книги из ГПНТБ / Шведов Л.И. Хромоникельалюминиевая жаростойкая сталь

Л. И. ШВЕДОВ

ХРОМОНИКЕЛЬАЛЮМИНИЕВАЯ ЖАРОСТОЙКАЯ СТАЛЬ

П о д р е д а н ц и е й анадемина АН БССР Н. В. Г О Р Е В А

Издательство „Наука и техника Минск 1974

urn

удк в в 9 м и ш

Ш в е д о в Л. И. Хромоникельалюминиевая жаростойкая сталь.

Минск, «Наука и техника», 1974, стр. 120.

В монографии изложены результаты исследования влия­ ния алюминия на фазовый состав, структуру и свойства хромо­ никелевых сталей. Приведены диаграммы состояния сплавов железного угла четверной системы Fe—Сг—Ni—А1. Дается химический состав, характеристика свойств и технология про­ изводства новой хромоникельалюминиевой жаростойкой стали аустенитного класса ЗХ15Н13ЮЗ.

Приводятся сравнительные данные о составе и свойствах этой стали и применяемых в настоящее время жаростойких сталях. Эти данные показывают, что новая сталь значительно экономичнее, содержит пониженное количество никеля, хрома, но по свойствам не уступает, а в ряде случаев значительно превышает свойства широко используемых в промышленности сталей.

Таблиц 15. Рисунков 26. Библиография — 70 названий. Книга предназначается для научных сотрудников и работ­

ников машиностроительной и металлургической промышленно­ сти, проектных, технологических, научно-исследовательских институтов и вузов.

Ш03111—029 136—74 М316—74

Рецензенты:

кандидат технических наук В. И. ТУТОВ, кандидат технических наук Е. П. ПУХОВСКИИ, кандидат технических наук В. А. ГРИНБЕРГ

(q ) Издательство «Паука и техника», 1974.

ВВЕДЕНИЕ

В ряде областей машиностроения в агрегатах, рабо­ тающих при высоких температурах, используются жа­ ростойкие стали и сплавы. Из них изготавливают различ­ ные детали, от которых требуется высокое сопротивление окалинообразованшо при относительно невысоких проч­ ностных свойствах: это, например, камеры сгорания в газовых турбинах, радиационные трубы н другая арма­ тура в различных термических агрегатах, поддоны, му­ фели, решетки, горшки для отжига и прочие детали пе­ чей для термической обработки металла, керамики и дру­ гих материалов. От этих деталей требуется также высо­ кая термостойкость, т. е. сопротивление разрушению при

резком изменении температурных условий” в процессе работы.

В настоящее время для изготовления таких деталей широко применяются высоколегированные жаростойкие стали аустенитного класса и сплавы на никелевой осно­ ве. Эти стали отличаются высокой жаропрочностью, жаростойкостью и термостойкостью, они не претерпе­ вают полиморфных превращений в процессе работы. В противоположность ферритным и аустенитно-феррит­ ным сталям у аустенитных рост зерна при повышении температуры не сопровождается появлением хрупкости. Литейные аустенитные стали имеют достаточно хорошие технологические свойства — высокую жидкотекучесть, хорошую свариваемость, удовлетворительную обраба­ тываемость резанием [1, 2].

Однако стали аустенитного класса содержат большое количество дорогостоящего и остродефицитного никеля, хром, а также другие легирующие элементы. Большое количество никеля вводится в эти стали по ряду причин.

Во-первых, он обеспечивает получение аустенитной структуры с более плотно упакованной гранецентриро­ ванной кристаллической решеткой, энергия связи атомов в которой значительно выше, чем в сталях с ферритной структурой, имеющей объемноцентрированную решетку. Поэтому жаропрочность аустенитных сталей выше, чем у других классов. Во-вторых, никель более устойчив к коррозии и окалинообразованию при высоких темпера­ турах, чем железо, и при введении его в сталь заметно повышается жаростойкость последней. В-третьих, ни­ кель, вступая в реакцию с рядом легирующих элементов (алюминием, титаном и др.), может давать тугоплавкие химические соединения, имеющие переменную растворимость с изменением температуры. Эти соединения при соответствующей термической обработке (закалка + ста­ рение) выпадают из твердого раствора в виде мелкодис­ персной фазы, значительно упрочняющей сталь при вы­ соких температурах.

Легирование жаростойких сплавов хромом в боль­ шом количестве также необходимо вследствие того, что он, значительно повышая жаростойкость, упрочняет основу сплава — твердый раствор при растворении в нем и в сочетании с никелем при определенных концентра­ циях способствует образованию аустенитной структуры в стали при меньшем содержании последнего.

Особый интерес в качестве легирующего элемента для жаростойких сталей представляет алюминий, кото­ рый является самым распространенным металлом в зем­ ной коре [3]. В соединении с никелем он образует фазы, повышающие жаропрочность стали, и, создавая на по­ верхности плотную пленку окислов, повышает сопротив­

Процессы внутри этого поверхностного слоя и на грани-

4

материалов для нагревательных элементов при самых высоких температурах (до1300°С). Они содержат 5— 6% алюминия и около 25% хрома. В сплавах Fe — А1 для получения высокой окалиностойкости при этой тем­ пературе требуется введение 12% алюминия, при 1100 °С —10 и при 1000 °С —6% алюминия [7]. Скорость

При поглощении азота в алюминийсодержащей стали снижается жаростойкость. Поглощаемый азот связы­ вается алюминием в нитрид алюминия и образует неме­ таллические включения. В результате уменьшается необ­ ходимое для образования защитного слоя количество алюминия. Поэтому стали с алюминием нежелательно использовать для работы в азотсодержащей среде и в продуктах сгорания со значительным избытком азота.

В серусодержащей атмосфере алюминий, как и крем­ ний, улучшает стойкость стали только при высоком его

его в сплавах, работающих при высоких температурах, должно быть ограничено.

Углерод оказывает как положительное, так и отри­ цательное влияние на свойства жаростойких сплавов. Присутствие его в жаростойких сталях обусловлено ря­ дом причин. Во-первых, углерод является сопутствую­ щей примесью, связанной с технологическим процессом производства стали. Производство безуглеродистой ста­ ли очень сложно и дорого, а сама сталь обладает низки­ ми литейными свойствами. Во-вторых, он является аусте­ нитообразующим элементом. Растворяясь в твердом растворе, углерод расширяет область у и стабилизирует аустенитную структуру. В-третьих, углерод образует бо­ лее или менее устойчивые карбиды с рядом металлов, ко­ торые соответствующим образом упрочняют сплав. От-

6

Г л а в а /

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СИСТЕМЕ F e - C r - N i - A I В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ

ИВЛИЯНИЕ НА НИХ УГЛЕРОДА

Вработе по изысканию новых сплавов, связанной с изучением влияния легирующих элементов и условий термической обработки на свойства, идут не только пу­ тем эмпирического исследования. Используя диаграммы состояния и общие положения металловедения, достаточ­ но провести пробные опыты сразу же на образцах от­ дельных критических составов. Они позволяют судить о возможных свойствах новых сталей и указывают направ­ ление для дальнейших исследований. Для суждения о свойствах многокомпонентных сплавов, какими являют­ ся жаростойкие стали, необходимы соответствующие диаграммы. В литературе диаграмм состояния с тремя и более компонентами имеется очень мало, поэтому в большинстве случаев их необходимо строить.

Вработе И. И. Корнилова [8] сделана попытка изу­

женных с ней двухфазных областей у+|3 и у+6, которые представляют наибольший интерес при изыскании составов жаростойких сплавов с повышенными характе­ ристиками сопротивления ползучести при высоких тем­ пературах. Под р и б автор, очевидно, имел в виду фазу

вов системы Fe — Сг — Ni — А1, относящихся к области

8

у и граничащих с ней областей, необходимо исходить из имеющихся в литературе данных по фазовому строению тройных диаграмм состояния сплавов систем Fe — С г—■

— Ni, Fe — Ni — Al, Fe — Cr — A1 и Cr — Ni — Al, вхо­ дящих в эту четверную систему.

Обзор большого количества работ по тройной систе­ ме сплавов Fe — Сг — Ni и достаточно глубокий их ана­ лиз сделаны в монографии [9]. В ней приведен ряд политермических разрезов при постоянном содержании железа и никеля, изотермические разрезы и проекции по­ верхностей ликвидуса и солидуса, отражающих фазовое состояние сплавов при различных температурах. Боль­ шой интерес представляют изотермические разрезы же­ лезного угла диаграммы Fe—Сг—Ni при 650 и 800 °С, построенные по данным изотермического превращения в

ра в тройной системе в равновесном состоянии, имеющей наиболее важное значение для разработки сталей аусте­ нитного класса, работающих при высоких температурах. Столь длительные выдержки при отжиге Fe — Сг — Ni сплавов связаны с очень медленным достижением в них равновесия особенно при температурах ниже 700°С. Сравнивая эти разрезы с данными других исследовате­ лей, полученными на технически чистых сплавах [12], видно, что область у-твердого раствора с повышением чистоты сплавов и времени изотермического превраще­ ния значительно сужается.

Влияние углерода на диаграмму состояния сплавов тройной системы Fe — Сг — Ni изучалось в работе [13]. В ней показано, что углерод стабилизирует аустенит и смещает границы появления а- и а-фаз в сторону боль­ шего содержания хрома, расширяя тем самым область аустенитного твердого раствора у. На рис. 1, а и б пока­

углеродистых сплавах (сплошные границы). Но на этих сечениях не показана область существования карбидов,

9