1 зварників 18.11.21 Матеріалознавство № 39
1 зварників 18.11.21 Матеріалознавство
Урок № 39
Тема уроку. Сталі і сплави з особливими хімічними властивостями.
1. Жароміцні сплави.
Жароміцні́ спла́ви або суперспла́ви — сплави на нікелевій, залізохромонікелевій, кобальтовій або змішаній основі, що відзначаються високим опором пластичній деформації та руйнуванню в умовах високих температур та окиснювальних середовищ.
Основними фізико-механічними характеристиками жароміцних сплавів є значний опір повзучості, втомлюваності, а також, висока тривала міцність.
властивостей, мало залежних від часу перебування в умовах високих температур.
Класифікація та використання
Жароміцні сплави застосовують для виготовлення деталей двигунів внутрішнього згоряння, парових і газових турбін, авіаційних, суднових і залізничних газотурбінних двигунів, в енергетичному машинобудуванні, тощо.
Жароміцні сплави за умовами роботи можна розділити на 3 групи:
· сплави, які піддаються значним, але короткочасним (від секунд до годин) механічним навантаженням в умовах високих температур;
· сплави, які знаходяться під навантаженням при високих температурах протягом десятків і сотень годин;
· сплави, які призначені для роботи в умовах великих навантажень і високих температур протягом тисяч, десятків, а інколи сотень тисяч годин.
Залежно від цього істотно змінюються вимоги до структури сплаву. Наприклад, будь-яка причина, що обумовлює нестійкість структури сплаву за робочих умов, викликає прискорення процесів деформування й руйнування. Тому сплави, що призначені для тривалої служби, піддаються спеціальній стабілізуючій обробці, яка, хоча і може привести до деякого зниження міцності при короткочасному вантаженні, робить сплав стійкішим до тривалої дії навантажень.
Жароміцні сплави класифікують також, за їх основою: нікелеві, залізні, титанові, берилієві тощо. Назва за основою дає уявлення про інтервал робочих температур, який залежно від прикладених навантажень і тривалості їх дії складає 0,4…0,8 від температури плавлення основи. Залежно від призначення жароміцні сплави виготовляють з підвищеним опором втомі і ерозії, з малою чутливістю до надрізів, термостійкі, для експлуатації при значних, але короткочасних навантаженнях та ін. Наприклад, жароміцні сплави, що використовуються у космічній техніці, повинні мати низьку випаровуваність.
Жароміцні сталі
Перші жароміцні сталі для газотурбінних двигунів були створені у Німеччнині компанією «AG Krupp» у 1936–1938 роках. Високолегована аустенітна сталь тінідур створювалась як матеріал робочих лопаток турбіни на температури 600…700 °C. Тінідур — аустенітна сталь з дисперсним твердненням (Ni3Ti) і карбідним зміцненням. У 1943-44 роках річне виробництво сталі тінідур становило 1850 тонн. Інститутом DVL (нім. Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt — Німецький науково-дослідний інститут авіації) і фірмою «Heraeus Vacuumschmelze AG» були розроблені аустенітні сталі DVL42 та DVL52 для вищих робочих температур 750…800 °C. Склади сталей подані у таблиці.
В Німеччині у 1940-х роках розробники авіаційних ГТД прагнули підвищити температуру газу перед турбіною до 900 °C. З цією метою інститут DVL спільно з низкою фірм експериментував з аустенітними складнолегованими сплавами. У ході війни була визнана неможливість подібного рішення по причині гострого дефіциту в Німеччині легувальних елементів. Перші серії реактивного двигуна «Jumo-004» випускались з 1942 року з монолітними робочими і сопловими лопатками з матеріалу тінідур. Згодом їх замінили пустотілі лопатки з охолодженням з того ж матеріалу, що дозволило підвищити температуру газу перед турбіною до 850 °C (серія «Jumo-004E»). З 1944 року на двигуні «Jumo-004» використовувались робочі лопатки з охолодженням з менш дефіцитної сталі хромадур.
В кінці 1940-х років припинилось, в основному, використання заліза як основи жароміцних сплавів, на користь сплавів на основі нікелю і кобальту. Це дозволило отримати міцнішу і стабільнішу гранецентровану матрицю.
Сучасні жароміцні сталі класифікують за температурою експлуатації. Для роботи при 500...550 °С використовують сталі марок 20X13, 15X11МФ, 13Х14НЗВ2ФР[4], з яких виготовляють лопатки парових турбін, важконавантажені деталі (диски, вали, стяжні болти), що працюють в умовах підвищеної вологості.
Для роботи при 650...850 °С застосовують сталі марок 40Х9С2, 40Х10С2Н, 45Х14Н14В2М[4], з яких виготовляють клапани автомобільних і тракторних двигунів, трубки рекуператорів, теплообмінники.
Жароміцні сплави на основі нікелю[
До 1942 року у Великій Британії створено жароміцний сплав німонік-80(80%Ni — 20%Cr) — перший у серії високожароміцних дисперсно-тверднучих сплавів на нікель-хромовій основі. Творець сплаву — Вільям Гріффітс (англ. Griffiths W.T.) Ключовими легувальними елементами сплаву німонік-80 були титан (2,5%) і алюміній (1,2%), що утворювали зміцнювальну фазу. Кількісний вміст зміцнюючої γ'-фази у сплаві становив 25…35% за об'ємом Сплав виявив помітну перевагу за жароміцністю над ніхромами чи спеціальними легованими сталями.
Сплави Nimonic-80 та 80A використовувались в деформованому стані для виготовлення робочих лопаток турбіни одного з перших газотурбінних двигунів «Rolls-Royce Nene» компанії «Rolls-Royce Limited», стендові випробування якого розпочались у жовтні 1944 року. Лопатки турбіни із сплаву Nimonic-80 відрізнялись високою тривалою міцністю за температура 750…850 °C. Хімічний склад наступних марок сплавів типу «німонік» подані у нижче приведеній у таблиці.
Аналогами німоніків у США є сплави Інконель, за ГОСТ 5632-72[7] — це сплави ХН60ВТ (Inconel 600, Inconel 601), ХН56МВКЮ (Inconel 617), ХН75МБТЮ (Inconel 625), ХН60Ю (Inconel 718), ХН70МВТЮБ (Inconel X-750), ХН80ТБЮ, ХН77ТЮ, ХН73МБТЮ тощо.
Тоді ж була виявлена можливість додаткового зміцнення жароміцних сплавів шляхом легування молібденом. Згодом, з цією ж метою почали використовувати добавки таких елементів, як вольфрам, ніобій, тантал, реній та гафній
Легування
Легувальні елементи у жароміцних сплавах на основі нікелю можна згрупувати наступним чином:
1. Елементи, що утворюють з Ni аустенітну -матрицю з гранецентрованою кристалічною ґраткою — Co, Fe, Cr, Mo і W
2. Елементи, що утворюють зміцнювальну ' фазу (Ni3X) — Al, Ti, Nb, Ta, Hf. При цьому Ti, Nb і Ta входять до складу фази й зміцнюють її.
3. Елементи, що утворюють сегрегації на границях зерен —B, C і Zr.
До карбідоутворюючих елементів належать Cr, Mo, W, Nb, Ta і Ti. Al і Cr, котрі утворюють оксидні плівки, що захищають вироби від корозії.
Сплави на основі кобальту
Ще на початку XX століття компанією «Гейнс» (англ. Haynes) були отримані патенти на сплави системи Co-Cr та Co-Cr-W. Ці сплави, що отримали назву «стеліти» використовувались при виготовленні різального інструменту та зносостійких деталей. В 1930-х роках було розроблено ливарний Co-Cr-Mo сплав віталіум (Vitallium®) для зубногопротезування. Аналогічний за складом сплав HS-21 став використовуватись десятиліття по тому в турбонагнітачах і газових турбінах. Тоді ж почали використовувати сплав системи Co-Ni-Cr для напрямних лопаток газотурбінних двигунів. У 1943 році було розроблено ливарний сплав системи Co-Ni-Cr-W (X-40), що також знайшов застосування при виготовленні лопаток. У 1950–1970 роки було розроблено нові нікелеві жароміцні сплави, виготовлені шляхом вакуумного плавлення і зміцнювані за рахунок виділення фази . Це привело до зменшення використання сплавів на основі кобальту.
Особливості жароміцних сплавів на кобальтовій основі[
· Температура плавлення у сплавів на кобальтовій основі є вищою. З цієї причини характеристики тривалої міцності є вищими. Ці жароміцні сплави можуть працювати за вищих температур, у порівнянні зі сплавами на основі нікелю чи заліза.
· Високий вміст хрому підвищує стійкість до гарячої корозії.
· Сплави характеризуються підвищеною стійкістю до термічної втоми і мають добру зварюваність.
Монокристалічні жароміцні сплави[
У 1970–1980 роках розпочалось використання литих жароміцних сплавів, отриманих методами спрямованої кристалізації й монокристалічних сплавів на нікелевій основі. Застосування цих матеріалів дозволило збільшити міцність і термічну довговічність лопаток газових турбін.
2. Жаротривкі сталі
Жаротри́вкість (жарості́йкість, окалиності́йкість) — властивість матеріалу, що характеризує його здатність протистояти при високій температурі хімічному руйнуванню, переважно, окисненню а для неметалевих матеріалів (жаротривкий бетон, цегла тощо) і механічному руйнуванню
Жаротривкість — здатність металу чинити опір корозійній дії газів за високих температур.
Жаротривкість нарівні з жароміцністю є основним критерієм придатності даного матеріалу для високотемпературної експлуатації.
Загальні поняття[
Такі властивості мають спеціальні жароміцні й жаростійкі метали й сплави, бетони та композиційні матеріали, що можуть експлуатуватися при температурі 750 °C і вище. Наприклад, платина жаростійка і жароміцна до температури 1473К. Вольфрам жароміцний, але не жаростійкий, бо вже при 773-873К інтенсивно окислюється на повітрі.
Початкова стадія окиснення — чисто хімічний процес, проте, подальший перебіг окиснення — вже складний процес, що полягає не тільки в хімічному з'єднанні кисню і металу, але і у дифузії атомів кисню і металу через багатофазний окиснений шар. При щільній плівці швидкість наростання окалини визначається швидкістю дифузії атомів крізь шар окалини, що у свою чергу залежить від температури і будови окисної плівки.
Кількісні характеристики[
Кількісними характеристиками жаротривкості є:
· збільшення маси випробуваного зразка за рахунок поглинання металом кисню;
· зменшення маси після видалення окалини з поверхні зразка,
віднесені до одиниці поверхні і до часу випробування. Одночасно враховується стан поверхні зразка (виробу), який при однакових кількісних характеристиках може бути якісно різним.
Жаротривкість залізовуглецевих сплавів[
Що стосується залізовуглецевих сплавів, то слід відмітити, що в процесі зростання температури спостерігається процес окиснення поверхні виробів, який значно інтенсифікується при досягненні температур 550…570 °C, коли замість досить щільних окисів Fe2O3 і Fe3O4 починається утворюватися пухкий окис FeO, який не перешкоджає проникненню кисню в глибину металу. Підвищення жаростійкості сталей досягається головним чином введеннямхрому (08Х13, 12Х17), а також алюмінію та кремнію (15Х18СЮ), тобто елементів, що перебувають в твердому розчині і утворюють в процесі нагріву захисні плівки оксидів. Особливо широко використовують хром. Чим більший в сталі вміст хрому, тим вища жаростійкість. Тому в жаростійких феритних сталях його вміст доводять до 13…27%. На жаростійкість сталей позитивно впливають малі добавки деяких активних елементів (кальцій, ітрій, церій, лантантощо).
Сталь 08Х13 застосовують в умовах впливу сірчистих газів при температурі до 500°С, сталі 08Х17Т, 12Х17 жаростійкі до 900°С, сталь 15Х25Т — до 1100°С
Жаротривкі нікелеві сплави[
Жаротривкість нікелю, що на повітрі досить висока і так, може бути покращена шляхом введення Al, Si або Cr. Із сплавів такого типу важливе значення завдяки хорошому поєднанню термоелектричних властивостей і жаротривкості мають сплави нікелю з Al, Si і Mn (алюмель) і сплав нікелю з 10% Cr (хромель).
Значне застосування у техніці отримали жаротривкі сплави Ni з Cr — ніхроми. Найбільшого поширення набули ніхроми з 80% Ni, які до появи хромалів були найжаротривкішими промисловими матеріалами. Спроби здешевити ніхроми зменшенням вмісту в них Ni привели до створення фероніхромів, у яких значна частина Ni заміщена Fe. Найпоширенішою виявилася композиція з 60% Ni, 15% Cr і 25% Fe, хоча серйозної конкуренції ніхромам вона зробити не змогла. Ніхроми і фероніхроми характеризуються рідкісним поєднанням високої жаротривкості і високого електричного опору. Тому вони разом з хромалями є двома найважливішими класами сплавів, що використовуються для виготовлення високотемпературних електричних нагрівачів. Гранична робоча температура ніхромів цього типу складає, як правило, 1200 °C, а окремих марок і до 1250 °C.
Нікелеві сплави, що містять 15—30% Cr, леговані Al (до 4%), є жаротривкішими від сплавів, легованих Si. Такі сплави використовуються зазвичай для виготовлення
жаротривких деталей, що працюють при температурах до 1250 °C і не зазнають значних механічних навантажень.
Домашнє завдання. Вивчити матеріал та створити конспект.
Викладач Максимова Т, В.
Комментарии
Отправить комментарий