Жаростойкие стали и сплавы

Fe₃O₄ 2,14;

Fe₂O₃ 2,09.

Однако. при температурах выше 750⁰ 94-95% всей окалины на стали составляет окисел FeО. Этот окисел представляет собой твердый раствор вычитания с дефицитом атомов железа. Т.е. его пленка пористая с большим количеством вакансий. Она не защищает поверхность металла от окисления.

Поэтому для предотвращения интенсивного окисления и повышения жаростойкости стальных деталей необходимо:

во-первых, вводить в состав стали легирующие элементы, которые бы заполняли образующиеся вакансии в поверхностном слое окисла;

во-вторых, входили бы в состав сложных окислов FeCrO₄, FeAl₂O₄ с более плотной кристаллической решеткой;

в-третьих, образовывали на поверхности металла новые окислы легирующих элементов более плотные, чем FeO.

Таким образом, основными легирующими элементами для жаростойких сплавов и сталей являются Cr, Ni, Al, Cu, Si.

Жаростойкие стали и сплавы разделяют по 2-м признакам.

1.По основному легирующему элементу:

-хромистые;

-хромоникелевые;

- Cr-Ni-Al и т.д.

2.По структуре в нормализованном состоянии (после охлаждения на воздухе):

- ферритного класса;

- мартенситногокласса;

- аустенитного класса;

-сплавы на основе Ni.

К сталям ферритного класса относят такие, где основным легирующим элементом является хром (от 13 до 28%). Эти стали наиболее дешевые, обладают хорошей пластичностью, хорошо свариваются. Они обладают высоким уровнем жаростойкости (до 1300°С). К недостаткам этих сталей можно отнести:

-охрупчивание в процессе работы из-за образования σ фазы FeCr;

-увеличение размера зерна при повышенных температурах, что также уменьшает вязкость;

-недостаточно высокая прочность, т.е. они не могут быть использованы для тяжело нагруженных деталей.

Рабочая температура некоторых марок хромистых сталей составляет:

08Х17Т, 15Х25Т, 15Х28Т, 08Х27Ю5

1000-1050°С 1150°С 1250°С 1300°С

При малом содержании углерода (до 0,15%) эти стали сохраняют структуру феррита и относятся к сталям ферритного класса. Для противостояния межкристаллитной коррозии в них вводят небольшое количество титана. Термообработка - нормализация или отжиг.

Стали мартенситного класса обладают высокой твердостью и прочностью и предназначены для изготовления тяжело нагруженных деталей. Основное назначение этих сплавов - применение в двигателях для выпускных клапанов. Резкие ударные нагрузки при повышенных температурах требуют от них высокой прочности, твердости и сопротивления смятию поверхности. Основными легирующими элементами в них являются кремний и хром при содержании углерода 0,3-0,4%. Поэтому эти стали называют – сильхромы. Введение в сталь кремния повышает жаростойкость стали до до 800-900⁰С (рис.28).

Рис.28.Влияние кремния на жаростойкость

В зависимости от рабочей температуры для изготовления клапанов применяют различные стали:

15Х6С 750⁰ С

40Х7СМ 800⁰ С

40Х9С2 850⁰ С

40Х10С2М 900⁰ С

30Х13Н7С2 1000⁰С

Термообработка эти сталей - закалка 950-1050°С в масле и высокий отпуск 660-750°С, что обеспечивает твердость на уровне 50-56 HRC.

В качестве жаростойких сталей аустенитного класса применяют в основном стали на хромоникелевой основе. По своему составу они близки к коррозионностойким сталям. Рабочая температура этих сталей зависит от состава:

- 08Х18Н8 600-800°С

- 15Х23Н18Т 1000°С

- 20Х25Н20 1050°С (кратковременно 1100°С).

По сравнению со сталями ферритного класса, стали аустенитного класса более дорогие, но имеют преимущество в отсутствии охрупчивания в процессе работы. Они хорошо свариваются и более прочные.

Термообработка отжиг или закалка с температур 950-1050°С.