Коррозионностойкие, жаропрочные, жаростойкие сплавы

Саратовский государственный  технический университет 

имени Ю.А. Гагарина

Кафедра: МСФ

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Материаловедение»:

Коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные сплавы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

1. Коррозионностойкие сплавы

Марки коррозионно – стойких сплавов

Классификация коррозионностойких сталей и сплавов

Хромистые стали

2. Жаростойкие стали и сплавы

Марки жаростойких сталей и сплавов

3. Жаропрочные стали и сплавы

Марки жаропрочных сталей и сплавов

Классификация жаропрочных  сталей и сплавов.

4. Общая классификация и маркировка сталей.
5. Свойства сплавов
6. Применение сталей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коррозионностойкие сплавы. 

Стали, устойчивые против коррозии, – это нержавеющие стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. К этим сталям относятся следующие марки: 20Х13 (2Х13), 08Х13 (0Х13), 25Х13Н2 (2Х14Н2, ЭИ474). Они применяются для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам (клапанов гидравлических прессов), деталей, работающих в слабоагрессивных средах (при атмосферных осадках, в водных растворах солей, органических кислот); высокая коррозионная стойкость обеспечивается после термической обработки и полировки.

Марки коррозионностойких сплавов    

Сталь марки 14Х14Н12 (1Х17Н2, ЭИ268) применяется в основном в химической и авиационной промышленности; обладает достаточно удовлетворительными технологическими свойствами.   

Сталь марки 15Х25Т (Х25Т, ЭИ439) применяется в производстве теплообменной  аппаратуры (труб, соединительных фланцев, вентилей, кранов), работающей в агрессивных  средах; используется в качестве заменителя стали марки 12Х18М10Т при изготовлении сварных конструкций, работающих в  более агрессивных средах, чем  среды, рекомендуемые для стали  марки 08Х17Т; не рекомендуется применение этой стали (15Х25Т) при температурах +400–700 °C. 08Х21Н6М2Т идет на изготовление деталей и сварных конструкций, работающих в средах повышенной агрессивности – уксуснокислых, сернокислых и фосфорнокислых; марки 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т используются для производства сварных конструкций, работающих в условиях действия кипящей фосфорной, серной и 10 %-ной уксусной кислот, а также в сернокислых средах.   

В ряде узлов механизмов подшипники работают в агрессивных  средах и при повышенных температурах. В этих узлах используется в основном коррозионно—стойкая сталь 95×18. Микроструктура коррозионно—стойкой стали 95 × 18 – скры—тоигольчатый мартенсит и избыточные карбиды, а микроструктура аналогичной стали 11 × 18 М – скрыто—и мелкокристаллический мартенсит и избыточные карбиды, но игольчатый мартенсит в стали 11 × 18 М не допускается. В случае работы подшипников при температурах от —200 °C до +120 °C наилучший комплекс механических и антикоррозионных свойств используемых сталей имеет место при следующем режиме термической обработки: подогрев – до +350 °C, окончательный нагрев при +1070 °C ± 20 °C, закалка – в масле с температурой от +30 до +60 °C, обработка холодом – при —70 °C и отпуск – от +150 до +160 °C.   

Как показала многолетняя  практика применения в различных  отраслях промышленности, коррозионная стойкость сталей зависит от многих факторов:   

1) от используемых легирующих элементов – хрома, никеля, алюминия, титана, молибдена, их сочетаний и процентного содержания в сплавах; например высокими антикоррозионными свойствами обладают хромомолибде—новые и хромомолибденованадиевые стали марок 15ХМ, 20ХМ, 30Х3МФ, 40ХМФА;   

2) от термической или химико—термической обработки;   

3) от качества обработки поверхности сталей и деталей, работающих в агрессивных средах («зеркальные» поверхности, как правило, более устойчивы к коррозии, чем шероховатые).

Классификация коррозионно-стойких  сталей и сплавов. 

 

Коррозионная  стойкость может быть повышена, если содержание углерода свести до минимума, если ввести легирующий элемент, образующий с железом твердые растворы в таком количестве, при котором скачкообразно повысится электродный потенциал сплава.

Важнейшими  коррозионно-стойкими техническими сплавами являются нержавеющие стали с  повышенным содержанием хрома: хромистые  и хромоникелевые. На рис. 20.1 показано влияние количества хрома в железохромистых сплавах на электрохимический потенциал сплава.

Рис 20.1. Влияние хрома на потенциал  сплавов 

Хромистые стали.

Содержание  хрома должно быть не менее 13% (13…18%).

Коррозионная стойкость  объясняется образованием на поверхности  защитной пленки оксида  .

Углерод в нержавеющих сталях является нежелательным, так как он обедняет раствор хромом, связывая его в карбиды, и способствует получению двухфазного состояния. Чем ниже содержание углерода, тем  выше коррозионная стойкость нержавеющих  сталей.

Различают стали ферритного класса 08Х13, 12Х17, 08Х25Т, 15Х28. Стали с повышенным содержанием хрома не имеют фазовых превращений в твердом состоянии и поэтому не могут быть подвергнуты закалке. Значительным недостатком ферритных хромистых сталей является повышенная хрупкость из-за крупнокристаллической структуры. Эти стали склонны к межкристаллитной коррозии (по границам зерен) из-за обеднения хромом границ зерен. Для избежания этого вводят небольшое количество титана. Межкристаллитная коррозия обусловлена тем, что часть хрома около границ зерна взаимодействует с углеродом и образует карбиды. Концентрация хрома в твердом растворе у границ становится меньше 13% и сталь приобретает отрицательный потенциал.

Из-за склонности к росту  зерна ферритные стали требуют  строгих режимов сварки и интенсивного охлаждения зоны сварного шва. Недостатком  является и склонность к охрупчиванию при нагреве в интервале температур 450…500^oС

Из ферритных сталей изготавливают  оборудование азотно-кислотных заводов (емкости, трубы).

Для повышения механических свойств ферритных хромистых  сталей в них добавляют 2…3 % никеля. Стали 10Х13Н3, 12Х17Н2 используются для  изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих в агрессивных средах.

После закалки от температуры 1000^oC и отпуска при 700…750^oС предел текучести сталей составляет 1000 МПа.

Термическую обработку для  ферритных сталей проводят для получения  структуры более однородного  твердого раствора, что увеличивает  коррозионную стойкость.

Стали мартенситного  класса 20Х13, 30Х13, 40Х13. После закалки и отпуска при 180…250^oС стали 30Х13, 40Х13 имеют твердость 50…60 HRC и используются для изготовления режущего инструмента (хирургического), пружин для работы при температуре 400…450^o, предметов домашнего обихода.

Стали аустенитного класса – высоколегированные хромоникелевые стали.

Никель – аустенитообразующий элемент, сильно понижающий критические точки   превращения. После охлаждения на воздухе до комнатной температуры имеет структуру аустенита.

Нержавеющие стали аустенитного класса 04Х18Н10, 12Х18Н9Т имеют более высокую коррозионную стойкость, лучшие технологические свойства по сравнению с хромистыми нержавеющими сталями, лучше свариваются. Они сохраняют прочность до более высоких температур, менее склонны к росту зерна при нагреве и не теряют пластичности при низких температурах.

Хромоникелевые стали  коррозионностойки в окислительных средах. Основным элементом является хром, никель только повышает коррозионную стойкость.

Для большей гомогенности хромоникелевые стали подвергают закалке с температуры 1050…1100^oC в воде. При нагреве происходит растворение карбидов хрома в аустените. Выделение их из аустенита при закалке исключено, так как скорость охлаждения велика. Получают предел прочности  = 500…600 МПа, и высокие характеристики пластичности, относительное удлинение  = 35…45%.

Упрочняют аустенитные стали холодной пластической деформацией, что вызывает эффект наклепа. Предел текучести при этом может достигнуть значений 1000…1200 МПа, а предел прочности – 1200…1400 МПа.

Для уменьшения дефицитного  никеля часть его заменяют марганцем (сталь 40Х14Г14Н3Т) или азотом (сталь 10Х20Н4АГ11).

Аустенитно-ферритные  стали 12Х21Н5Т, 08Х22Н6Т являются заменителями хромоникелевых сталей с целью экономии никеля.

Свойства сталей зависят  от соотношения ферритной и аустенитной фаз (оптимальные свойства получают при соотношении – Ф:А=1:1 ). Термическая обработка сталей включает закалку от температуры 1100…1150^oC и отпуск-старение при температуре 500…750^oC.

Аустенитно-ферритные стали  не подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением: трещины могут  возникать только на аустенитных участках, но ферритные участки задерживают их развитие. При комнатных температурах аустенитно-ферритные стали имеют твердость и прочность выше, а пластичность и ударную вязкость ниже, чем стали аустенитного класса.

Кроме нержавеющих сталей в промышленности применяют коррозионно-стойкие  сплавы – это сплавы на никелевой основе. Сплавы типа хастеллой содержат до 80 % никеля, другим элементом является молибден в количестве до 15…30 %. Сплавы являются коррозионно-стойкими в особо агрессивных средах (кипящая фосфорная или соляная кислота), обладают высокими механическими свойствами. После термической обработки – закалки и старения при температуре 800^oС – сплавы имеют предел прочности  МПа, и твердость  . Недостатком является склонность к межкристаллической коррозии, поэтому содержание углерода в этих сплавах должно быть минимальным.

 

2. Жаростойкие стали и сплавы

 

       Жаростойкость (окалиностойкость) – это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени.

Если изделие работает в окислительной газовой среде  при температуре 500..550^oC без больших нагрузок, то достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей).

Сплавы на основе железа при  температурах выше 570^oC интенсивно окисляются, так как образующаяся в этих условиях на поверхности металла оксид железа  (вюстит) с простой решеткой, имеющей дефицит атомов кислорода (твердый раствор вычитания), не препятствует диффузии кислорода и металла. Происходит интенсивное образование хрупкой окалины.

Рис. 20.2. Влияние хрома на жаростойкость  хромистой стали

Для повышения жаростойкости  в состав стали вводят элементы, которые образуют с кислородом оксиды с плотным строением кристаллической  решетки (хром, кремний, алюминий).

Степень легированости стали, для предотвращения окисления, зависит от температуры. Влияние хрома на жаростойкость хромистой стали показано на рис.20.2.

Чем выше содержание хрома, тем  более окалиностойки стали (например, сталь 15Х25Т является окалиностойкой до температуры 1100…1150^oC).

Высокой жаростойкостью обладают сильхромы, сплавы на основе никеля – нихромы, стали 08Х17Т, 36Х18Н25С2, 15Х6СЮ. 

В соответствии с ГОСТ 5632—72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные» к группе жаростойких (окалиностойких) отнесены стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550 °С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. 
        К сталям и сплавам этой группы предъявляют достаточно сложный комплекс требований, включающий наряду с высоким сопротивлением газовой коррозии хорошую технологичность в металлургическом переделе (изготовление листов, ленты и труб) и при изготовлении сложных сварных конструкций. Требуется также определенный уровень жаропрочности, поскольку в отличие от сплавов сопротивления, используемых для электронагревателей и также обладающих высоким сопротивлением окислению, жаростойкие конструкционные стали и сплавы в процессе эксплуатации обычно испытывают воздействие механических напряжений, хотя бы от собственной массы детали (муфели, экраны, газоходы, опоры, подвески и т.д.). 
        Жаростойкость материалов измеряется изменением массы образца (увеличением массы в результате окисления или уменьшением после стравливания окалины) за определенное время при определенных условиях испытания (обычно при постоянных температуре и составе атмосферы) и выражается величиной изменения массы (г/м²) за данный отрезок времени либо в единицах скорости — [г/(м² ·ч)]. Чем меньше эти величины, тем выше жаростойкость. В случае хорошей жаростойкости скорость окисления при увеличении времени испытания снижается в связи с затуханием процесса. 
        Практически удобной является оценка скорости окисления в мм/год, которая определяется пересчетом величины потери массы по следующей формуле: 
        ν _ок = (Δq/γ · 10³) · 8,7,  
        где Δq - скорость окисления по убыли массы, г/(м² ·ч); γ — плотность стали, кг/м³. 
        Высокое сопротивление окислению обеспечивается обычно не низким сродством компонентов сплава к кислороду, а свойствами слоя оксидов, образующихся на сплаве. Основные требования к защитной окалине — это ее сплошность, низкая диффузионная проницаемость для ионов кислорода в направлении к поверхности раздела металл-окалина и ионов компонентов сплава к поверхности окалина—газовая среда, а также хорошая адгезия окалины с металлом. 
        Обеспечение этих требований зависит не только от состава стали или сплава, но и от условий эксплуатации (температуры, состава и давления газовой среды, продолжительности, наличия теплосмен, уровня механических напряжений и т.п.). 
        Основным элементом, определяющим уровень жаростойкости сталей и сплавов, является хром, образующий защитную пленку, состоящую из Cr₂O₅ или шпинели NiO · Cr₂O₃. или более сложного состава типа (Fe,Ni)O · (Cr,Fe) ₂O₃. 
        Поскольку хром определяет также и коррозионную стойкость сталей, в процессе развития качественной металлургии высоколегированных сталей было установлено, что целый ряд материалов обладает как коррозионной стойкостью, так и жаростойкостью. К таким материалам относятся стали типа 15Х25Т, Х18Н(9-12), 10Х14П4Н4Т и сплав ХН78Т. Поэтому четкую границу между коррозионностойкими и жаростойкими материалами провести нельзя. 
        Безникелевые хромистые стали с 20-25 % Cr относятся к ферритному классу, и жаропрочность их при высоких температурах невысока. Сталь15Х25Т имеет ряд недостатков (в частности, ограниченную свариваемость), что, несмотря на высокую жаростойкость и относительную дешевизну, сдерживает ее широкое применение. 
        Улучшение характеристик хромистой основы было достигнуто: 
        1. введением 2,5-3,5 % Аl, что позволило значительно повысить жаростойкость за счет образования в окалине защитных фаз Al₂O₃ и FeO · (Al,Cr) ₃O₃; 
        2. использованием внепечного рафинирования металла, существенно снижающего количество примесей внедрения и, как следствие, повышающего технологические свойства стали в холодном состоянии. Кроме того, при выплавке стали может быть использовано до 100 % отходов. 
        Наиболее широкое распространение находят хромоникелевые и хромоникельмарганцовистые стали аустенитного класса. Основные преимущества этих сталей — более высокая жаропрочность и хорошая технологичность как в горячем, так и в холодном состоянии, хорошая свариваемость, ремонтоспособность. 
        Из сталей этого класса можно отметить не имеющие зарубежных аналогов экономнолегированные никелем стали 12Х25Н16Г7АР и07Х25Н16АГ6Ф (вторая с улучшенной свариваемостью), нашедшие применение в ракетно-космической технике (сопла, диафрагмы). 
        Легированная алюминием сталь 10Х18Н18Ю4Д имеет высокую жаростойкость до температуры 1100 °С. 
        Сталь 20Х25Н20С2, легированная кремнием, также имеет высокую жаростойкость, устойчива в серосодержащих средах, однако технологичность ее хуже, вероятно, за счет сочетания высокого содержания хрома и кремния. 
        Сплав на железоникелевой основе ХН32Т, являющийся аналогом зарубежного сплава Incoloy 800, обладает высокой структурной стабильностью и предназначен для длительной эксплуатации в аппаратуре нефтехимических производств (листы, трубы) при температурах до 850°С. 
        Сплав ХН45Ю был разработан в результате систематического исследования сплавов системы Fe-Ni-Cr(9-20 %)-Аl(0-4 %). Предложенное оптимальное сочетание легирующих элементов позволило создать экономнолегированный технологичный сплав, обладающий наиболее высокой жаростойкостью из известных в настоящее время сплавов (до 1200—1300 °С) и являющийся полноценным заменителем сплавов на никелевой основе для ряда применений при значительной экономии никеля (до 330 кг на 1 т сплава). 
        Сплавы на никелевой основе могут быть рекомендованы к применению только для весьма ответственных назначений в авиационной и ракетно-космической технике (камеры сгорания, форсажные камеры). 
Классы: