Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочными называют материалы, способные работать под механическим напряжением при высоких температурах в течение определённого времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Эти материалы применяются для изготовления деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет и т. д. При повышении температуры понижается модуль упругости (E), s_т (s_0,2) и s_в. Следует также иметь ввиду, что даже при s<s_0,2 происходит деформация металла. Это явление получило название ползучести. Сопротивление материала ползучести и разрушению в области высоких температур называют жаропрочностью.Жаропрочность металлов тем выше, чем выше межатомные силы связи в кристаллической решётке металла. Приближённо можно считать, что чем выше температура плавления металла, тем выше жаропрочность последнего.

Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах (до 700 - 850°С) создают на основе Fe, Ni и Co, а для работы при очень высоких температурах (до 1200 - 1500°С) – на основе Mo, W и других тугоплавких металлов.

Жаропрочные стали благодаря их невысокой стоимости широко применяются в высокотемпературной технике (до 500 - 750°С). При рабочей температуре до 600°С используют стали на основе a -твёрдого раствора, а при более высокой температуре (до 750°С) – стали на основе g -твёрдого раствора.

К жаропрочным сталям первой группы (на основе a -твёрдого раствора) относятся низколегированные стали перлитного класса 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР. Содержание углерода в них 0,08 – 0,2%С. Легирующими элементами в них являются Cr, V, Mo, Nb, Si, B. Также к первой группе жаропрочных сталей относятся стали мартенситного и мартенситно-ферритного класса 15Х11МФ, 18Х12ВМБФР. В зависимости от содержания хрома они относятся к мартенситному (< 10 – 11% Cr) или к мартенситно-ферритному (11 – 13% Cr) классу. Эти стали помимо жаропрочности обладают и высокой жаростойкостью. Рабочие температуры этой группы сплавов до 580 – 600°С.

К жаропрочным сталям второй группы (на основе g -твёрдого раствора) относятся легированные стали аустенитного класса. Для получения структуры g -твёрдого раствора эти стали должны содержать большое количество Ni, Mn и Cr. Для обеспечения достаточной жаропрочности их дополнительно легируют Mo, W, V, Nb и B. Эти стали применяют для деталей, работающих при температурах 500 – 750°С. У этих сталей, однако, затруднена обработка резанием. Аустенитные стали с карбидным упрочнением: 45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС. Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением: 10Х11Н20Т3Р, 10Х11Н23Т3МР.

Нашли применение сплавы на основе системы Fe-Ni. Их структура – это твёрдый раствор хрома и других элементов в Fe-Ni основе, например это сплавы ХН35ВТЮ (до 0,08% С, 12 – 15% Cr, 33 – 37% Ni), ХН38ВТ (до 0,06 – 0,12% С, 20 – 23% Cr, 33 – 39% Ni). Рабочие температуры этих сплавов не превышают 750°С. Эти сплавы обладают большей пластичностью, чем жаропрочные стали.

Жаропрочные сплавы на основе никеля называются нимониками. Для получения высокой окалиностойкости никель легируют хромом (около 20%), а жаростойкости – титаном (1,0 – 2,8%) и алюминием (0,55 – 5,5%). Примерами таких сплавов являются Х77ТЮР (19 – 22% Cr, 2,6% Ti, 0,8% Al, 0,02% C, 0,01% B) и ХН70ВМТЮ (13 – 16% Cr, 1,8 – 2,3% Ti, 2% Al). Нимоники применяются в литом виде. Литые изделия из нимоников изготавливают методом направленной кристаллизации, обеспечивающей монокристаллическую структуру сплавов. Но такая технология является достаточно сложной. Часто для повышения жаростойкости нимоники алитируют – насыщают их поверхностный слой алюминием.