Сталі з особливими тепловими властивостями

Легування сталі великою кількістю нікелю забезпечує дуже низький коефіцієнт її теплового розширення (рисунок 8.27).

Сталь з високим вмістом нікелю має аустенітну структуру; її склад наведений у таблиці 8.10.

Сплав інвар Н36 в межах температур від -50°С до +100°С має коефіцієнт лінійного розширення, який наближається до нуля. При підвищенні температури від 100°С цей коефіцієнт швидко збільшується, а при температурах вище 275°С він навіть перевищує коефіцієнт лінійного розширення звичайних сталей.

Інвар використовують в точному приладобудуванні, наприклад, для геодезичних і оптичних приладів. З інвару виготовляють вставки для розрізних алюмінієвих автомобільних поршнів, щоб зменшити їх теплове розширення і усунути заїдання в циліндрах під час роботи.

Коефіцієнти лінійного розширення платиніту, скла і платини є однаковими, тому платиніт Н42 є замінником дуже дорогої платини при необхідності впайки проводів у скло.

Рисунок 8.27 – Вплив нікелю на зміну коефіцієнту розширення сталі при температурах від 0°С до 100°С

Таблиця 8.10 – Сталі з тепловими властивостями

Елінвар Х8Н36 відрізняється постійним модулем пружності, який практично не змінюється при температурі від -50°С до +100°С. З елінвару виготовляють годинникові пружини, камертони і фізичні прилади.

Фактори, які сприяють жаростійкості і жароміцності:

1. Жаростійкість сталі або сплаву поперед усього визначається температурою плавлення і міцністю міжатомних зв’язків, яка знижується з підвищенням температури. Наприклад, найменша жароміцність спостерігається в сплавах магнію або сплавах алюмінію, які мають найменшу температуру плавлення. Метали з гексагональною граткою, наприклад, титан та цирконій, незважаючи на більш високу температуру плавлення в порівнянні з залізом і нікелем, завдяки меншій міцності міжатомного зв’язку мають меншу жароміцність.

Найбільшою жароміцністю характеризуються тугоплавкі метали з кристалічною граткою центрованого куба, такі як хром, молібден, ніобій і вольфрам.

2. Утворення твердих розчинів викликає появу більш міцних сил зв’язку між різнорідними атомами в порівнянні з тими, як існують в чистих металах. Крім того, хмари атомів металу, що розчиняється, чинять перепони до переміщення дислокацій в гратці металу, що розчиняє. Таким чином, тверді розчини мають більшу жароміцність, ніж метали, на основі яких вони утворюються. Додаткове підвищення жароміцності досягається за рахунок створення багатокомпонентних твердих розчинів, тому що введення в гратку металу, що розчиняє, не одного, а двох, трьох і більше різних атомів елементів, що розчиняються, ще в більшому ступені підвищує сили хімічного зв’язку між різнорідними елементами.

3. Старіння пересичених твердих розчинів завдяки виділенню дрібнодисперсних часток зміцнюючої фази. Наприклад, в жароміцних сплавах на нікелевій основі після гартування і старіння виділяються найдрібніші часточки фази g' складу Ni₃(Ti, Al) з граткою як в матриці, але з дещо більшим періодом. Дослідження найтонших плівок зі сплаву ХН80Т2Ю на просвіт під електронним мікроскопом показує, що після старіння при 700°С впродовж 14 годин часточки зміцнюючої фази g' є дуже дрібними (рисунок 8.28, а); старіння при 800°С впродовж 10 годин збільшує їх розміри (рисунок 8.28, б). У дійсності такі часточки є ще меншими, тому що дифузійне розсіяння електронів охоплює не тільки самі часточки, а й частину матриці навколо них, де гратки є пружно викривленою.

а б

в г

а – старіння при 700°С впродовж 16 годин, х85000; б - старіння при 800°С впродовж 10 годин, х100000; в - старіння при 850°С впродовж 10 годин, деформація 6%, х36000; г - старіння при 850°С впродовж 10 годин, деформація 16%, х50000

Рисунок 8.28 – Жароміцний сплав на нікелевій основі (ХН80Т2Ю) після гартування і старіння

Дислокацій, які утворюються при деформації з подовженням у 6% при високій температурі, багатократно перетинають дрібні часточки фази, що зміцнює, яка утворюється після старіння при 700°С.

Укрупнені часточки після старіння при 850°С впродовж 10 годин не перетинаються, а охоплюються дислокаціями з утворенням петель і скопичень (рис. 8.28, в). При великих деформаціях з подовженням у 16% укрупнені часточки перетинаються дислокаціями (рис. 8.28, г), яке вже легше пересуваються по вже «освоєним» шляхам, що й знижує жароміцність.

Недостатня стійкість найдрібніших часточок зміцнюючих фаз, які при високих температурах знову можуть переходити в твердий розчин, є суттєвим недоліком жароміцних сплавів, які зміцнюються шляхом старіння.

4. Більш досконалим методом зміцнення жароміцних сплавів є добавка в них найдрібніших часточок зміцнюючої фази, яка не переходить в твердий розчин. Наприклад, добавка в чистий нікель 2% ThO₂ у вигляді найдрібніших часточок діаметром 0,1 мк, які рівномірно розсіяні в металі (рисунок 8.29).

Рисунок 8.29 – ТД – нікель з найдрібнішими часточками ThO₂; х10000

Завдяки цьому нікель зберігає свою жароміцність до температур майже 1400°С, у той час як найкращі зміцнені старінням багатокомпонентні сплави на основі нікелю можуть використовуватися тільки до температур, які не перевищують 1000°С. Найдрібніший порошок ThO₂ отримують при термічному розкладанні нітрату торію. Після перемішування з порошком чистого нікелю суміш загружають в резинові контейнери і піддають гідравлічному пресуванню. Після видалення скловидної змазки сплав можна піддавати холодному волочінню і прокатці; нарешті з нього отримують прутки, листи, труби.

Існує й інший метод створення найдрібніших часточок в жароміцному сплаві – шляхом окислення порошків зістарених твердих розчинів, при цьому найдрібніші часточки фаз, що в них виділилися, переходять у більш стійкі окисли.

Мідь шляхом введення найдрібніших часточок ThO₂ розміром 0,1 мк або ZrO₂ розміром 0,05 мк стає жароміцною до температур 1050°С.

Подібним чином можна зміцнити молібден, вольфрам, залізо, алюміній і інші метали та сплави.

5. Зміцнення за рахунок наклепу підвищує щільність дислокацій, коли багаточисленні дислокацій, що перетинаються, і стінки дислокацій на границях блоків є перепонами для просування інших дислокацій, що гальмує деформацію до відомої температури і сприяє жароміцності.

6. Висока температура порогу рекристалізації визначає стійкість структури жароміцного сплаву. Наприклад, температура рекристалізації в сталях з аустенітною основою є вищою, ніж в сталях з феритною основою, тому аустенітні сталі розгартовуються при більш високій температурі, ніж феритні. Такі важко плавкі елементи, як молібден, хром, вольфрам, що вводять в твердий розчин для уповільнення дифузійних процесів, підвищують температуру рекристалізації. Не меншу роль для підвищення порогу рекристалізації також має і висока жароміцність і стійкість самих зміцнюючих фаз, які присутні в дрібнодисперсному розсіянні в твердому розчині і гальмують процес рекристалізації.

7. Крупнозернистість, а також міцність і зубчатість на границях зерен, які створюються раціональним легуванням, термічною обробкою і високотемпературною термомеханічною обробкою є необхідною умовою високої жароміцності сплаву.

В полікристалічних металах процес повзучості ускладнюється наявністю границь зерен і блоків, які можуть впливати на неї двояко. При температурі нижче рівноміцної завдяки наявності на границях зерен недосконалостей гратки і домішок, вони чинять перепони переміщенню дислокацій. Навпаки, при температурі вище рівномірної, границі між зернами і блоками виявляються найбільш слабкими місцями, по яким легше протікає пластична деформація, полегшується протікання дифузії і самодифузії завдяки переміщенню зосереджених на них вакансій. Тому руйнування при високих температурах, як правило, здійснюється по границях зерен, при більш низьких температурах і кімнатній температурі тріщини проходять через зерно. У зв’язку з цим крупнозернисті метали і сплави при більш високій температурі є більш міцними, ніж дрібнозернисті; при менш високій температурі і кімнатній температурі, навпаки, більш вигідними є дрібнозернисті.

Також велике значення має зубчатість і наявність блочної структури. Для підвищення жароміцності аустенітних сталей запропонована високотемпературна термомеханічна обробка, яка складається з наступних операцій:

1) нагрівання до 1200°С для створення однорідного аустеніту;

2) підстужування до 1100-1000°С для створення однорідного аустеніту;

3) деформація обтисканням до 30%;

4) термінове гартування на аустеніт з різким душовим (струменевим) охолодженням водою з метою подавлення процесу рекристалізації.

В результаті такої високотемпературної термомеханічної обробки аустенітна сталь отримує мікроструктуру з зубчатими границями зерен (рисунок 8.30, а) і блоками всередині зерен. В результаті спостерігається підвищення тривалої міцності високолегованих аустенітних сталей, що зберігається до температур, які не перевищують температуру рекристалізації, наприклад, до 900-950°С.

При неправильному режимі термомеханічної обробки аустенітних сталей, коли процес їх рекристалізації подавити не вдається, на місці «зубчатих» границь з’являються нові дрібні зерна (рис. 8.30, б), і ефект зміцнення пропадає.

а б

а – зубці на границях зерен; б – наявність рекристалізації

Рисунок 8.30 – Структура жароміцної сталі після високотемпературної термомеханічної обробки

8. Різниця у дії легуючих елементів в сталі при кімнатній і високих температурах пояснюється властивостями їх атомів. Наприклад, атоми неметалу фосфору дуже сильно викривляють гратку сталі, і, зосереджуючись на границях зерен і блоків, завдяки своїй нерухливості дуже ефективно гальмують переміщення дислокацій і зміцнюють сталь менше. При високих же температурах атоми фосфору набувають рухливості і вже не можуть ефективно чинити перепони переміщенню і сходженню дислокацій. У той же час набагато менш рухливі при високих температурах атоми молібдену діють по-іншому: вони чинять перепони на границях зерен дифузій вакансій і зміщень, гальмують переміщення і сходження дислокацій, що й підвищує жароміцність сталі.

Введення в жароміцні сталі таких елементів, як бор, церій, ніобій і цирконій в десятих, сотих, і навіть, тисячних долях відсотку, є дуже корисним для зміцнення границь зерен, що суттєво підвищує жароміцність.

9. Жаростійкість (окалиностійкість) сталі або сплаву залежить від непроникності і міцності плівки окислів, які утворюються на їх поверхні в процесі газової корозії при високих температурах. Хром утворює на поверхні сталі тонку і міцну плівку окислів (Fe, Cr)₂O₃, яка дуже гарно оберігає її від окислення.

Навпаки, рихлі, неміцні і проникні для кисню плівки з FeO не можуть захистити сталь від окислення. Чим вищою є температура, при якій працює деталь, тим більше хрому повинно бути в сталі; наприклад, при температурі 900°С достатньо 10% хрому, а при температурі до 1100°С потребується вже 20-25% хрому. Алюміній і кремній створюють міцні плівки окислів з Al₂O₃ і SiO₂, а також запобігають окисленню сталі; нікель тільки в кількості більше 20% підвищує жаростійкість сталі в атмосфера, які не містять сірчистих газів. Як феритні, так і аустенітні сталі при однаковому вмісті хрому, незважаючи на їх різну жароміцність, мають однакову жаростійкість, тому що на останню структура сталі не впливає. При цьому границі зерен, що виходять на поверхню, виступають каналами для проникнення кисню, звідси необхідність всемірного їх зміцнення.

Магнітні матеріали

Поиск по сайту: