450—500 °С вследствие образования выделений a-фазы (см. рис. 92, б).

В последние годы для сварных конструкций, где сталь должна обладать высокой стойкостью против коррозии под напряжением, применяют суперферриты — ферритные стали с очень низким содержанием углерода (<0,02 %). В СССР выпускается суперферрит— сталь 015Х10М2Б.

Стали аустенитного класса (см. табл. 10). Эги стали, обычно легированные хромом и никелем (или марганцем), после охлаждения до нормальной температуры имеют аустенитную структуру, низкий предел текучести, умеренную прочность, высокую пла-

Псевдобинарная диаграмма состояния Fe— Сг—Ni для разреза 18 % Сг и 8% Ni

Рис. 164. Псевдобинарная диаграмма состояния Fe— Сг—Ni для разреза 18 % Сг и 8% Ni

стичность и хорошую коррозионную стойкость в окислительных средах. Стали парамагнитны.

Представителями коррозионно-стойких сталей аустенитного класса являются стали 12Х18Н9, 17Х18Н9 (см. табл. 10), содержащие соответственно 0,12 и 0,17% С, 17—19% Сг, 8—10 % Ni. После медленного охлаждения стали имеют структуру: аустенит (у), феррит (а) и карбиды хрома М28Св. Для получения чисто аустенитной структуры, обладающей высокой коррозионной стойкостью, стали нагревают выше линии SE (рис. 164), чаще до 1100— 1150 °С (для растворения карбидов), и закаливают в воде (на воздухе). Сталь 12Х18Н9 обычно применяют в виде холоднокатаного листа или ленты. В процессе холодной пластической деформации сталь легко наклепывается. Временное сопротивление после холодной деформации (60—70 % ) может быть повышено до 1200— 1300 МПа, при этом относительное удлинение снижается до 4—5 % . Упрочнение в процессе холодной деформации связано с наклепом и протеканием мартенситного превращения. Чем менее стабилен аустенит, тем интенсивнее при холодной деформации происходит превращение аустенита в мартенсит (мартенсит деформации).

Стали хорошо свариваются точечной сваркой и штампуются. При нагреве закаленных до 550—750 °С сталей, например при сварке, они охрупчиваются и приобретают склонность к меж- кристаллитной коррозии. Это связано с тем, что в пограничных зонах выделяются карбиды хрома М23Св и происходит обеднение этих зон аустенита хромом ниже того предела (т. е. 12 %), который обеспечивает коррозионную стойкость. Для уменьшения склонности к интеркристаллитной коррозии в состав сталей вводят титан (реже ниобий) в количестве (5 С — 0,7), где С — содержание углерода в стали, % (12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т). В этом случае образуется карбид МС (TiC, NbC), связывающий весь углерод, а хром остается в растворе. Для повышения стабильности аустенита количество никеля в этих сталях увеличивают до 10— 12%. Сталь 12Х18Н10Т получила наибольшее распространение для работы в окислительных средах (например, азотной кислоте).

Высокое сопротивление межкристаллнтной коррозии, хорошую пластичность и свариваемость имеют низкоуглеродистые аустенитные стали 04Х18Н10 и 03Х18Н12. Стали с пониженным содержанием углерода устойчивы в азотной кислоте и других агрессивных средах и широко используются для изготовления химической аппаратуры.

Хромоникелевые коррозионно-стойкие стали дороги. В связи с этим в некоторых случаях применяют более дешевые стали, в которых часть никеля заменена марганцем. Экономнолегированная (по никелю) сталь 10Х14Г14Н4Т рекомендована как заменитель стали 12Х18Н10Т для изделий, работающих в слабоагрессивных средах (органических кислотах, солях, щелочах), а также при температуре до —196 °С.

Некоторое применение находят хромомарганцевоникелевые стали с азотом (0,15—0,4 % N), который стабилизирует аустенит и может частично заменить никель. К числу этих сталей относятся стали 10Х14АГ15 (см. табл. 10), 15Х17АГ14, 12Х17Г9АН4. Устойчивость сталей против коррозии в органических кислотах, серной кислоте и морской воде повышает молибден. Для этой цели применяют стали 10Х17Н13М2Т и 10X17H13M3T (см. табл. 10), которые сочетают высокую коррозионную стойкость с хорошей технологичностью, начиная от выплавки стали и кончая изготовлением сварных конструкций и аппаратов.

Стали аустенитно-ферритного класса содержат 18—22 % Сг, 2—6 % Ni и некоторое количество Мо и Ti (08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т и др.). Аустенитно-ферритные стали по сравнению с аустенитными обладают более высокой прочностью (см. табл. Ю) при удовлетворительной пластичности и лучшей сопротивляемостью интеркристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию. При нагреве до 400—750 °С стали охрупчиваются.

Стали аустенитно-мартенситного класса. Особую группу представляют аустенитно-мартенситные коррозионно-стойкие стали, например сталь 09Х15Н8Ю. Эти стали наряду с хорошей устойчивостью против атмосферной коррозии обладают высокими механическими свойствами и хорошо свариваются. Сталь 09Х15Н8Ю для повышения механических свойств подвергают закалке от 975 °С, после которой структура стали — неустойчивый аустенит и небольшое количество мартенсита. В этом состоянии сталь обладает достаточно высокой пластичностью и может быть подвергнута пластической деформации и обработке резанием. После закалки сталь обрабатывают холодом в интервале температур от —50 до —75 °С для перевода большей части аустенита (~80 %) в мартенсит и подвергают отпуску (старению) при 450—500 °С. При старении из a-твердого раствора (мартенсита) выделяются дисперсные частицы интерметаллидов типа Ni3Al. Механические свойства стали после такой обработки приведены в табл. 10.

Механические свойства указанной стали зависят от количества образовавшегося мартенсита, которое можно регулировать температурой закалки и обработкой холодом. Если количество марТаблица 11

Химический состав (по легирующим элементам) и механические свойства коррозионно-стойких сплавов на железоникелевой и никелевой основах

Сталь

Содержание основных элементов, %

Механические

свойства

Сг

N!

Мо

Другие

элементы

°в

°0.2

в,

%

МПа

04ХН40МДТЮ

14—17

39—42

4,5—6,0

2,5—3,2 Ti 0,77—1,2 А1 2,7—3,3 Си

1250

750

35

Н70МФ

Остальное

25—27

1,4—1,7 V

950

480

50

ХН65МВ

14,5— 16,5

Остальное

15

3,0-4,5 W

1000

600

50

тенсита превышает 40 %, то пластичность стали заметно падает, но прочность возрастает. Большое упрочнение стали может быть достигнуто нагартовкой предварительно закаленной на аустенит стали путем прокатки или волочения. После такой обработки большая часть аустенита превращается в мартенсит деформации. Дальнейшее упрочнение стали достигается старением при 450— 480 °С.

Коррозионно-стойкие сплавы на железоникелевой и никелевой основе. Аустенитные (аустенитно-ферритные) стали не обеспечивают достаточно высокой коррозионной стойкости в таких средах, как серная и соляная кислоты. В этих случаях используют сплавы на железоникелевой основе, например сплав 04ХН40МДТЮ (табл. 11), имеющий после закалки от 1050—1100°С и старения при 650—700 °С структуру аустенит и интерметаллидную у'- фазу типа Ni3 (Ti, А1). Сплав предназначен для работы при больших нагрузках в растворах серной кислоты.

Для изготовления сварной аппаратуры, работающей в солянокислых средах, растворах серной и фосфорной кислот, применяется никелевый сплав Н70МФ. Сплавы на основе Ni—Мо имеют высокое сопротивление коррозии в растворах азотной кислоты.

Наибольшее распространение получил сплав ХН65МВ для работы при повышенных температурах во влажном хлоре, солянокислых и сернокислых средах, хлоридах, смесях кислот и других агрессивных средах.

Никелевые сплавы используются после закалки от 1070 °С. Структура сплавов — а- или у-твердый раствор на основе никеля и избыточные карбиды типа МвС и VC (Х70МФ).

Двухслойные стали. Для деталей химической аппаратуры (корпусов аппаратов, днищ, фланцев, патрубков и др.), работающих в коррозионной среде, нашли применение двухслойные стали.

Двухслойные листовые стали состоят из основного слоя — низко- 1егированной (09Г2, 16ГС, 09Г2С, 12ХМ, 10ХГСНД и др.) или углеродистой (СтЗ) стали и коррозионно-стойкого плакирующего :лоя толщиной 1—6 мм из коррозионно-стойких сталей

;08Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 06ХН28МДТ, 08X13) или никеле- зых сплавов (ХН65МВ, Н70МФ).

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы