6.4.6. Жаростойкие стали и сплавы

Жаростойкость  это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени. Если деталь или изделие работают в окислительной газовой среде при температурах выше 500…550 С без больших нагрузок, то иногда достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей, ящики для цементации и т.д.).

Процесс окисления  это сложный процесс. Здесь наблюдаются и чисто химическое взаимодействие металла с кислородом, и диффузия атомов кислорода и металла через слой окислов. Поэтому строение окисной пленки имеет большое значение для жаростойкости металлов. Чем плотнее и прочнее окисная пленка, тем меньше через нее скорость диффузии, тем выше жаростойкость сплава.

Основной способ повышения жаростойкости  легирование хромом, алюминием или кремнием, образующими на поверхности изделия плотные окислы Cr₂O₃, Al₂O₃ и SiО₂, затрудняющие процессы диффузии.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы применяют для деталей, работающих в газовых средах при температуре 550…900 С. Жаростойкие стали содержат алюминий, хром и кремний. Такие стали не образуют окалины при высоких температурах.

Сюда относят сталь 40Х9С2, используемую для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, теплообменников, работающих до 850 С, сталь 08Х17Т  для деталей, используемых в среде топочных газов с повышенным содержанием серы (рабочая температура не более 900 С), и сталь 36Х18Н25С2 (рабочая температура не более 1100 С)  для клапанов двигателей внутреннего сгорания большой мощности, печных конвейеров и т.п.

Жаростойкие сплавы на никелевой основе представляют собой малоуглеродистые NiCr, NiCrFe или NiCrWFe твердые растворы, легированные Si, Al, Ti. Эти сплавы, имея, в основном, структуру гомогенных твердых растворов, отличаются сочетанием высокой жаростойкости и значительным электрическим сопротивлением (1,05…1,40 Ом  мм²/м); их температура плавления составляет 1370…1420 С, предел прочности на растяжение  700…1000 МПа, относительное удлинение  20…40 %. Они имеют хорошие технологические свойства, что позволяет их сваривать, изготавливать из них проволоку, лист, ленту. Нихромы применяют для изготовления нагревательных элементов электрических печей и бытовых приборов, изделий, эксплуатируемых при высоких температурах и небольших механических нагрузках. В промышленности нашли применение нихромы типа Х10Н90, Х20Н80, Х40Н60, Х50Н50, а также нихромы с дополнительным легирование  Х20Н75БЕЮ, Х25Н60В15Т. Наибольшей жаростойкостью в окислительных средах обладают нихромы Х20Н80, Х30Н70.

Для агрессивных сред (продукты сгорания топлива, содержащие соединения серы и др.) используют нихромы Х50Н50 и Х40Н60.

Недостатком этих сплавов является их хрупкость, что не позволяет использовать их в качестве материалов для деталей, работающих в напряженном состоянии и при динамических нагрузках.

6.4.7. Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе

К тугоплавким металлам относятся металлы с температурой плавления более 1800 С. Наибольшее распространение в промышленности получили элементы ниобий и тантал, хром, молибден, вольфрам и рений.

Уникальные физико-механические свойства этих металлов, прежде всего высокие температуры плавления и жаропрочность сплавов тугоплавких металлов, позволяют использовать их для изготовления деталей и узлов, работающих в сложных экстремальных условиях: авиационной, ракетно-космической, атомной технике, приборостроении, радиоэлектронике. Изделия из тугоплавких металлов и сплавов на их основе работают при температурах больше 1000…1500 С как в кратковременном режиме, так и в условиях относительно длительной эксплуатации.

Однако тугоплавкие металлы склонны к хрупкому разрушению, так как им присуща высокая температура хладноломкости. Примеси внедрения, такие, как C, N, H, O, еще более повышают ее. Наиболее чистые металлы, получаемые зонной очисткой, имеют порог хрупкости в области минусовых температур и хорошую пластичность при комнатной температуре. Так, если для металлокерамического молибдена температура перехода в хрупкое состояние +200 С, то для молибдена, полученного зонной плавкой в вакууме, порог хрупкости 196 С.

Тугоплавкие металлы обладают низкой жаростойкостью. При температуре свыше 400…600 С их нужно защищать от окисления, иначе свойства тугоплавких металлов и сплавов резко ухудшаются. Для этих целей применяют металлические, интерметаллические и керамические покрытия. Для молибдена и вольфрама в качестве защитных покрытий наиболее часто используют силицидные покрытия (MoSi₂, WSi₂). При работе деталей в вакууме, инертных средах покрытия не нужны. Не требуется защитных покрытий для деталей и сплавов хрома, так как он обладает жаростойкостью до 1000 С из-за образования плотной тугоплавкой оксидной пленки Cr₂O₃.

Теплоустойчивые стали применяют в энергетическом машиностроении для деталей, работающих под нагрузкой при температуре 500…650 С в течение длительного времени. В зависимости от условий работы для изготовления деталей используют низколегированные стали после соответствующей термической обработки. Например, детали из стали 12МХ используются при 510 С (трубы паронагревателей, трубопроводы и коллекторные установки высокого давления, паровые котлы, детали цилиндров, газовые турбины и т.д.). Для тех же целей применяется сталь 12Х1МФ (рабочая температура 570…590 С). Сталь марки 15Х5 применяется для труб, деталей насосов, лопаток, подвесок котлов (рабочая температура 600 С).