Жаропрочные стали – марки и состав жаростойких сталей и сплавов

alexxlab | 23.05.2020 | 0 | Разное

12. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИ КОМНАТНЫХ И ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 

Жаропрочными называют стали и сплавы, сохраняющие при повышенных температурах в течение определенного времени высокую механическую прочность и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Жаростойкими (окалиностойкими) называют стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550 ° С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

Жаропрочность характеризуется, в основном, пределами ползучести и длительной прочности. Ориентировочно о жаропрочности судят также по механическим свойствам, определяемым кратковременным испытанием на растяжение при рабочей температуре.

Дополнительные характеристики жаропрочности: длительная пластичность, релаксационная стойкость, предел выносливости, термостойкость и др.

Жаропрочность стали (сплава) определяется химическим составом и структурой; к числу элементов, повышающим жаропрочность, относятся молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан, кобальт, алюминий и отчасти хром и никель. Последний, наряду с марганцем, имеет значение, главным образом, как аустенитообразующий элемент (поскольку аустенитная структура создает наибольшую жаропрочность стали). На жаропрочные свойства хром влияет меньше, чем многие другие элементы. Однако его присутствие в стали или сплаве наряду с алюминием и кремнием повышает их жаростойкость (окалиностойкость). Поэтому хром — обязательный компонент жаропрочных сталей и сплавов.

Классификация

К жаропрочным сталям относят сплавы на основе железа, если содержание последнего превышает 50 %.

В зависимости от суммарного содержания легирующих элементов жаропрочные стали могут быть низко-, средне- и высоколегированными.

В низколегированной стали суммарное содержание легирующих элементов не превышает 4–5 %. Среднелегированной называется сталь с суммарным содержанием легирующих элементов от 5 до 9 %, причем содержание каждого из них не должно превышать 5 %. Высоколегированной называют сталь, в которой содержание любого легирующего элемента превосходит 5 %, либо суммарное содержание всех легирующих элементов — более 10 %.

По микроструктуре (получаемой после охлаждения на воздухе с высокой температуры) жаропрочные стали подразделяют на семь классов: перлитный, мартенситный, мартенситно-ферритный, ферритный, аустенитно-мартенситный, аустенитно-ферритный, аустенитный.

Низколегированные стали относятся к перлитному классу, среднелегированные — к перлитному, мартенситному или мартенситно-ферритному, высоколегированные — к любому из перечисленных классов, кроме перлитного.

К сплавам на железоникелевой основе относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе. Суммарное содержание железа и никеля не менее 65 %.

К сплавам на никелевой основе относятся сплавы, содержащие не менее 50 % Ni, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в никеле (содержание железа не более 6–8 %).

Стали перлитного класса

Среди низколегированных сталей высокой жаропрочностью отличаются молибденосодержащие стали, например, хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые, хромомолибденовольфрамованадиевые, имеющие достаточно высокие сопротивление ползучести и длительную прочность при температурах до 565–580 °С. Такие стали условно называют теплоустойчивыми.

Химический состав теплоустойчивых сталей перлитного класса приведен в ГОСТ 20072–74, ГОСТ 4543–71, ТУ 14-1-1391–75. Они содержат 0,5–3,3 % Cr; 0,25–1,2 % Мо; 0,15–0,8 % V. Некоторые марки содержат 0,3–0,8 % W либо Nb.

Эти стали применяют для изготовления различных деталей в котлостроении, работающих длительное время (10 000–100 000 ч) при температурах 500–580 °С, в частности, для паропроводных и пароперегревательных труб, а также для проката и поковок, используемых в турбинах и паровых котлах высокого давления. Механические свойства при повышенных температурах, определяемые кратковременным испытанием на растяжение, как правило, не регламентируются. Решающее значение имеют нормы длительной прочности и ползучести при рабочих температурах в зависимости от длительности службы за время 10 000–100 000 ч Стали мартенситного класса

Стали мартенситного класса содержат 4,5–12 % Cr, а также в значительно меньшем количестве Ni, W, Mo, V.

Стали марок 15Х5, 15Х5М, 15Х5ВФ и 15Х8ВФ широко применяют для изготовления элементов аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов – деталей насосов, задвижек, крепежных деталей, крекинговых труб, работающих при температурах 550–600 °С. Стали этой же группы с более высоким содержанием Cr (6–10 %) и с повышенным содержанием Si (2–3 %), в основном, применяют для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания.

Сталь 11Х11Н2ВМФ применяют для дисков компрессоров и для других деталей, работающих при температурах до 600 °С с ограниченным сроком службы.

Стали мартенситно-ферритного класса

Стали мартенситно-ферритного класса содержат в структуре кроме мартенсита 10–25 % феррита. Основная легирующая добавка и в этих сталях — Cr (11–13 %), наряду с которым присутствуют менее значительные присадки Ni, W, Mo, Nb, V (модифицированные хромистые стали). Их термическая обработка заключается либо в закалке с отпуском, либо в нормализации с отпуском. Механические свойства при надлежащей температуре отпуска практически равноценны. Уровень жаропрочных свойств после оптимальной термической обработки для большинства сталей мартенситно-ферритного класса также примерно одинаков. Однако наиболее высокие (при обработке на одинаковую твердость) характеристики жаропрочности при 500–600 °С у стали 18Х12ВМБФР.

Эти стали изготовляют в виде сортового проката и применяют в турбостроении для лопаток и дисков турбин, а также для крепежных деталей. Ориентировочная рабочая температура для стали 15Х12ВНМФ — 550–580 °С и 570–600 °С — для стали 18Х12ВМБФР.

Стали аустенитного класса

Стали аустенитногокласса – в основном хромоникелевые стали с содержанием Cr и Ni в пределах от 7 до 25 % каждого, наряду с которыми присутствуют W, Mo, Ti, Nb и др.

Это самая многочисленная группа жаропрочных (и жаростойких) сталей (см. ГОСТ 5632–72).

В марках этих сталей приняты следующие обозначения для легирующих элементов: А — N, Б — Nb, В — W, Г — Mn, К — Co, М — Mo, Н — Ni, P — B, C — Si, T — Ti, Ф — V, X — Cr, Ю — Al. Цифра после буквы указывает на округленное (среднемарочное) содержание этого элемента в процентах (при содержании менее 1 % цифру не пишут). Исключение — углерод, содержание которого первые две цифры марки выражают в десятых процента. Например, марка 45Х14Н14В2М следующего состава: 0,45 % С, 14 % Cr, 14 % Ni, 2 % W, и ≤ 1 % Мо. Характеристики механических свойств сортового проката из жаропрочных аустенитных сталей, а также оптимальные режимы термической обработки приведены в табл. 12.4.

В соответствии с особенностями легированного аустенита характеристики жаропрочных свойств аустенитных сталей более высоки), чем у жаропрочных сталей перлитного или мартенситного классов.

Сталь 08Х18Н10Т применяют как жаропрочную и жаростойкую. При температуре до 600 °С у стали стабильные механические свойства, она устойчива против межкристаллитной коррозии и хорошо сваривается. Сталь этой марки изготовляют в виде сортового проката, поковок, листа, труб для энергетического и химического оборудования. Аналогичные свойства у стали 12Х18Н12Т, которую применяют в тех же областях техники.

У хромоникельвольфрамовых аустенитных сталей (45Х14Н14В2М) повышенные жаропрочность и сопротивление усталости при высоких температурах. Сталь 45Х14Н14В2М находит применение для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания. Для длительных сроков службы при температурах 600–650 °С рекомендуется сталь того же типа с пониженным содержанием С (до 0,15 %).

Аустенитные стали применяют, как правило, для изготовления деталей, работающих при температурах 650–700 °С весьма длительное время. Механические свойства этих сталей при температуре 20 °С похожи, но пределы длительной прочности и ползучести отличаются весьма существенно (табл. 12.4, 12.5). Наиболее жаропрочные из них стали 09Х14Н19В2БР1 и 09Х14Н19В2БР, которые применяют для изготовления пароперегревательных и паропроводных труб установок сверхвысокого давления.

Хромомарганцевые стали марок 30Х13Г18Ф и 37Х12Н8Г8МФБ — заменители жаропрочных сталей с более высоким содержанием никеля. Эти стали имееют достаточно высокую длительную прочность при температурах 500–650 °С.

Классификация алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы, наряду с сохранением достоинств алюминия, обладают значительно более высокой прочностью и требуемыми эксплуатационно-технологическими характеристиками.

Основными легирующими элементами в алюминиевых сплавах являются Cu, Zn, Mg, Mn, Zr. В условиях равновесия алюминиевые сплавы представляют собой равновесный твердый раствор с выделениями интерметаллидных фаз типа CuAl₂  (q -фаза), Al₂CuMg (S-фаза), Al

6CuMg₄ (Т-фаза) и др. Помимо основных элементов в сплавы вводят малые добавки Cr, Zr, Ti, Sc, V, Be и некоторые редкоземельные элементы, которые существенно влияют на кинетику распада пересыщенного твердого раствора, на процесс рекристаллизации и размер зерна, на коррозионные и технологические свойства.

Большое влияние на технологические, особенно литейные свойства, в частности на пластичность и склонность к кристаллизационным трещинам, оказывают уровень и соотношение постоянно присутствующих примесей железа и кремния. При уменьшении содержания этих примесей и, соответственно, количества грубых первичных интерметаллидов в сплавах существенно повышаются характеристики пластичности и вязкости разрушения. Поэтому для техники ответственного назначения, в том числе для авиакосмической, разработаны сплавы с жестким ограничением по примесям, которые в марке имеют обозначение «ч» — чистые; «пч» — повышенной чистоты; «оч» — особой чистоты.

Состав промышленных алюминиевых сплавов (ГОСТ 4784–97, ГОСТ 1583–93 и др.), структура и свойства изделий из них в значительной степени определяются способом производства. По способу производства алюминиевые сплавы делятся на две основные группы: деформируемые и литейные.

По способности к упрочнению термической обработкой алюминиевые сплавы подразделяются на неупрочняемые термообработкой и упрочняемые термообработкой (см рис 16.1).

Рис. 16.1 Типовая диаграмма состояния сплавов Al—легирующий элемент (схема): Д — деформируемые сплавы; Л — литейные сплавы; I — сплавы, не упрочняемые термической обработкой; II — сплавы, упрочняемые термической обработкой

В зависимости от уровня прочности, технологических свойств и назначения алюминиевые сплавы разделяют на сплавы высокой, средней и пониженной прочности; ковочные, заклепочные, свариваемые; коррозионностойкие, жаропрочные, криогенные, со специальными физическими свойствами (например, пониженной плотности) и др.

ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Общие сведения

Из деформируемых сплавов методом полунепрерывного литья получают круглые и плоские слитки, которые подвергают горячей и холодной обработке давлением (прессованию, прокатке, ковке, штамповке и др.). Главной структурной составляющей деформируемых сплавов является твердый раствор на основе алюминия, а объемная доля хрупких интерметаллидов сравнительно невелика (не более 10 %), что обеспечивает деформируемость этих сплавов.

Упрочнение деформируемых алюминиевых сплавов, а также изменение физических, технологических, коррозионных свойств достигается с помощью различных методов: нагартовки, термической обработки (закалка + старение), термомеханической обработки (сочетание термической обработки и пластической деформации), закалки из жидкого состояния и упрочнения нерастворимыми частицами оксида алюминия, интерметаллидов и др. (порошковые материалы).

Упрочнение нагартовкой, повышающее прочностные свойства, применяется особенно широко для термически неупрочняемых сплавов и при термомеханической обработке — для термоупрочняемых сплавов. Сильная нагартовка используется для изделий простой формы (листы, плиты, иногда поковки).

Значительная часть алюминиевых деформируемых сплавов упрочняются термической обработкой: закалкой и естественным (искусственным) старением. Содержание основных легирующих элементов в таких сплавах как правило не превышает их растворимости в алюминии при высокой температуре. После закалки структура сплавов представляет собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии. Такая структура, в отличие от закаленных сталей, обладает невысокой прочностью и повышенной пластичностью. При последующем старении происходит закономерное изменение структуры и свойств сплавов в результате распада пересыщенного раствора с образованием интерметаллидов.

Для всех алюминиевых сплавов этот процесс имеет общие закономерности. На первой стадии старения возникают зоны Гинье—Престона (ГП), в которых в результате повышенной концентрации легирующего элемента наблюдается сильное искажение кристаллической решетки, приводящее к увеличению прочности и твердости. Эта стадия называется стадией зонного старения. При повышении температуры старения (или увеличении его продолжительности при достаточно высокой температуре) возникают частицы метастабильных фаз, когерентно связанных с матрицей твердого раствора, —стадия фазового старения. Затем появляются более крупные частицы метастабильных фаз — стадия коагуляции. В дальнейшем частицы метастабильных фаз обособляются и укрупняются — стадия отжига. При этом искаженность решетки снижается и, следовательно, снижаются прочность и твердость.

Для каждой стадии старения независимо от систем алюминиевых сплавов характерен определенный комплекс свойств. Зонному старению свойственны относительно низкий предел текучести (s _0,2/s _в = 0,6–0,7), высокое относительное удлинение (d  >  10–15%), высокая коррозионная стойкость, в том числе и стойкость против коррозии под напряжением, высокая вязкость разрушения, низкая чувствительность к трещине.

Для фазового старения характерны высокий предел текучести (s _0,2/s _в = 0,9–0,95), низкая пластичность, пониженные вязкость разрушения, сопротивление коррозии под напряжением и расслаивающей коррозии.

На стадии коагуляции прочностные свойства, достигнув максимума, снижаются, при этом значительно улучшается сопротивление коррозии под напряжением и замедленному разрушению.

Для каждого стареющего алюминиевого сплава имеются свои температурно-временные области зонного и фазового старения. Для сплавов систем Al—Cu—Mg, Al—Mg—Si, Al—Cu—Mg—Si и Al— Zn—Mg—Cu зонное старение протекает при 20 ° С. Для сплавов системы Al—Zn—Mg при 20 ° С наблюдается фазовое старение. Сплавы систем Al—Cu—Li, Al—Mg—Li при 20 ° С практически не старятся; для осуществления зонного старения их необходимо подогревать. Поэтому термины «естественное старение» и «искусственное старение» следует употреблять только для указания условий старения — без подогрева или с подогревом. Для характеристики структурного состояния и соответствующего ему комплекса свойств надо использовать термины «зонное старение», «фазовое старение» и «коагуляция при старении».

 

Термически неупрочняемые коррозионностойкие и свариваемые сплавы

Сплавы системы Al—Mn

Сплавы алюминия с марганцем, а в ряде случаев с добавкой магния (табл. 16.6), отличаются невысокой прочностью и высокой пластичностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

Эффект твердорастворного упрочнения в этих сплавах невелик, и для дополнительного упрочнения используют холодную деформацию. Из этих сплавов производят различный полуфабрикат: листы, трубы, плиты, проволоку и др. Технологические свойства. Сплавы Al—Mn не упрочняются термической обработкой. Для полного разупрочнения нагартованного материала проводится отжиг при температуре 300–500 ° С с охлаждением на воздухе. Для частичного разупрочнения и повышения пластичности проводится низкотемпературный отжиг при 200–290 ° С.

При производстве полуфабрикатов эти сплавы деформируются в горячем (при 320–470 ° С) и холодном состоянии. Температура ковки и штамповки 420–470 ° С, охлаждение на воздухе.

Параметры штампуемости листов из сплава АМц в отожженном состоянии при операциях формообразования деталей следующие: при вытяжке К_выт = 1,8–1,9; при отбортовке К_отб = 1,4–1,5; при выдавливании К_выд = 18–22 %; минимальный радиус гиба R_min = (0,8–0,555) × s (s — толщина листа).

Сплавы Al—Mn хорошо свариваются аргонодуговой, газовой и контактной сваркой. Обрабатываемость резанием неудовлетворительная, особенно в отожженном состоянии.

Применение. Эти сплавы используются в различных отраслях промышленности: для малонагруженных деталей (сварные баки, бензо- и маслопроводы и др.), изготовляемых глубокой вытяжкой; для радиаторов тракторов и автомобилей, в строительстве, для упаковочных материалов, заклепок и т. д.

Сплавы системы Al—Mg (магналии)

Алюминиевые деформируемые сплавы на основе системы Al—Mg являются термически неупрочняемыми. Они имеют невысокие прочностные характеристики — временное сопротивление и, в особенности, предел текучести, но отличаются высокой пластичностью, хорошей коррозионной стойкостью в различных средах и хорошо свариваются аргонодуговой сваркой.

Применение. Полуфабрикаты из сплавов АМг1, АМг0,5 используются в изделиях, где требуется повышенная декоративность и высокая отражательная способность.

Сплавы АМг2, АМг3 применяются в слабонагруженных сварных конструкциях, способных работать длительное время в достаточно агрессивной коррозионной атмосфере. Эти сплавы наиболее широко используются и главным образом в виде листов.

Сплавы АМг5, АМг6 применяются в сварных конструкциях для изготовления емкостей, используемых в том числе и при криогенных температурах.

Полуфабрикаты из сплава АМг61 нашли применение в судостроении. Сплав 01570 является сравнительно новым, и полуфабрикаты из этого сплава (наряду со сплавами АМг5, АМг6) применяются в ракетно-космической технике, а также опробуются для других целей.

Сплавы повышенной пластичности и ковочные

Коррозионностойкие сплавы повышенной пластичности системы Al—Mg—Si

Сплавы системы Al—Mg—Si относятся к термически упрочняемым сплавам. Они обладают хорошей коррозионной стойкостью, технологичностью в металлургическом и машиностроительном производстве, способностью подвергаться цветному анодированию, эмалированию (покрытие пленкой из эмалевого лака или смолы) и электрохимическому оксидированию для получения непрозрачной эмалевидной пленки молочного цвета с окрашиванием в любой цвет.

Высокая пластичность в горячем состоянии позволяет изготовлять из них сложные по конфигурации тонкостенные полые полуфабрикаты. Высокую пластичность сплавы имеют в отожженном, свежезакаленном и естественно состаренном состоянии, что позволяет подвергать их штамповке, вытяжке и другим операциям со значительными степенями деформации. При этом материал сравнительно мало упрочняется и допускает значительно большие вытяжки, чем сплавы АМг5 и АМг6 системы Al—Mg, которые быстро наклепываются при холодной пластической деформации.

Марки и химический состав сплавов этой системы приведены в табл. 16.14 (эти сплавы называют авиалями).

Сплав АД31 характеризуется минимальной прочностью, не содержит элементов антирекристаллизаторов (Mn, Cr), что повышает однородность и устойчивость твердого раствора и улучшает декоративный вид полуфабрикатов.

Термическая обработка. Сплавы упрочняются термической обработкой по следующим режимам:

• закалка (нагрев до 510–535 ° С и последующее охлаждение в холодной воде) + естественное старение в течение 10–15 сут.;

• закалка + искусственное старение при 160–170 ° С в течение 10–12 ч.

Процесс естественного старения сплавов системы Al—Mg—Si замедленный по сравнению со сплавами типа дуралюмина. Эффект естественного старения достаточно высок и составляет 30–40 % от s _в и около 50 % от s _0,2 в свежезакаленном состоянии. Максимальные прочностные свойства при удовлетворительной пластичности обеспечиваются искусственным старением.

Технологические свойства. Сплавы АД31, АД33, АД35 и АВ хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. Пластичность сплавов при температуре обработки давлением 450–500 ° С высокая. Допустимая степень деформации за один прогрев 85 %.

Для обеспечения высокой пластичности при холодной деформации сплавы отжигают. Для снятия технологического наклепа, полученного в результате холодной деформации, рекомендуется проводить отжиг при 350–370° С в течение 0,5–1,5 ч, охлаждение на воздухе.

Применение. Из сплавов АД31, АД33 и АД35 выпускаются преимущественно прессованные полуфабрикаты и штамповки, а из сплава АВ — плиты, листы, прессованные полуфабрикаты и штамповки. Механические характеристики полуфабрикатов сплавов приведены в табл. 16.16.

Сплав АД31 применяется для деталей невысокой прочности (s _в= 200 МПа) с хорошей коррозионной стойкостью и декоративным видом, работающих в интервале температур от –70 до 50 ° С. Сплав применяется с различными цветовыми покрытиями, в том числе для ювелирных изделий «под золото», отделки кабин самолетов и вертолетов. Сплав широко используется в гражданском строительстве для оконных витражей, дверных рам, перегородок, эскалаторов, а также в мебельной, автомобильной, легкой промышленностях. При применении специальной термомеханической обработки сплав АД31Е приобретает высокие электрические свойства при относительно высоких прочностных свойствах.

Сплав АД33 применяется для деталей средней прочности (s _в £ 270 МПа), от которых требуется удовлетворительная коррозионная стойкость во влажной воздушной и морской средах (лопасти вертолетов, барабаны колес гидросамолетов). Сплав АД33 и его сварные конструкции успешно работают при температурах до 200 ° С, а также в криогенной технике (трубопроводы, патрубки), в судостроении и гражданском строительстве.

Сплав АД35 применяется для деталей средней прочности (s _в ³ 300 МПа) в закаленном и искусственно состаренном состояниях или при s _в ³  200 МПа в закаленном и естественно состаренном состояниях, от которых требуется высокая коррозионная стойкость и равномерная структура, практически без крупнокристаллического ободка (см. гл. 3). В судостроении для различных деталей и конструкций используются профили из этого сплава в закаленном и естественно состаренном состояниях.

Сплав АВ (s _в ³ 300 МПа) применяется для деталей самолетов, двигателей, от которых при изготовлении требуется высокая пластичность в холодном и горячем состояниях, лопастей вертолетов, штампованных и кованых деталей сложной формы.

 

Ковочные сплавы системы Al—Cu—Mg—Si

К этой системе принадлежат сплавы АК6 и АК8, которые обладают хорошей пластичностью и стойкостью к образованию трещин при горячей пластической деформации. Их применяют для изготовления штамповок и поковок. Эти сплавы термически упрочняемые.

Дополнительное легирование сплавов медью повышает эффект упрочнения по сравнению с авиалями при некотором снижении относительного удлинения, вязкости разрушения и сопротивления коррозионному растрескиванию.

Небольшие добавки титана (0,10–0,15 %) и хрома (≈ 0,01 %) позволяют устранить столбчатую структуру слитков и повысить пластичность в горячем состоянии. После термообработки сплавы с этими добавками имеют сильно измельченную структуру и повышенные механические свойства.

Термическая обработка. Сплавы АК6 и АК8 применяются в закаленном и, как правило, в искусственно состаренном состоянии. Для получения высоких механических свойств полуфабрикатов и деталей из этих сплавов охлаждение при закалке проводят в воде с температурой не выше 40 ° С. Для снижения закалочных напряжений и коробления при закалке массивных, сложных по конфигурации деталей и полуфабрикатов из сплавов АК6 с толщиной стенки до 30 мм допускается охлаждение в воде, нагретой до 80–90 ° С, а с толщиной до 150 мм — до 70–80 ° С. Закалка в горячей воде вызывает снижение прочностных характеристик на ≈ 5 %, но не ухудшает другие свойства. При этом наблюдается некоторое повышение сопротивления коррозионному растрескиванию.

Технологические свойства. Сплавы АК6 и АК8 имеют высокие технологические свойства при непрерывном литье, горячей обработке давлением (свободной ковке, штамповке, прессовании). Сплавы хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. Температурный интервал горячей деформации составляет 420–470 ° С.

Сплав АК6 может успешно деформироваться и в более высоком температурном интервале. Деформация сплава при 505–525 ° С с непосредственной закалкой в воде и последующее старение (ВТМО) приводят к некоторому повышению прочности и является перспективным технологическим процессом.

Применение. Сплав АК8 вошел в международные стандарты под маркой 2014. Он особенно широко применяется за рубежом, причем не только в виде кованых, но и катаных, и прессованных полуфабрикатов.

Сплав АК6 — высокотехнологичный оригинальный российский ковочный сплав средней прочности с хорошими характеристиками вязкости и пластичности. Из него изготовляют стыкующие детали планера пассажирских самолетов длительного ресурса. Отечественные авиастроители на основании продолжительного опыта отдают предпочтение этому сплаву для применения в сложных штампованных деталях, требующих повышенной выносливости.

Сплавы АК6 и АК8 используются для ответственных силовых деталей авиационной техники, в частности в крыльях пассажирских самолетов.

Сплав АК6 применяют для изготовления сложных штамповок: крыльчаток компрессора, крыльчаток вентилятора для компрессоров реактивных двигателей, корпусных деталей агрегатов.

Кроме того эти сплавы широко используют в строительстве, транспорте, электротехнике и других отраслях промышленности.

 

studfiles.net

Жаропрочная сталь — WiKi

Жаропро́чная сталь — это вид стали, который используется в условиях высоких температур (от 0,3 части от температуры плавления) в течение определённого времени, а также в условиях сложнонапряжённого состояния.

Главной характеристикой, определяющей работоспособность стали, является жаропрочность.

Жаропрочность — это способность стали работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения. Основными характеристиками жаропрочности являются ползучесть и длительная прочность.

Ползучесть

Явление непрерывной деформации под действием постоянного напряжения называется ползучестью. Характеристикой ползучести является предел ползучести, характеризующий условное растягивающее напряжение, при котором скорость и деформация ползучести за определённое время достигают заданной величины. Если допуск даётся по скорости ползучести, то предел ползучести обозначается σ(сигма) с двумя индексами: нижний соответствует заданной скорости ползучести в %/ч (проценты в час), а верхний – температуре испытания. Если задаётся относительное удлинение, то в обозначение предела ползучести вводят три индекса: один верхний соответствует температуре испытания, два нижних — деформации и времени. Для деталей, работающих длительный срок (годы), предел ползучести должен характеризоваться малой деформацией, возникающей при значительной длительности приложения нагрузки. Для паровых турбин, лопаток паровых турбин, работающих под давлением, допускается суммарная деформация не более 1 % за 100000 часов, в отдельных случаях допускается 5 %. У лопаток газовых турбин деформация может быть 1-2 % на 100—500 часов.

Длительная прочность

Сопротивление стали разрушению при длительном воздействии температуры характеризуется длительной прочностью.

Длительная прочность — это условное напряжение, под действием которого сталь при данной температуре разрушается через заданный промежуток времени

Жаропрочные свойства в первую очередь определяются температурой плавления основного компонента сплава, затем его легированием и режимами предшествующей термообработки, определяющими структурное состояние сплава. Основой жаропрочных сталей являются твёрдые растворы или перенасыщенные растворы, способные к дополнительному упрочнению вследствие дисперсионного твердения.

Для кратковременной службы применяются сплавы с высокодисперсным распределением второй фазы, а для длительной службы — структурно-стабильные сплавы. Для длительной службы выбирается сплав не склонный к дисперсионному твердению.

Самым распространённым легирующим элементом в жаропрочных сталях является хром (Cr), который благоприятно влияет на жаростойкость и жаропрочность.

Высоколегированные жаропрочные стали из-за различных систем легирования относятся к различным классам:

Внутри каждого класса различаются стали с различным типом упрочнения:

карбидным,

интерметаллидным,

смешанным (карбидно-интерметаллидным).

Для котельных установок, работающих длительное время (10 000—100 000 часов) при температурах 500—580 °C, рекомендуются стали перлитного класса, введение молибдена в которые повышает температуру рекристаллизации феррита и тем самым повышает его жаропрочность.

Однако бо́льшую часть жаропрочных сталей, работающих при повышенных температурах, составляют аустенитные стали на хромоникелевой и хромомарганцевой основах с различным дополнительным легированием. Эти стали подразделены на три группы:

• гомогенные (однофазные) аустенитные стали, жаропрочность которых обеспечивается в основном легированностью твёрдого раствора;
• стали с карбидным упрочнением;
• стали с интерметаллидным упрочнением.

ru-wiki.org

Стали жаропрочные – Справочник химика 21

    Низколегированные стали жаропрочные перлитные [c.212]

    Основу покрытия почти все> современных электродов составляют мрамор и плавиковый шпат, обеспечивающие комбинированную газошлаковую защиту зоны сварки от воздуха, что предотвращает окисление хрома стали жаропрочной трубы. Вследствие большого электрического сопротивления аустенитных сталей применяют короткие электроды и сварочный ток небольшой плотности. Сварку аустенитными электродами ведут короткой дугой для уменьшения степени азотирования и окисления наплавленного металла и образования горячих трещин, а также для лучшей защиты плавильного пространства и предотвращения разбрызгивания. Отмечается, что брызги металла, прилипшие к поверхности, могут привести к образованию горячих трещин и очагов коррозионного разрушения [39—40]. [c.236]

    Холодное волочение медной проволоки, обработка резанием сталей Хонингование, суперфиниширование, шлифование чугунов и сталей Шлифование легированных сталей, жаропрочных сплавов, заточка режущего инструмента и игольных заготовок Абразивная обработка чугунов и сталей [c.405]

    Лезвийная и абразивная обработка труднообрабатываемых высоколегированных сталей, жаропрочных сплавов [c.405]

    Лезвийная и абразивная обработка чугунов и сталей, жаропрочных, титановых сплавов [c.405]

    Никель является одним из наиболее ценных промышленных металлов. Он используется в производстве легированных, конструкционных, инструментальных, нержавеющих сталей, жаропрочных сплавов, сплавов с медью и другими металлами. [c.289]

    При введении ферросилиция процесс кипения стали прекращается. Избыток кремния в сталях образует силициды, влияющие на свойства сталей. Силициды -металлов были рассмотрены в гл. 12. Стали, легированные кремнием, широко применяются в машиностроении ЗОХГС, пружинные стали, жаропрочные стали. [c.413]

    Применение ванадия, ниобия и тантала. Быстрое расширение производства этих металлов вызвано потребностя.ми реактивной авиации, ракетной и атомной техники. Главный потребитель ванадия (в виде феррованадия) — производство специальных сталей, жаропрочных и сверхтвердых сплавов. Даже в небольших количествах ванадий действует как раскислитель, улучшает механические свойства стали, способствует формированию мелкозернистой структуры чугунов. Широко используются многочисленные сплавы ванадия с другими металлами. [c.414]

    Применение железа, кобальта и никеля. Эти металлы играют громадную роль в народном хозяйстве. Железо — основа развития тяжелой промышленности машиностроения. Кобальт и никель — важнейшие составные части специальных легированных сталей, жаропрочных и сверхтвердых материалов. [c.433]

    Благодаря своим свойствам никель применяют в качестве конструкционного материала для химической аппаратуры и ядерных реакторов получения легированных сталей, жаропрочных, магнитных, сверхтвердых и других специальных сплавов нанесения декоративных и антикоррозионных покрытий, изготовления электродных пластин щелочных аккумуляторов и других целей. [c.259]

    В настоящее время без редких металлов немыслима ни одна отрасль современной техники. Применение редких металлов в производстве специальных сталей, жаропрочных и антикоррозионных сплавов, в радиоэлектронике и квантовой электронике, в атомной технике, авиа- и ракетостроении в значительной степени обеспечило успех этих важнейших отраслей современной промышленности и техники. [c.5]

    Смазочно-охлаждающие жидкости В-296, В-32к и В-35 для механической обработки труднообрабатываемых металлов, ТУ 38-1-01-88—70. Это высокоактивные жидкости, в состав которых входят соединения, активированные серой, хлором и другими элементами. Первые две жидкости отличаются от третьей меньшей вязкостью минеральной основы. Жидкость В-35 более активирована, чем жидкость В-32к. Применяют их при обработке резанием нержавеющих сталей, жаропрочных сплавов и других труднообрабатываемых материалов, при операциях с небольшим тепловыделением (нарезание резьбы и др.), где необходимо предотвратить налипание обрабатываемого материала на инструмент и получить необходимую чистоту обработанной поверхности. Жидкость В-32к используют также при обработке нержавеющих сталей давлением (холодная штамповка и др.).  [c.353]

    Ф. применяют для легирования конструкционных (см. Конструкционная сталь), инструментальных сталей, жаропрочных сталей и нержавеющих сталей. Молибден способствует получению мелкокристаллической структуры, увеличивает прокаливаемость и ударную вязкость сталп. Марки и хим. состав Ф. приведены в ГОСТе 4759—69. [c.643]

    Сталь жаропрочная (катаная и кованая) [c.261]

    Хромистая сталь, жаропрочна до температуры 425° С. Она широко применяется в виде труб, толстолистового проката, поковок и штамповок для аппаратов и трубопроводов химических производств [c.72]

    Стали жаропрочные мартенситного и мартенсито-ферритного классов (ГОСТ 5632) железо 0,300 [c.589]

    Стали жаропрочные аустенитного класса (ГОСТ 5632) железо 0,300 [c.589]

    Обработка конструкционных углеродистых и легированных сталей, жаропрочных и специальных сталей, а также сплавов цветных металлов на операциях листовой штамповки с глубокой вытяжкой [c.130]

    Стали жаропрочные То же Стекло [c.332]

    Применение хрома, его сплавов и соединений. Вследствие легкой пассивируемости хром применяют для получения покрытий на металлах – хромирование, а также для получения различных сплавов, так как придает сталям жаропрочность, твердость, кислотоупорность и коррозионную стойкость. Хром содержат все нержавеющие стали. [c.246]

    Пропитка прожекторных углей фторидами редкоземельных металлов обеспечивает яркость электрической дуги, близкую к яркости солнечного света, поэтому редкоземельные металлы сделались незаменимыми в киносъемочной и кинопроекционной аппаратуре. Окислы редкоземельных металлов превосходят другие абразивные материалы при полировке оптических стекол. Соединения этих металлов служат для производства декоративных стекол и защитного стекла для ядерных реакторов, сохраняющего прозрачность под действием самых мощных радиоактивных излучений. За последние 5—6 л

www.chem21.info

Жаропрочные стали и сплавы :: Книги по металлургии

 

Жаропрочные стали и сплавы как особый вид конструкционных ма­териалов стал интенсивно развиваться в связи с развитием турбо­строения. Турбина как источник или преобразователь энергии широко применяется в теплоэнергетике (силовые электростанции), судовых и авиационных двигателях. В последние годы появились газовые турбины для наземного подвижного состава (локомотивы, грузо­вые автомобили). В конструкциях современных турбии жаропроч­ные сплавы составляют 40—50% массы. Чем выше температура газа на входе в турбину, тем экономичнее двигатель. С повышением температуры газа уменьшается удельный расход топлива и воздуха на единицу мощности. Это обстоятельство привело к тому, что ‘ в короткий срок появилось много составов сталей и сплавов, рассчи­танных на разливочные температуры и сроки работы. Жаропрочные стали и сплавы —это материалы, которые рабо­тают при высоких температурах в течение заданного периода вре­мени в условиях сложнонапряженного состояния. Главной харак­теристикой, определяющей работоспособность стали или сплава, является жаропрочность. Под жаропрочностью понимают напряжение, вызывающее заданную деформацию, не приводящую к разрушению, которое спосо­бен выдерживать металлический материал в конструкции при оп­ределенной температуре за заданный отрезок времени. Если огова­риваются напряжение и время, то эта характеристика называется пределом длительной прочности. Если оговариваются напряжение, время и деформация, то такая характеристика называется пределом ползучести.

 Надежность работы металла оценивается не только прочностью, но и пластичностью, которую он сохраняет до конца службы. По­этому второй важной характеристикой жаропрочного материала является запас пластичности, который определяется такими пока­зателями, как … при испытаниях на длительную прочность, KCU после длительного старения и чувствительность к надрезу при испы­тании образцов с надрезом на длительную прочность. Для жаропрочных материалов хорошими показателями являются 6 и ф при испытаниях на длительную прочность, если значения составляют соответственно 10 и 10 %. Значение KCU оговаривается, исходя из условий работы материала.

Чувствительность к надрезу определяется как отношение времен до разрушения надрезанного и гладкого образцов, испытанных при омой и той же температуре я напряжении. Считается, что сплав нечувствителен к надрезу, если это отношение больше или равно единице.

Поскольку подъем температуры до рабочей протекает во времени, а начало работы, как правило, соответствует климатической температуре окружающей среды, важно также, чтобы и значения прочности и пластичности, свойственные материалу при комнатной температуре, были бы достаточно высокими. Для дисперсионнотвердеющих никелевых и железоникелевых сплавов значения прочности составляют >1200 МПа, >800 МПа. Несмотря на то что по­давляющее число жаропрочных сплавав не имеет температурного порога хрупкости, или имеет его ниже рабочей температуры или температуры технологического передела, наличие различных кон­центраторов напряжений в реальных конструкциях неизбежно ставит вопрос о низкой чувствительности сплавов к наличию надрезов или острых трещин. С этой целью значение KCU должно быть как мож­но выше. Поскольку жаропрочные сплавы работают в условиях сложно-напряженного состояния, характеризующегося постоянными измене­ниями величины и знака нагрузок, высокое сопротивление усталости при высоких температурах также важно, как и характеристики ус­талостной прочности для материалов, работающих при обычных климатических условиях. Сложность современных технических решений конструкций обусловливает необходимость иметь материалы с высокими техно­логическими свойствами. Например, при изготовлении лопаток га­зотурбинных двигателей применяют такие операции, как ковка или точная штамповка, механическая обработка прутков и готовых из­делий, шлифовка, полировка, прецизионное литье. При изготовле­нии камер сгорания из листовых жаропрочных материалов широко применяют холодную штамповку, прессовку, гибку, точечную сварку, клепку. Широкое распространение в последние годы получили свар­ка электродом, диффузионная сварка, сварка трением, пайка изде­лий.

Не следует упускать из вида н тот факт, что жаропрочные стали и сплавы по своей природе сохраняют высокие значения прочности не только до рабочих, но и до технологических температур, что на­кладывает свой отпечаток на всю технологию передела металла, на­чиная от деформации слитка и кончая конечными операциями до­водки изделий до необходимых размеров и требуемой чистоты по­верхности.

2. Деформация сталей и сплавов под действием ограниченных нагрузок

Если воздействующие на металл напряжения близки к пределу те­кучести, то металл будет медленно деформироваться в течение вре­мени, зависящем от величины напряжения и температуры испыта­ния. Это явление носит название ползучести. Ползучесть имеет место при всех температурах, начиная от абсолютного нуля до темпера­туры плавления, однако механизм ползучести зависит от температур­ного интервала. Различают ползучесть логарифмическую, высоко­температурную и диффузионную.

Логарифмическая ползучесть имеет место при низких темпера­турах, когда из-за низкой диффузионной подвижности элементов невозможен возврат механических свойств. В процессе ползучести металл постепенно упрочняется н скорость ползучести уменьшается. Характерная черта низкотемпературной ползучести — пропорцио­нальность удлинения логарифму времени.

Наиболее распространенный в технике вид ползучести охваты­вает температурный интервал 0,4—0,7 Тпл металла основы. В на­стоящем справочнике приведены данные, охватывающие этот ин­тервал температур.

При температурах выше 0,7 Тпл металла основы интенсивно развивается ползучесть вследствие ориентированной диффузии атомов под действием приложенных напряжений. Так, если к материалу прикладываются растягивающие напряжения, то атомы сплава интенсивно диффундируют в направлении к концам образца, а ва­кансии, наоборот, продвигаются в противоположном направлении. Длина образца при этом увеличивается.

3. Основные виды деформаций

при нагружении поликристаллических образцов

Прежде чем переходить к способам определения характеристик длительной прочности и ползучести, необходимо рассмотреть под­робнее само явление ползучести. Промышленный металл массового потребления всегда представляет собой поликристалл. Под действием напряжений, прикладываемых к металлу, он испытывает различные виды деформации; упругую, вязкую и пластическую. Упругая де­формация е описывается законом Гука: где а — приложен­ное напряжение; Е—модуль Юнга.

В отличие от упругой деформации вязкое течение характеризу­ется наличием деформации при условии пропорциональности при­ложенному напряжению не величины деформации, а скорости деформации. Вязкую деформацию в поликристаллических металлах связывают в основном с проскальзыванием по границам зерен. Вяз­кая деформация, подобно упругой, устраняется после снятия напря­жений. Она особенно четко проявляет себя при высоких температу­рах н может протекать одновременно с упругой деформацией, при­водя к рассеянию механической энергии в виде тепла. Это так на­зываемое внутреннее трение.

Пластическая деформация, наблюдаемая при приложении нагрузки, в отличие от упругой и вязкой деформаций, не устраняется после снятия нагрузки и фиксируется при механических испытаниях в виде остаточного удлинения и сужения.

Высокое сопротивление окислению сталей и сплавов связано в первую очередь с большим количеством хрома, входящего в состав сплавов. Например, максимальное содержание хрома (по  массе) в количестве 26—29 % имеет сплав на основе ни­келя ХН70Ю.

Однако повысить температурный предел работы никелевых и железных сплавов путем дальнейшего увеличения содержания од­ного лишь хрома не удается. Дело в том, что с увеличением содер­жания хрома свыше 30 % заметно снижается температура плавления железных и никелевых сплавов, но главное — сплавы становятся нетехнологичными в металлургическом производ­стве.

Многолетний опыт создания технологических сталей и сплавов, стойких против газовой коррозии, показал, что деформируемые сва­риваемые жаростойкие материалы для службы в условиях до 800″С могут быть созданы на основе систем Fe—Cr, Fe-—Cr—Mn—N; для температур выше 800 °С в качестве основы необходимо ис­пользовать- аустенит системы Fe—№—Cr. Выбор аустенитной структуры обусловлен необходимостью иметь при высокой темпера­туре достаточный запас длительной прочности, свариваемости и пла­стичности. Ферритная структура сталей типа Х25, Х28, Х25Т обеспечива­ет высокую стойкость в различных газовых средах, однако этим ста­лям свойственны охрупчивание, низкая жаропрочность и хрупкость сварных соединений.

Из общего анализа процесса окисления сложного сплава вы­текает, что основными факторами, определяющими сопротивление сплава окислению при длительной службе, являются физико-хими­ческие свойства образующихся окнекых соединений компонентов сплава, сродство компонентов к кислороду, химические и структур­ные изменения в слоях металла на границе металл—окалина.

Легирование основы каким-либо элементом может сопровож­даться при окислении:

—                образованием собственного окисла добавляемого элемента, на внешней или внутренней стороне окалины;

—                 образованием смешанных окислов или шпинелей на основе компонентов сплава;

—                  изменением адгезионных свойств окалины;

—                 изменением состава и структуры металла в подокалинных слоях;

—                образованием включений окислов в теле или по границам зерен за счет внутреннего окисления;

‘ — образованием при окислении летучих продуктов.

В настоящее время применяется широкий арсенал методов ис­следования процесса окисления сложнолегированных композиций сплавов. Основной характеристикой стойкости сплава против окис­ления остается увеличение массы образца, реже применяется оценка по потере массы, определяемая в результате удаления окалины пу­тем травления или ее восстановления.

Из структурных методов, помимо широкого применения рентгеноструктурного анализа фазового состава окалины, существенную информацию дает метод электронографии. Именно с помощью электронографического анализа удалось расшифровать структуру окис­лов в начальной стадии окисления и построить модели слоистого строения окалины.

 

markmet.ru

Жаростойкие стали и сплавы

Жаростойкость – способность металла сопротивляться окислению в газовой среде или в других окислительных средах при повышенных температурах. Жаропрочные сплавы в принципе должны быть и жаростойкими, иначе они быстро выходят из строя из-за быстрого окисления. Однако жаростойкие сплавы не всегда бывают жаропрочными.

К жаростойким относятся стали и сплавы, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при температурах выше 550 ºС и обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах.

Повышение жаростойкости сплавов заключается в легировании добавками, которые, не снижая показателей жаропрочности и других свойств, снижают скорость окисления сплавов за счет образования на их поверхности плотной защитной пленки окислов, хорошо связанных с основой. Диффузия (особенно кислорода) через оксидные пленки затруднена, что приводит к торможению процесса дальнейшего окисления.

Жаростойкость стали достигается введением хрома, никеля, алюминия или кремния, образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr,Fe)₂O₃, (Al,Fe)₂О (рис. 5.7). Введение в сталь 5–8 % хрома повышает жаростойкость до 700–750 °С, 17 % – до 1000 °С, 25 % – до 1100 °С. Дополнительное легирование к 25 % хрома 5 % алюминия повышает жаростойкость до 1300 °С.

Рис. 5.7. Влияние содержания различных элементов на относительную скорость

окисления железа на воздухе в интервале температур 900−1000 ºС

 

Жаростойкие стали и сплавы разделены на следующие группы:

· хромистые и хромоалюминиевые стали ферритного класса;

· хромокремнистые мартенситного класса;

· хромоникелевые аустенитные стали;

· сплавы на хромоникелевой основе.

К группе ферритных хромистых и хромоалюминиевых сталей отнесены высокохромистые стали на основе 13–28 % Сr, которые при достаточно низком содержании углерода и легирования их ферритообразующими элементами имеют однофазную ферритную структуру. Эти стали применяют для изготовления теплообменников, деталей аппаратуры химических производств, печного оборудования и других изделий, которые не испытывают значительных нагрузок и работают при высоких температурах длительное время (08Х17Т, 15Х25Т, 15Х28, 1Х13Ю4). Чем выше содержание хрома, алюминия и кремния в сталях, тем больше температуры, при которых они сохраняют требуемые эксплуатационные свойства.

Стали ферритного класса обладают невысокой прочностью и жаропрочностью, высокой пластичностью и удовлетворительными технологическими свойствами.

Изделия из хромоалюминиевых сталей (содержание Аl от 3,5 до 5,8 %) устойчивы в атмосфере воздуха, в среде сернистых газов, но резко теряют работоспособность в восстановительных средах, содержащих окись углерода, пары воды, а также в хлорсодержащих средах. При длительной работе в азотсодержащих средах образуются нитриды алюминия, которые устойчивы до высоких температур и не оказывают вредного влияния на свойства сталей.

Хромистые и хромоалюминиевые стали имеют крупный недостаток: они могут охрупчиваться в процессах технологических нагревов и длительных выдержек при повышенных температурах во время эксплуатации.

Жаростойкие стали, имеющие повышенное содержание углерода (до 0,5–0,8 %) и легированные совместно хромом (6–14 %) и кремнием (1–3 %) (15Х6СЮ, 40Х10С2М), называются сильхромами. Они обладают хорошим сопротивлением газовой коррозии в продуктах сгорания различных видов топлива и высокой износостойкостью при трении и ударных нагрузках. Термическая обработка сильхромов состоит чаще всего из закалки на мартенсит и высокого отпуска или, реже, из нормализации.

Основное назначение сталей этой группы – клапаны автомобильных, тракторных и авиационных двигателей средней мощности. Кроме того, сильхромы используют в качестве жаростойких сплавов для изготовления регуляторов, теплообменников и колосниковых решеток в котельном и химическом машиностроении.

Жаропрочные свойства сильхромов до 600 °С достаточно высоки, а при более высоких температурах резко снижаются.

В качестве жаростойких сталей аустенитного класса применяются главным образом стали на хромоникелевой основе. Эти стали не имеют больших преимуществ по жаростойкости перед высокохромистыми сталями ферритного класса, но выгодно отличаются от них по уровню механических свойств, в том числе жаропрочных, технологичности (способности к глубокой вытяжке, штамповке, свариваемости). Они также менее склонны к охрупчиванию после длительных выдержек при высоких температурах.

Недостатками сталей этого класса являются их сравнительно высокая стоимость, использование в больших количествах дефицитного никеля, низкие теплопроводность и сопротивление газовой коррозии в средах.

Аустенитные стали (08X18Н9Т, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 20Х25Н20С2) используют в качестве жаростойкого материала для выхлопных систем, труб, листовых и сортовых деталей при температурах 600–800 °С и невысоких нагрузках. Повышение жаростойкости аустенитных сталей достигается увеличением содержания в стали хрома, никеля, а также дополнительным легированием кремнием. В качестве жаростойких материалов для работы в науглероживающих средах до 1100 °С (например, печные контейнеры и арматура) используют стали с повышенным содержанием углерода (сталь 36Х18Н25С2).

Термическая обработка аустенитных жаростойких сталей заключается обычно в закалке от температур 1000–1050 °С.

Жаростойкие сплавы на никельхромовой основе (нихромы) получили значительное распространение в качестве материалов для работы при 800–1100 °С, а при кратковременной работе – до 1200 °С. Эти сплавы применяют для изготовления деталей газовых турбин, не испытывающих больших рабочих нагрузок и работающих при высоких температурах (камеры сгорания, жаровые трубы, нагревательные элементы электрических печей и другие детали).

Сплавы представляют собой в основном твердый раствор хрома (15–27 %) в никеле с решеткой ГЦК, слабо упрочняются при термической обработке, имеют высокую пластичность, высокое электросопротивление и хорошие технологические свойства. В качестве элементов, дополнительно повышающих жаростойкость нихромов, применяются алюминий (до 3,5 %), титан, молибден, ниобий в небольших количествах, а также вольфрам.

 

5.7. Инструментальные стали и сплавы для обработки
материалов резанием

К инструментальным относят стали и сплавы, применяемые для обработки материалов резанием и давлением и обладающие определенными свойствами (твердостью, теплостойкостъю (красностойкостью), износостойкостью, прокаливаемостью и др.) в условиях эксплуатации.

Стали для режущего инструмента (резцы, сверла, фрезы, протяжки, метчики, пилы и т. д.) должны обладать высокой твердостью режущей кромки – НRС 63–66; высокой прочностью и сопротивлением малой пластической деформации; теплостойкостью (красностойкостью), особенно при высоких скоростях резания и обработке труднообрабатываемых деталей.

Углеродистые инструментальные стали (У7–У13, У7А–У13А) являются наиболее дешевыми. Их применяют для изготовления малоответственного режущего инструмента, работающего при малых скоростях резания, не подвергаемого разогреву в процессе эксплуатации.

Достоинствами углеродистых сталей является то, что в малых сечениях (до 15–20 мм) после закалки достигается высокая твердость в поверхностном слое (63–66 НRС) и мягкая, вязкая сердцевина инструмента. Такие свойства благоприятны для ручных метчиков, напильников, пил, стамесок и т. д. В отожженном состоянии углеродистые стали имеют структуру зернистого цементита с низкой твердостью (1500–1800 НВ), что обусловливает их хорошую обрабатываемость при изготовлении инструмента. Углеродистые стали имеют низкую температуру закалки, что делает нагрев под закалку технологически легко выполнимым, вызывает малое окисление и обезуглероживание инструмента.

Недостатками углеродистых сталей являются малая прокаливаемость и закаливаемость. Они не позволяют применять эти стали для инструмента сечением более 20–25 мм. Стали нетеплостойки, высокая твердость их сохраняется лишь до температур 250–200 °С. Стали имеют высокую чувствительность к перегреву вследствие растворения избыточных карбидов в аустените.

Легирование инструментальных сталей для режущего инструмента хромом, ванадием (7ХФ, 9ХФ), вольфрамом (ХВ4, В2Ф) позволяет уменьшить недостатки углеродистых сталей. Подобные стали используют для изготовления метчиков, пил, зубил, отрезных матриц и пуансонов, ножей холодной резки, подвергаемых местной закалке.

Стали с вольфрамом имеют повышенное содержание углерода, что обеспечивает получение карбида Ме₆С и мартенсита с высоким содержанием углерода, благодаря чему эти стали имеют после закалки наиболее высокую твердость (65–67 НRС) и износостойкость. Они применяются для обработки твердых металлов, например валков холодной прокатки, при небольшой скорости резания.

В группу сталей глубокой прокаливаемости входят хромистые стали с более высоким содержанием хрома (1,4–1,7 %) и стали комплексно-легированные несколькими элементами (хромом, марганцем, кремнием, вольфрамом).

Комплексно-легированные стали 9ХС, ХГС, ХВГ обладают высокой прокаливаемостью. Особенно это относится к сталям с марганцем, поэтому стали типа ХВГ применяют для крупного режущего инструмента, работающего при малых скоростях резания (протяжки, развертки, сверла и др.). Легирование кремнием позволяет повысить устойчивость против отпуска. Стали 9Х5ВФ и 8Х4В2М2Ф2 применяют для деревообрабатывающего режущего инструмента. Однако существенным недостатком перечисленных легированных сталей является их низкая теплостойкость, что исключает возможность их применения для режущего инструмента, эксплуатируемого в тяжелых условиях, связанных с разогревом режущей кромки. В таких условиях работы можно применять лишь стали с высокой теплостойкостью, т. е. быстрорежущие.

Применение быстрорежущих сталей для режущего инструмента позволяет повысить скорости резания в несколько раз, а стойкость инструмента – в десятки раз. Главной отличительной особенностью быстрорежущих сталей является их высокая теплостойкость или красностойкость (600–700 °С) при наличии высокой твердости (63–70 НRС) и износостойкости инструмента. Уникальные свойства быстрорежущих сталей достигаются посредством специального легирования и сложной термической обработки, обеспечивающих определенный фазовый состав.

Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей, обеспечивающими высокую красностойкость, являются вольфрам, молибден, ванадий и углерод. Кроме них, все стали легируют хромом, а некоторые – кобальтом.

Быстрорежущие стали обозначаются первой буквой Р (от слова «рапид» – скорость), следующая цифра указывает на содержание вольфрама, причем буква «В» пропускается (Р18). Содержание молибдена, который часто добавляют из экономии вольфрама, ванадия, кобальта, указывается соответственно после букв М, Ф и К: Р6М5, Р6М5Ф3, Р6М5К8, Р12МЗФ2К5.

Термическая обработка быстрорежущих сталей включает смягчающий изотермический отжиг проката или поковок перед изготовлением инструмента и окончательную термическую обработку – закалку с трехкратным отпуском готового инструмента для уменьшения количества остаточного аустенита. Схема термической обработки инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 приведена на рисунке 5.8.

 

 

Рис. 5.8. Схема режима термической обработки быстрорежущей стали

 

Путем корректировки содержания углерода и легирующих элементов была создана группа кобальтосодержащих сталей, обладающих повышенной теплостойкостью и называемых «сверхбыстрорежущими»: Р12МЗФ2К5, Р12МЗФ2К8, Р12МЗФЗК10, Р9МЗК6С, 10Р6М5К5 и др.

Несмотря на высокую стоимость кобальтовых сталей, некоторое снижение пластичности и прочности при изгибе и склонность к обезуглероживанию в процессе нагрева под горячее деформирование и закалку, их рационально применять для обработки резанием коррозионно-стойких, жаропрочных сталей и сплавов.

Повышение свойств и качества быстрорежущих сталей может быть достигнуто с помощью производства этих сталей методами порошковой металлургии.

Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется более однородной и мелкозернистой структурой, более равномерным распределением карбидной фазы, меньшей деформируемостью при термической обработке, лучшей шлифуемостью, более высокими технологическими и механическими свойствами, чем стали аналогичных марок, полученные по традиционной технологии.

Применение методов порошковой металлургии привело к созданию новых материалов, обладающих уникальным сочетанием свойств, – твердых сплавов. Современные порошковые (спеченные) твердые сплавы – это композиции, состоящие из твердых, тугоплавких соединений (карбиды и карбонитриды титана, вольфрама, тантала и др.) в сочетании с цементирующей (связующей) составляющей (кобальт, никель, молибден и др.). Их получают, смешивая порошки карбида и связующего материала, спрессовывая их в формы и спекая при высокой температуре 1250–1500 °С. Такой инструмент не подвергается термической обработке, а лишь затачивается.

Твердые сплавы имеют значительно более высокую красностойкость (выше 800–1000 °С) (рис. 5.9), твердость и износостойкость, чем быстрорежущая сталь. Однако их вязкость меньше, и они очень чувствительны к действию ударных нагрузок.

 

Рис. 5.9. Влияние температуры на твердость твердых сплавов и быстрорежущей стали:

1 – быстрорежущая сталь; 2 – WC+9 % Co; 3 – WC+6 % Co; 4 – WC–TiC–TaC–Co

 

Твердые сплавы, применяемые для оснащения режущего инструмента, по составу и областям применения можно разделить на четыре группы: вольфрамокобальтовые ВК (WC–Со), титановольфрамовые ТК (WC–TiC–Co), титанотанталовольфрамовые ТТК (WC–TiC–TaC–Co), безвольфрамовые БВТС на основе карбонида и карбонитрида титана (TiC–Ni–Mo, TiCN–Ni–Mo) (табл. 5.4). Для стабилизации физико-механических свойств тугоплавкая составляющая и связка безвольфрамовых сплавов дополнительно легируются рядом элементов (W, Na, Zr, B, Hf).

Таблица 5.4

Похожие статьи:

poznayka.org