Легирующий элемент придающий стали жаропрочность

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Легированными сталями называют стали, в которые для получения требуемых свойств специально вводят легирующие элементы, улучшающие ее механические, физические и химические свойства.

В качестве легирующих химических элементов используют:

• • хром;
• • никель;
• • марганец;
• • кремний;
• • вольфрам;
• • молибден;
• • ванадий;
• • кобальт;
• • титан;
• • алюминий;
• • медь и др.

Хром повышает жаростойкость и коррозионную стойкость стали, увеличивает ее электрическое сопротивление и уменьшает коэффициент линейного расширения, повышает ее прокаливае-мость.

Никель увеличивает пластичность и вязкость стали, снижает температуру порога хладоломкости и уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений, повышает прокали-ваемость. В результате повышается сопротивление стали хрупкому разрушению. Так, при введении 1 % никеля снижается порог хладоломкости стали на 60—80 °С, а при введении 3 % никеля обеспечивается ее глубокая прокаливаемость.

Марганец, подобно хрому и никелю, увеличивает прокаливаемость стали, но кроме этого уменьшает и вязкость феррита. Марганец используют для частичной замены никеля с целью получения необходимого сочетания механических свойств стали и ее стоимости, с учетом меньшей стоимости марганца.

Кремний широко используют при выплавке стали как рас-кислитель. Легирование кремнием углеродистых и хромистых сталей увеличивает их жаростойкость. Так, сталь, в состав которой входит 5 % хрома и 1 % кремния, в среде печных газов по жаростойкости аналогична стали с 12 % хрома. Содержание кремния в стали ограничивают, так как он повышает склонность к тепловой хрупкости.

Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие химические элементы вводят в сталь вместе с хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучшения ее свойств

Молибден и вольфрам повышают прокаливаемость стали (особенно в присутствии никеля), способствуют измельчению зерна и подавлению отпускной хрупкости. Легирование стали молибденом приводит к значительному улучшению ее механических свойств после цементации.

При введении в сталь ванадия, титана, ниобия и циркония образуются труднорастворимые в аустените карбиды, что вызывает измельчение зерна, снижение порога хладноломкости, уменьшение чувствительности стали к концентраторам напряжений. Однако этот эффект проявляется лишь при малом содержании этих легирующих химических элементов в стали (до 0,15 %). При большем количестве они вызывают снижение прокаливаемости и сопротивления стали хрупкому разрушению.

Положительное влияние бора на повышение прокаливаемо-сти и прочности стали проявляется лишь при микролегировании бором (0,001—0,005 %). При повышенном содержании бора сталь становится хрупкой.

Все легирующие элементы уменьшают рост зерна аустенита. Исключение составляют марганец и бор, которые способствуют росту зерна. Остальные химические элементы, измельчающие зерно, оказывают различное влияние. Так, никель, кобальт, кремний, медь относительно слабо влияют на рост зерна; хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан сильно измельчают зерно (элементы перечислены в порядке роста силы их действия).

При отпуске стали легирующие химические элементы замедляют процесс распада мартенсита.

Некоторые элементы, такие как никель или марганец, оказывают незначительное влияние, тогда как большинство (хром, молибден, кремний и др.) — весьма заметное.

Легированные стали классифицируют:

• • по равновесной структуре:

• — доэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточный перлит;
• — эвтектоидные стали, имеющие перлитную структуру;

Маркировка легированных сталей. Для улучшения механических, физических, химических и технологических свойств сталь легируют, т.е. вводят в ее состав легирующие элементы – хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, а также марганец и кремний.

Легирующие элементы придают стали специальные свойства, превращая ее например, в жаропрочную, коррозионно-стойкую, быстрорежущую, электротехническую, немагнитную, окалиностойкую и другую специальную сталь. Некоторые легированные стали, особенно коррозионно-стойкие, незаменимы в химической промышленности, так как служат конструкционным материалом для изготовления аппаратуры и ее деталей, работающих в условиях одновременного воздействия высоких температур, давлений и агрессивных химических сред.

К недостаткам легированных сталей следует отнести высокую стоимость, сложность термической обработки, дефицитность некоторых легирующих элементов.

Маркировка легированных сталей

Она позволяет в краткой форме указать примерный состав стали. В ее основу положена буквенно-цифровая система. Каждый легирующий элемент обозначают прописной буквой: хром (Х), никель (Н), молибден (М), ванадий (Ф), марганец (Г), фосфор (П), медь (Д), вольфрам (В), ниобий (Б), титан (Т), цирконий (Ц), кремний (С), кобальт (К), алюминий (Ю), бор (Р).

Двузначное число в начале марки обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента, а однозначное – в десятых долях процента. Цифры, стоящие справа от прописной буквы, показывают примерное (среднее) содержание легирующих элементов в целых процентах. Если в стали содержится до 1,5% легирующего элемента, то цифру справа от буквы, обозначающей этот элемент, не ставят. В конце марки высококачественной конструкционной легированной стали ставят букву «А»; все инструментальные легированные стали и специальные стали являются высококачественными, поэтому букву «А» в обозначениях этих сталей не ставят. Например, сталь марки 12Х2Н4А – это легированная конструкционная высококачественная сталь с содержанием в среднем 0.12% углерода, 2% хрома, 4% никеля, остальное – железо (основа) и примеси: нормальные (Мn и Si) и вредные (S и Р).

Некоторые группы легированных сталей принято обозначать буквой, которую ставят первой в марке данной стали. Например, буквой Ш обозначаются шарикоподшипниковые стали (ШХ15 и др.); Р – быстрорежущие стали (Р6М5 и др.); Е – магнитные стали (ЕХЗ и др.); Э – электротехнические стали (Э11 и др.); А – автоматные стали (А30 и др.).

Легирующие элементы и их влияние на свойства

Сталей и сплавов

Хром – наиболее распространенный легирующий элемент, придает стали прочность, твердость, жаростойкость, но несколько снижает вязкость. При введении более 12% хрома сталь приобретает высокие антикоррозионные свойства за счет образования на поверхности тонкой оксидной пленки и повышения электротехнического потенциала, такие стали называют нержавеющими.

Никель – широкораспространенный легирующий элемент, увеличивает коррозионную стойкость, прочность, твердость, не снижая при этом вязкость стали; из-за дефицитности никель заменяют в выплавляемых сталях, где это возможно, другими элементами, оказывающими такое же влияние.

Молибден придает стали жаропрочность, повышает вязкость, коррозионную стойкость.

Титан, ниобий упрочняют сталь и, главное, снижают склонность к коррозии стали по границам зерен, однако при этом ухудшается свариваемость стали.

Ванадий, вольфрам повышают красностойкость инструментальной стали, а также жаропрочность и жаростойкость (окалиностойкость). Инструмент из таких сталей можно применять при высоких скоростях резания, когда выделяется большое количество теплоты вследствие трения инструмента о заготовку детали.

Кремний повышает жаростойкость, а также твердость и упругость стали, поэтому кремнистые стали используются как пружинно-рессорные.

Марганец увеличивает износостойкость, но несколько ухудшает свариваемость.

Медь повышает вязкость и теплопроводность.

Кобальт придает стали ярко выраженные магнитные свойства.

Чистый никель не отличается высокой жаропрочностью: при 800°С его . При легировании никеля хромом его длительная прочность возрастает на 25-30% в результате увеличения сил межатомный связи.

Алюминий сильно повышает жаропрочность, что обусловлено формированием упрочняющей g¢-фазы (Ni Al), количество которой возрастает от 5 до 42% с увеличением количества алюминия от 0,5 до 4%.

Легирование титаном до 2,5-3% способствует образованию интерметаллида Ni Ti, что вызывает повышение длительной прочности, но рабочие температуры при этом несколько меньше, чем при упрочнении Ni Al.

Кобальт входит в состав g¢-фазы, замещая никель, но основная доля его растворяется в -фазе. Кобальт повышает пластичность и вязкость сплавов, увеличивает жаропрочность никелевых сплавов.

Ванадий, ниобий, тантал вводят в никелевые сплавы для легирования g¢-фазы, упрочнения -твердого раствора и формирования карбидов. Ванадий стабилизирует структуру сплава, распределяясь в – и g¢-фазах, и повышает жаропрочность сплава.

Хром, растворяясь в -фазе, увеличивает длительную прочность при 700-750°С, но снижает ее при очень высоких температурах из-за ускорения диффузионных процессов.

Вольфрам, распределяясь поровну в – и g¢-фазах, тормозит диффузионные процессы и поэтому повышает жаропрочность.

Молибден растворяется в g¢-фазе частично, большая часть его находится в твердом растворе, но при высоком содержании молибдена возрастает склонность сплавов к внутреннему окислению, особенно при высоких температурах и длительных выдержках. Поэтому в наиболее жаропрочных сплавах (ЖС6 и др.) содержание молибдена ограничивают 1-2%.

В никелевых сплавах содержится углерода менее 0,12%: при снижении углерода до 0,03% снижается долговечность и длительная прочность, при большем содержании снижается пластичность. Желательно, чтобы в сплавах выделялись простые карбиды типа MeC и Me C.

Легирование никелевых сплавов ниобием и танталом способствует стабилизации карбидов типа MeC.

Введение сотых долей процента бора и циркония увеличивает долговечность в 13 раз, относительное удлинение в 7 раз, длительную прочность в 2 раза. Бориды располагаются по границам зерен, заполняя межузельные промежутки в приграничной зоне, существенно уменьшая способность границу зерен порождать вакансии, вызывающие переползание дислокаций. Таким образом, микролегирование бором, цирконием, церием (0,1%), магнием (0,1%), гафнием (3,5%), рением (2%) ведет к упрочнению границ зерен, а именно: с разрушения границ зерен начинается разрушение жаропрочных сплавов при высоких температурах. Наиболее высокие жаропрочные свойства достигаются при комплексном легировании никелевых сплавов.

Термическая обработка жаропрочных никелевых сплавов.Упрочняющая термическая обработка состоит из закалки и старения (табл. 4). Температура закалки должна быть достаточна для наиболее полного растворения g¢-фазы. Она обычно составляет 1080-1220°С, охлаждение осуществляют на воздухе. Иногда применяют двойную закалку, повторная закалка проводится с более низких температур (1000-1050°С).

Цель первой закалки – перевести в перенасыщенный – твердый раствор возможно большее количество упрочняющих фаз.

При нагреве под повторную закалку выделяются более полно и коагулируют карбиды.

В сплавах с большим количеством g¢-фазы (45-50%) по границам зерен кроме карбидов выделяются крупные частицы g¢-фазы, что повышает жаропрочность после окончательной упрочняющей термообработки. Двойная закалка обеспечивает более высокие пластические свойства состаренных сплавов по сравнению с одинарной закалкой.

Карбиды, выделяющиеся при 1000-1050°С, равномерно распределяются по объему; в случае одинарной закалки карбиды образуют сплошную сетку по границам зерен, снижающую пластичность. Старение проводят при температуре 700-950°С, при этом из пересыщенного -твердого раствора выделяется g¢-фаза. Высокодисперсная структура сплавов остается стабильной длительное время (тысячи часов) при высокой температуре. При длительном воздействии высоких температур происходят структурные изменения: коагуляция и растворение частиц упрочняющей g¢-фазы, формирование по границам зерен зон, обедненных карбидообразующими элементами, выделение фазы Ni Ti пластинчатой формы. Жаропрочные никелевые сплавы подвергают часто ступенчатому старению, причем температура второй ступени несколько ниже, чем первой.

Цель ступенчатого старения – наиболее полное выделение g¢-фазы, что обеспечивает более высокие прочностные и жаропрочные характеристики по сравнению с одинарным старением.

Литейные сплавы также можно подвергать высокотемпературной закалке, которая гомогенизирует их структуру и способствует более равномерному выделению упрочняющих фаз.

Старение для этих сплавов чаще проводят в одну высокотемпературную стадию, т. к. литейные сплавы обычно работают при более высоких температурах.

Иногда эти сплавы используют в литом состоянии, причем старение происходит в процессе эксплуатации.

Жаропрочные сплавы на основе никеля и кобальта разбивают на деформируемые, литейные и дисперсноупрочненные.

Жаропрочные деформируемые сплавы.Структура и механические свойства жаропрочных деформируемых никелевых сплавов зависят от сочетания режимов обработки давлением и термической обработки. Предварительная горячая деформация, сопровождающаяся рекристаллизацией, приводит к образованию мелкозернистой структуры. На заключительной стадии производства полуфабрикатов проводят рекристализационный отжиг, а также закалку и старение. В другом случае в процессе деформации проходит избирательная рекристаллизация по границам зерен с формированием частично рекристаллизованной структуры типа “ожерелье”. Такая структура имеет крупное исходное нерекристаллизованное нагартованное зерно (d =0,05-0,1мм), окаймленное сеткой мелких рекристаллизованных зерен той же -фазы (d =0,005-0,015мм). Последующая термообработка состоит из неполной закалки и одно- или многоступенчатого старения. Сплавы характеризуются высокой прочностью, сопротивлением ползучести, длительной прочностью и повышенным сопротивлением малоцикловой усталости. Повышение жаропрочности обусловлено развитой полигонизованной структурой, а повышенное сопротивление малоцикловой усталости связано с окантовкой крупных зерен.

Сплав ХН78Т (ЭИ435) применяется для изготовления труб и листов для камер сгорания, работающих ограниченный срок при 1000°С и кратковременно до 1200°С.

После закалки 980-1020°С и охлаждения сплав имеет высокие механические свойства, сваривается всеми видами сварки. Сплав имеет способность к глубокой вытяжке при штамповке.

Сплав ХН77ТЮР отличается высокой жаропрочностью и пластичностью при повышенных температурах, что обусловлено благоприятным влиянием бора; обладает хорошей выносливостью при циклических нагрузках и высоким сопротивлением окислению до 900°С.

Сплав подвергается упрочняющей термообработке: закалке при 1080°С; =8ч, охлаждение на воздухе. Старение при 700°С, =16 ч, с охлаждением на воздухе. Структура сплава состоит из -твердого раствора легирующих элементов в никеле, интерметаллидной фазы g¢ на основе Ni Al (10%), карбидов титана и хрома. Сплав хорошо сваривается электрошлаковой сваркой, хорошо штампуется, хорошо обрабатывается резанием. Для повышения жаропрочности не рекомендуется дробеструйная обработка, лучшие результаты дает шлифование и полирование.

Сплав ХН70ВМТЮ (ЭИ617) обладает еще большей жаропрочностью после дополнительного легирования вольфрамом и молибденом, так как в структуре сплава образуется более сложнолегированный -твердый раствор; при увеличении в сплаве количества алюминия и титана увеличивается количество g¢-фазы Ni (Ti, Al) c 16 до 20%. После двойной закалки при 1190 и 1050°С и старения при 800°С сплав имеет высокие механические свойства и жаропрочность.

Для рабочих лопаток турбин с ограниченным сроком службы при 900-950 0 С и длительным сроком службы (10000ч) при 700-800 0 С применяют сплав ХН55ВМТФКЮ (ЭИ 929). Высокие жаропрочные характеристики сплава обеспечиваются легированием g-твердого раствора кобальтом, который одновременно повышает пластические свойства сплава благоприятным влиянием бора и TiC; кроме того, увеличивается количество g¢-фазы (Ni₃Al) или (Ni,Co)₃(Al,Ti) до 36-38%.

Закалка 1190 0 С на воздухе и ступенчатое старение при 1000 0 С (τ=8ч) и 950 0 С (τ=8ч) позволяют получить высокую жаропрочность.

В условиях контакта с оксидами железа сплав склонен к язвообразованию, для предохранения от которого следует применять алитирование или хромирование поверхности.

Жаропрочные никелевые сплавы с большим количеством g¢-фазы имеют низкие технологические свойства, и получение из них деформированных полуфабрикатов из слитка представляет сложную проблему. Многие технологические трудности решаются порошковой и гранульной технологией, например, для сверхлегированных сплавов для интегральных роторов, которые нельзя изготовить традиционными способами.

Жаропрочные литейные сплавы.По химическому составу близки к высокожаропрочным деформируемым сплавам, но обычно содержат большее количество алюминия и титана.

Литейные сплавы имеют следующие преимущества: более высокие жаропрочные свойства в результате большей легированности сплавов; меньшую трудоемкость изготовления деталей, возможность получения пустотелых водоохлаждаемых лопаток.

Основной недостаток этих сплавов – пониженная пластичность, особенно в интервале рабочих температур.

Структура литейных сплавов состоит из γ-твердого раствора, g¢-фазы, количество которой иногда достигает 50-60%, карбидов и боридов. Титан образует с углеродом малорастворимые карбиды типа TiC, а в присутствии азота – карбонитриды Ti(C,N). Карбиды титана с никелем образуют эвтектику, которая располагается в междендритных пространствах. Возможно образование сложных карбидов других металлов.

Боридные фазы Cr₃B₂, а также более сложные бориды (Mo,W)_nCr_mB₂ или (Mo,W,Cr)₃B₂ скапливаются на границах зерен.

Наиболее известны сплавы серии ЖС: ЖС3, ЖС6, ЖС6К, ЖС6У, ЖС6Ф.

ЖС3 – сплав, работающий до температуры 850°С, используется для изготовления лопаток соплового аппарата ТРД, турбостартеров методом точного литья. Сплав ЖС3 легирован γ-стабилизирующими элементами (хромом, молибденом, вольфрамом) и g¢-образующими элементами (алюминием, титаном) .При закалке g¢-фаза полностью растворяется в γ-твердом растворе. Сплав обладает высокой окалиностойкостью до 950-1000°С.

Сплав ЖС6К отличается от ЖС3 меньшим содержанием хрома и большим содержанием всех остальных легирующих элементов; дополнительно легирован кобальтом; предназначен для изготовления деталей, работающих при температурах газа 800-1050°С. Закаливают сплав на воздухе с температур 1210-1230°С, а затем подвергают старению при 950°С в течение 2ч. Микроструктура сплава ЖС6К после закалки и старения состоит из γ-фазы, крупных частиц γ¢-фазы, образовавшейся при кристаллизации и не полностью растворившейся при нагреве под закалку, и более мелких, почти кубической формы, выделений γ¢-фазы, сформировавшихся при старении. Общее содержание g¢-фазы составляет 45%. Сплав обладает довольно высокой технологичной пластичностью, поэтому из него изготовляют деформированные полуфабрикаты (в этом случае его маркируют ЖС6КП).

Новое направление повышения жаропрочности литейных никелевых сплавов состоит в получении методом направленной кристаллизации монокристаллических лопаток с заданной кристаллографической ориентацией. В лопатках с монокристаллической структурой отсутствуют поперечные границы зерен, по которым проходит высокотемпературное разрушение, что и обуславливает их более высокую жаропрочность.

Рабочие лопатки газовых турбин являются деталями, наиболее нагруженными механически и термически, поэтому материалы для их изготовления должны быть жаропрочными, устойчивы против удара, усталости и окалиностойкости, должны хорошо обрабатываться давлением и резанием. Для их изготовления используется кобальтовый сплав ЛК4. Сплав применяется в литом виде. Структура после литья состоит из неоднородного твердого раствора хрома, никеля, молибдена на кобальтовой основе в виде дендритов, эвтектики, располагающейся между ветвями дендритов и карбидов.

Наличие карбидов делает способным сплав к закалке и старению. Длительная жаропрочность сплава при 700°С и выдержке в течение 100 ч составляет около 250 МПа.

Дисперсноупрочненные сплавы на никелевой основе.Дисперсноупрочненные сплавы на никелевой основе (ВДУ-1;ВДУ-2;ВДУ-3) получают методом порошковой металлургии. Структура сплавов состоит из металлической матрицы, которой служит никель (ВДУ-1;ВДУ-2) или никельхромовый твердый раствор (ВДУ-3). Дисперсное упрочнение сплава ВДУ-1 обеспечивает оксид тория, поэтому сплавы токсичны. Сплавы ВДУ-2 и ВДУ-3 упрочнены нетоксичной двуокисью гафния. Дисперсно-упрочненные сплавы отличаются тем, что количество упрочняющей дисперсной фазы редко превышает 5%, она некогерентна к матрице и частицы тугоплавких оксидов инертны по отношению к матрице. Поэтому сплавы ВДУ-1,ВДУ-2 способны к холодной пластической деформации, тогда как для сплава ВДУ-3 допустима холодная деформация лишь с малыми обжатиями (≤10%).

Структура полуфабрикатов этих сплавов представляет собой ориентированные в направлении деформации рекристаллизованные зерна размерами 300-500 мкм в поперечнике. Зерна пронизаны мелкими двойниками отжига, расположенными преимущественно под углом 45 0 к направлению деформации.

По прочностным характеристикам при комнатной и умеренных температурах у ВДУ-1 и ВДУ-2 составляет s_в=500-550 МПа, а ВДУ-3 легированного хромом s_в=850-950 МПа.

По жаропрочности они превосходят классические дисперсионно-твердеющие сплавы, их целесообразно применять при 1100-1200°С.

Оборудование и принадлежности

Металлографические микроскопы, коллекция микрошлифов жаропрочных сталей и сплавов, справочные материалы, альбомы с фотографиями микрошлифов сплавов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском: