Влияние хрома, никеля, кремния и алюминия на жаростойкость сталей

      Важно, что окалиностойкость, столь существенно  зависящая от состава стали или  сплава, не зависит от его структуры, т.е. это свойство структурно нечувствительное.

      Данные  рисунка 7 отражают образование окалины на хромистой стали. При 30% Cr и 1200⁰С, например, наблюдается такая же окалиностойкость, как при 9 – 10% Cr и 900⁰С.

Рисунок 7 – Влияние хрома на образование окалины на воздухе

при температурах от 900 до 1200⁰С, продолжительность нагрева 220 ч 

      Эта связь между температурой и содержанием  хрома справедлива для окислительной  среды; при менее агрессивных  средах и при более низких температурах для создания полной окалиностойкости оказываются достаточными более низкие содержания хрома.

      Стали с 1,7% Сr, ввиду высокого содержания хрома стали типа Х17, можно применять и как жаростойкие (окалиностойкие) при рабочих температурах не выше 900°С.

      В хромистых сталях повышение длительной прочности достигается при легировании  титаном, цирконием, танталом.

      Влияние никеля. Жаростойкие никелевые сплавы обладают повышенным сопротивлением окислению на воздухе при 850 – 1100⁰С и предназначаются для изготовления газопроводов, камер сгорания, форсажных камер и других узлов и деталей авиационных двигателей и установок. По химическому составу эти сплавы, за редким исключением, представляют собой малоуглеродистые Ni – Cr, Ni – Cr – Fe или Ni – Cr – W – Fe – твердые растворы, легированные Si, Al, Ti и др.

      Имея  в основном структуру твердых  растворов, жаростойкие никелевые  сплавы мало упрочняются термической  обработкой и, следовательно, обладают сравнительно невысокими показателями прочности и жаропрочности. Жаростойкие никелевые сплавы имеют повышенное удельное электрическое сопротивление, поэтому некоторые из них (Х15Н60, Х20Н80 и др.) используют в качестве элементов сопротивления лабораторных и промышленных нагревательных печей, работающих при температурах до 1100⁰С. Такие никелевые сплавы, как ХН60Ю, ХН78Т и др. способны воспринимать упрочняющую термическую обработку. Иногда жаростойкие никелевые стали содержат небольшие добавки церия и бария. Эти сплавы более долговечны.

      Исследование  жаростойкости различных нихромов (Х10Н90, Х20Н80, Х30Н70, Х40Н60, Х50Н50) показали, что наибольшей жаростойкостью обладают сплавы Х30Н70 и Х20Н80, на которых образуются защитные окисные пленки типа шпинели.

      К сплавам на никелевой основе относятся  сплавы, содержащие не менее 50 % Ni, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в никеле (содержание железа не более 6–8 %).

      Никель  редко применяется в чистом виде, но его сплав с хромом и молибденом широко используется для высокотемпературных деталей и элементов конструкций. Такой сплав характеризуется высоким сопротивлением ползучести и высокой коррозионной стойкостью в диапазоне температуры от 800 до 1100⁰C. Типичное применение хромомолибденовых сплавов никеля – лопатки турбин и другие высокотемпературные компоненты.

      Влияние кремния. Кремний может образовывать окалиностойкие слои кремневой кислоты  или силикатов железа.

      Своеобразный  часто наблюдающийся ход температурной  зависимости окалинообразования кремнистой стали (рисунок 8) обусловлен некоторой пористостью защитного слоя, которая уменьшается при повышении температуры. 

Рисунок 8 – Температурная зависимость при образовании окалины

в кремнистой стали при окислении на воздухе, продолжительность нагрева 12 ч 

      При более низкой температуре для образования защитного слоя требуется больше времени. Выше 800 – 900⁰С наступает усиленная потеря веса вследствие образования окислов железа.

      Основная  роль кремния в улучшении жаростойкости  связана с формированием на границе  металл окалина подслоя Fe₂SiO₄ или SiO₂. Последний термодинамически весьма стабилен и при его образовании снижается скорость контролируемой стадии окисления, какой является диффузия катионов металла через пленку окислов.

      Силицирование применяют для деталей, работающих при повышенных температурах. Температура 1100-1200⁰С. Глубина слоя достигает 0,8 мм, но продолжительность около суток. Если испытать газовую фазу, то в качестве газовой фазы используют SiH₄ - моносилан.

      Силицирование чаще проводят одновременно с насыщением детали Al, этот процесс называют алюмосилицированием. В результате на поверхности образуется FeAl интерметаллидная фаза и Al₂O₃, FeAl₂O₄. Это позволяет дополнительно повысить жаростойкость детали.

      Влияние алюминия. Алюминий повышает жаростойкость.

      Стали, содержащие алюминий в пределах 3-6% имеют при 800^оС высокую жаростойкость, тогда как при 900^оС все испытанные стали, независимо от концентрации алюминия, обладают пониженной стойкостью. Стали без алюминия и содержащие менее 3% алюминия при 900^оС окисляются с очень большой неконтролируемой скоростью, что не позволило получить для них количественной оценки жаростойкости.

      Учитывая  ограниченные возможности легирования  стали алюминием повышение жаростойкости  стали достигнуто введением алюминия в меньших (допустимых пределах при одновременном повышении содержания кремния до 1,6-1,9%. 
 Значение алюминия в повышении окалиностойкости проявляется в изменении защитных свойств окислов других элементов, входящих в состав стадии. Замещена часть трехвалентных ионов железа или марганца в окисле типа шпинели, алюминий снижает его проницаемость. Наиболее эффективно влияние алюминия на снижение скорости высокотемпературного окисления, когда он образует собственный окисел Al₂O₃, обладающий высокими защитными свойствами. 
 Выводы: определение жаростойкости показало, что от высокотемпературного окисления хорошо защищают сталь хромирование (до 800—900⁰С) и алитирование (вплоть до 1000⁰С). Металлографические исследования показали, что при температурах 500—600⁰С алитированные и хромированные слои хорошо сохраняются. Однако при повышении рабочей температуры наблюдается утонение слоев, а затем и разрушение их. В местах разрушения слоя происходит интенсивное выгорание углерода с поверхностных слоев металла.

      Механизмы защитного действия оксидных пленок, образующихся на металлических покрытиях и на жаростойких сплавах, аналогичны, поэтому при выборе состава жаростойких покрытий можно учитывать достаточно подробно разработанные принципы легирования стали. Для повышения окалиностойкости

в сталь добавляют легирующие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. Такими элементами чаще всего являются хром, алюминий, кремний, которые образуют на поверхности при нагреве тонкую, плотную пленку окислов, надежно защищающую металл от дальнейшего окисления. Жаростойкость практически не зависит от структуры металла, а определяется химическим составом. Увеличение процентного содержания хрома, алюминия, никеля или кремния, образующих плотные окислы Cr₂О₃, A1₂О₃, NiO, SiО₂, обусловливает повышение жаростойкости и уровня рабочих температур. Лучшие результаты обычно получают при комбинированном легировании. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Литература 
 

      1 Ощепков Б.В., Решетников С. А., Чуманов И. В. Конструкция и проектирование  электропечей. «Учебное пособие» – Челябинск, 1995 г. – 51 с.

      2 Егоров А. В. Расчет мощности и параметров электроплавильных печей. – Москва, 2000 г. – 120 с.

      3 Гуляев А.П. Металловедение. – Москва: «Металлургия», 1986 г. – 544 с.

      4 Захаров М.В., Захаров А.М. Жаропрочные  сплавы. – Москва: «Металлургия», 1972 г. – 384 с.

      5 Гудремон Э. Специальные стали.  – Москва: «Металлургия», 1966 г. – 

736 с. 

      6 www. krugosvet. ru

      7 www. naukaspt.ru/spravochniki

      8 www.hardprom.ru