Теплоустойчивые стали Низколегированные стали перлитного класса

1.Общая характеристика сталей.

Теплоустойчивыми сталями называют стали, предназначенные для длительной работы при температуре до 600^оС. Теплоустойчивые стали используются в энергетическом, химическом и нефтехимическом машиностроении. Из данных сталей изготавливают различные установки, корпуса турбин, запорную арматуру, корпуса аппаратов, паропроводы, технологические трубопроводы, поверхности нагрева котлов и пр. Их широкое применение определяется сравнительно низкой стоимостью и достаточно высокой технологичностью при производстве отливок, поковок, проката и изготовлении из них сварных конструкций.

В соответствии с условием длительной работы под напряжением при высоких температурах стали должны обладать:

 сопротивлением ползучести,

 длительной прочностью,

 стабильностью свойств во времени

 жаростойкостью.

Теплостойкость  способность металла противостоять деформации и разрушению при механическом нагружении в области высоких температур, когда для стали ещё не возникает склонность к интенсивному окалинообразованию.

Широкое применение нашли низкоуглеродистые хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые стали перлитного класса, содержащие 0,09  0,25 % C, 0,5  2,0 % Cr, 0,2  1,0 % Mo, 0,1  0,3 % V, а также в некоторых случаях небольших добавок ниобия, бора и редкоземельных элементов.

Перлитные стали под действием высокой температуры и нагрузки могут проявлять нестабильность структуры и связанные с ней структурные изменения:

 сфероидизация перлита и коагуляция частиц карбидной фазы,

 графитизация,

 перераспределение элементов между твердым раствором и карбидной

фазой,

 образование новых и перерождение старых фаз  химических соединений

(-фаза и др.).

Для уменьшения этих явлений используется легирующая композиция, указанная выше. Легированием Cr повышает жаростойкость сталей, т.е. сопротивление стали окислению, предотвращает графитизацию в процессе эксплуатации при температуре выше 450^о С. При введении в сталь Cr в пределах 1,0  1,5 % совместно с Mo повышается длительная прочность и сопротивление ползучести. Mo также повышает прочность стали при повышенных температурах. Такое положительное влияние объясняется его способностью при содержании 0,5  1,0 % повышать температуру рекристаллизации железа и участием в образовании упрочняющей металл фаза Лавеса Fe₂Mo. Легирование V обеспечивает упрочнение стали высокодисперсными карбидами и способствует стабилизации карбидной фазы.

Оптимальное сочетание механических свойств изделий из перлитных теплоустойчивых сталей достигается применением термического упрочнения: нормализация (или закалка) с последующим высокотемпературным отпуском. При термическом упрочнении обеспечивается структура, состоящая из дисперсной ферритокарбидной смеси. У хромомолибденованадиевых сталей в случае закалки появляется бейнитная составляющая.

К теплоустойчивым перлитным сталям относятся:

 хромомолибденовые стали: 12МХ, 15ХМ, 20ХМЛ, 15Х5М, структура после термического упрочнения ферритоперлитная, рабочие температуры 500  550 ^оС (рис 1,а);

 хромомолибденованадиевые стали: 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ, 12Х2МФСР, структура после термического упрочнения ферритобейнитная, рабочие температуры 550  600 ^оС (рис 1,б).

Рис. 1 Микроструктура теплоустойчивых сталей после упрочняющей

термической обработки: а - хромомолибденовые стали,

б - хромомолибденованадиевые стали

Химический состав некоторых теплоустойчивых сталей представлен в таблице 1, механические свойства после термического упрочнения в таблице 2, вВ таблице 3 представлены значения длительной порочности на базе 10⁵ ч при различных температурах.

Химический состав теплоустойчивых сталей перлитного класса

Таблица 1.

Марка стали	Содержание химических элементов в вес. %
	C	Si	Mn	P	S	Mo	Cr	Ni	V	Прочие
12МХ	0,09-0,16	0,12-0,37	0,40-0,70	≤ 0,03	≤ 0,025	0,40-0,60	0,40-0,70	≤ 0,30		Cu ≤ 0,30
15ХМ	0,11-0,18	0,17-0,37	0,40-0,70	≤ 0,035	≤ 0,035	0,40-0,55	0,80-1,10	≤ 0,30		Cu ≤ 0,30
20ХМ	0,15-0,25	0,17-0,37	0,40-0,70	≤ 0,035	≤ 0,035	0,15-0,25	0,80-1,10	≤ 0,30		Cu ≤ 0,30
12Х1МФ	0,10-0,15	0,17-0,37	0,40-0,70	≤ 0,03	≤ 0,025	0,25-0,35	0,90-1,20	≤ 0,30	0,15-0,30	Cu ≤ 0,30
15Х1М1Ф	0,10-0,15	0,17-0,37	0,40-0,70	≤ 0,025	≤ 0,025	0,90-1,10	1,10-1,40	≤ 0,25	0,20-0,35	Cu ≤ 0,25
20Х3МВФ	0,15-0,23	0,17-0,37	0,20-0,60	≤ 0,025	≤ 0,025	0,35-0,55	2,40-3,30	≤ 0,30	0,60-0,85	Cu ≤ 0,20 W=0,3-0,5
12Х2МФСР	0,08-0,15	0,40-0,70	0,40-0,70	≤ 0,025	≤ 0,025	0,50-0,70	1,60-1,90	≤ 0,25		Cu ≤ 0,25 В=0,002-0,005
12ХМЛ	≤ 0,13	0,25-0,50	0,50-0,80	≤ 0,025	≤ 0,03	0,40-0,60	0,50-0,80	≤ 0,30		Cu ≤ 0,30
15Х1М1ФЛ	0,14-0,20	0,20-0,40	0,60-0,90	≤ 0,025	≤ 0,025	0,90-1,20	12,0-1,70	≤ 0,30	0,25-0,40	Cu ≤ 0,30
20ХМФЛ	0,18-0,25	0,20-0,40	0,60-0,90	≤ 0,025	≤ 0,025	0,50-0,70	0,90-1,20		0,20-0,30	

Механические свойства теплоустойчивых сталей перлитного класса поле термического упрочнения, критические точки

Таблица.2

Марка стали	Механические свойства						Критические точки
	0,2, МПа	в, МПа	, %	, %	KCU, Дж/см2	Ac1, оС		Ac3, оС
12МХ	245	412	21	45	69	723		881
15ХМ	590	780	12	50	88	740		875
20ХМ	590	780	12	55	88	743		818
12Х1МФ	255	470	21	55	98	740-780		880-900
15Х1М1Ф	314	490-686	16	45	39	770-819		905-975
20Х3МВФ	735	880	12	40	59	880-830		900-950
12Х2МФСР	274	470	21		59	775-825		865-925
12ХМЛ	196	392	20	40	49	720-725		860-910
15Х1М1ФЛ	314	490	15	30	29	770-800		875-920
20ХМФЛ	275	491	16	35	29	777-780		868-880

Длительная прочность при различных температурах

Таблица 3.

Марка стали	Предел длительной прочности, МПа при температуре, оС
	450	500	550	565	580	600
15ХМ	265	137	63			
12Х1МФ		157	88	78	59	
15Х1М1Ф		186	108	88	68	
12Х2МФСР					88	68