Жаростойкие сплавы на основе железа

Сплавы на железной основе широко применяются при повышен­ных температурах. Жаростойкие сплавы устойчивы к газовой кор­розии. Однако к ним могут предъявляться и ряд дополнительных требований. Сплавы могут быть про­сто жаростойкие, жаростойкие и одно­временно жаропрочные, жаростойкие с определенными механическими и тех­нологическими свойствами (например, с повышенным пределом ползучести, с высоким омическим сопротивлением и т.д.).

Хром увеличивает химическое со­противление железных сплавов к газо­вой коррозии. Скачкообразное повыше­ние устойчивости хромистых сталей от содержания в них хрома обнаружено и при определении их жаростойкости (рис. 7.9).

Границы переходов в устойчивое со­стояние могут несколько сдвигаться. На коррозионную стойкость хромистых сталей большое влияние оказывает содержание углерода и термическая обработка. После закалки хром и углерод находятся в твердом растворе и сталь обладает высокой кор­розионной стойкостью. При отпуске после закалки выпадают карби­ды хрома. При этом 1 % С может связать около 10-12 % Сг. Углерод образует с хромом как минимум три весьма прочных карбида: ку­бический Сr₂₃С₆, тригональный Сr₇С₃ и орторомбический Сr₃С₂. Количество карбидов и их состав зависят от содержания в спла­ве углерода. В результате образования карбидов содержание хрома в твердом растворе уменьшается и коррозионная стойкость стали снижается. Чем выше температура отпуска, тем больше выпадает карбидов хрома и тем ниже коррозионная стойкость стали. Поэтому для обеспечения высокой коррозионной стойкости хромистой стали с увеличением содержания углерода необходимо вводить дополни­тельные количества хрома.

Жаростойкость хромистых сталей определяется содержанием в них хрома, что видно из табл. 7.3.

Хромистые стали с 4-6 % Сг считаются полужаростойкими. Вслед­ствие своей доступности и повышенной, по сравнению с углероди­стыми сталями, коррозионной устойчивостью они широко применя­ются для изготовления крекинг-установок, котлов паронагревателей. Отдельные марки этого типа сплавов, содержащие присадки Мо и V, обладают повышенной устойчивостью к водородной коррозии и применяются в установках для синтеза аммиака. В атмосфере топоч­ных газов с содержанием в них сернистых соединений эти сплавы могут работать при температурах 500-600 °С.

Добавление к хромистым сплавам молибдена (1-1,5%), а также Ni и Ti повышает их жаропрочность, т.е. возможность работать в нагруженном состоянии при высоких температурах. Это является очень важным фактором, так как простые хромистые стали, обладая высокой жаростойкостью, имеют низкую жаропрочность (табл. 7.4).

Силъхромы — это железные сплавы, легированные хромом и кремнием. При добавлении кремния к хромистым сталям их жа
ростойкость и жаропрочность значительно повышаются.

Сильхромы с малым содержанием углерода (до 0,25 % ) приме­няются реже из-за сравнительно невысокой жаропрочности. Если содержание хрома в сплаве более 20 %, то добавочное легирование кремнием не дает заметного эффекта. Наибольшее применение на­шли сильхромы с содержанием углерода 0,3-0,5 %.

Сильхромы широко применяются в химической промышленно­сти для установок, работа которых протекает при повышенных тем­пературах и сопровождается высокими требованиями к жаропроч­ности материалов. Это, например, рекуператоры, теплообменники, пароперегреватели, колосниковые решетки и т.д.

Хромали и фехрали — это хромистые стали дополнительно леги­рованные алюминием. Их состав:

хромали — (15-30 %) Сr; (1-7 %) А1; до 1 % Si; до 0,25 % С фехрали — (4-14 %) Сr; (1-7 %) А1; до 1 % Si; до 0,25 % С

Таким образом хромали характеризуются более высоким содер­жанием хрома. Примесь алюминия более эффективно повышает жа­ростойкость железного сплава, чем добавка хрома (рис. 7.10). Же­лезный сплав с 7-10 % А1 (без хрома) уже устойчив к окислению на воздухе при температурах до 1100-1200 °С, приближаясь по жаро­стойкости к нихрому с 80 % Ni и 20 % Сг.

Как видно из рис. 7.10 сильное снижение скорости газовой корро­зии на воздухе при 1200 °С для системы Fe-Cr наблюдается при 30 % Сг, в то время как в системе Fe-Al — при 8 % А1. Однако железоалю-миниевые сплавы очень хрупки, плохо куются и не технологичны.

В химической промышленности сплавы на основе железо-хром-алюминий нашли широкое применение и служат заменителями ни­хрома. Это одни их самых жаростойких сплавов. Хромаль стоек до 1200 °С, фехраль, более дешевый — до 1000 °С. Оба сплава хорошо противостоят разрушению в окислительной атмосфере, менее стой­ки в восстановительной атмосфере (H₂, СО, Н2О) и неустойчивы в газовой среде, содержащей хлор.

Добавка вольфрама до 1-3 % повышает жаропрочность, жаростойкость сохраняется до 900 °С. Дополнительное леги­рование кобальтом повышает жаропрочность без снижения жаростойкости. Сплав канталъ (состав: 30 % Сг, 5 % А1, 3 % Со, (0,2-0,8)% С, остальное — же­лезо) имеет максимальную тем­пературу длительной эксплуата­ции—1250 °С.

Хромоникелевые стали соче
тают высокую пластичность и вязкость с достаточной прочностью и коррозионной стойкостью при повышенных температурах и хорошей свариваемостью. Хромистые и хромо-никелевые сплавы можно сочетать в одной конструкции.

Наибольшее распространение из хромо-никелевых сталей полу­чили сплавы с содержанием 18 % Сг и 8-9 % Ni. Сопротивление га­зовой коррозии удовлетворительное до 800-900 °С. Их используют для изготовления печной арматуры, труб, теплообменников, рото­ров электронагревателей (марки 08Х18Н10,12Х18Н9, 08Х18Н10Ти др.)

В условиях работы с большой ударной нагрузкой эти сплавы должны содержать углерода не выше 0,1 %, а с более высоким леги­рованием по Сг и Ni — не более 0,15 %. Если необходимо обеспе­чить только повышенное сопротивление окислению, то допускается содержание углерода до 0,5 %. В газовых средах, содержащих серни­стые соединения, хромо-никелевые сплавы неустойчивы и уже при 400 °С заметно окисляются.

Железные сплавы с содержанием 23% Сг и (13-18)% Ni жа­ростойки при температуре 1100°С. Представителями этого класса сталей являются 20Х23Н13 (22-25 % Сг и 12-15 % Ni) и 20Х23Н18 (22-25% Сг и 17-20% Ni). Содержание углерода до 0,20-0,25%. Для получения повышенной коррозионной стойкости этих сталей отношение процентного содержания углерода к хрому не должно превышать 0,01. Обе марки являются жаропрочными и жаростойки­ми аустенитными сталями и применяются в наиболее ответственных случаях.

Дополнительное введение кремния в количестве 2-3 % еще больше увеличивает сопротивляемость окислению при повышенных тем­пературах. Состав двух марок этого типа сталей приведен ниже:

• 20Х20Н14С2 — (19-22)% Сг; (12-15)% Ni; 2,3 % Si; C^ 0,2%; Мп^1,5%,

• 20Х25Н20С2 — (23-27)% Сг; (18-21)% Ni; 2,3% Si; C^ 0,2%; Мп^1,5%.

Сталь 20Х20Н14С2 применяется для изготовления котлов, нефте­очистительной аппаратуры.

Сталь 20Х25Н20С2 используется в хи­мическом машиностроении для изготовления деталей, работающих в агрессивных средах и при повышенных температурах в нагружен­ном состоянии: печные конвейеры, крепежные соединения, ящики для цементации.

Введение в сплавы дополнительно вольфрама повышает сопро­тивление ползучести (марка 45Х14Н14В2М).

Введение марганца повышает устойчивость к высокотемпера­турному окислению в средах, содержащих сернистые соединения, до900°С.

К жаростойким чугунам относятся хромистые, никелевые, алю­миниевые и кремнистые чугуны.

Хромистые чугуны приобретают коррозионную стойкость только при условии содержания хрома в твердом растворе в количестве, до­статочном для достижения устойчивости по правилу Таммана. Пер­вый порог устойчивости соответствует содержанию 11,7 масс.% Сr. Первоначально хром вступает в реакцию с углеродом, содержащемся в чугуне, и образует карбиды типа Сr₇С₃. При этом 1 % С связывает около 10% Сr, что вызывает сильное обеднение твердого раствора хромом. Основные марки хромистых чугунов Х28 и Х34 содержат (26-30) % Сг и (32-36) % Сr соответственно. Хромистые чугуны хо­рошо сопротивляются механическому износу, прочны на изгиб и растяжение, обладают удовлетворительными литейными свойства­ми. Они устойчивы к газовой коррозии до температуры 1100° С, жаропрочность до 600°С. Из них готовят печную арматуру, части барабанных сушилок, плавильные горшки, реакторы, автоклавы и т.д.

Никелевые чугуны — СЧЩ-1 и СЧЩ-2 — устойчивы к воздей­ствию расплавов щелочей. Чем больше содержится в чугуне никеля, тем выше его стойкость. Никелевые чугуны жаропрочны и жаро­стойки.

Никеле-хромо-кремнистый чугун — нихросилаль — имеет состав: 1,8-3,0% Сг, 13-20% Ni, 5-7% Si, 1,7-2,0% С и 0,6-0,8% Μn . Он характеризуется повышенной жаростойкостью, жаропрочностью и вязкостью.

Никеле-медно-кремнистый чугун — нирезист — отвечает соста­ву: 2-4 % Сг, 11-16 % Ni, 1,5-2,5 % Si, 2,8 % С, 6-7 % Си и 2 % Μn. Он жаростоек до 600 °С и жаропрочен до 550 °С. Применяется при повышенных нагрузках.

Алюминиевые чугуны жаростойки. Чугун марки «Чуголь» имеет состав: 5,5-7,0% А1, 1,0-2,3% Si, 2,5-3,2% С и 0,6-0,8% Μη. Он имеет хорошую жаростойкость — 900 ° С, но пониженную жаропроч­ность — 400°С. Применяется при малых механических нагрузках, но высоких температурах. Из алюминиевых чугунов готовят тигли для расплавленных солей, цементационные ящики.

Кремнистые сплавы — ферросилиды — содержат до 14-18% кремния и до 0,4-0,8 % углерода. Они обладают низкими прочност­ными свойствами, высокой твердостью и хрупкостью, чувствитель­ны к перепадам температур. Изделия из таких сплавов получают обычно методом литья.

Кремнистый чугун — силаль (С-21-40) состава: 5-10% Si, 2,4-2,5 % С, 0,5-0,6 % Μn является доступным жаростойким (до 850 °С) и достаточно жаропрочным материалом. Он используется для изго­товления колосников и деталей печной аппаратуры.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 702; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!