ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с ГОСТ 5632-72 "Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные" к группе жаростойких (окалиностойких) отнесены "стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550 °С, работающие в ненафуженном или слабонафужен-ном состоянии" [1].

К сталям и сплавам этой фуппы предъявляют достаточно сложный комплекс требований, включающий наряду с высоким сопротивлением газовой коррозии хорошую технологичность в металлургическом переделе (изготовление листов, ленты и труб) и при изготовлении сложных сварных конструкций. Требуется также определенный уровень жаропрочности, поскольку в отличие от сплавов сопротивления, используемых для электронагревателей и также обладающих высоким сопротивлением окислению, жаростойкие конструкционные стали и сплавы в процессе эксплуатации обычно испытывают воздействие механических напряжений, хотя бы от собственной массы детали (муфели, экраны, газоходы, опоры, подвески и тд.) [21.

Жаростойкость материалов измеряется изменением массы образца (увеличением массы в результате окисления или уменьшением после сфавли-вания окалины) за определенное время при определенных условиях испытания (обычно при постоянных температуре и составе атмосферы) и выражается величиной изменения массы (г/м) за данный офезок времени либо в единицах скорости - [г/(м-ч)]. Чем меньше эти величины, тем выше жаростойкость. В случае хорошей жаростойкости скорость окисления при увеличении времени испытания снижается в связи с затуханием процесса [3].

Практически удобной является оценка скорости окисления в мм/год, которая определяется пересчетом величины потери массы по следующей формуле:

= (A9/ylOV8,7,

где А(7 - скорость окисления по убыли массы, г/(м • ч); у - плотность стали, кг/м\

Высокое сопротивление окислению обеспечивается обычно не низким сродством компонентов сплава к кислороду, а свойствами слоя оксидов, образующихся на сплаве. Основные фебования к защитной окалине - это ее сплошность, низкая диффузионная проницаемость для ионов кислорода в направлении к поверхности раздела металл-окалина и ионов компонентов сплава к поверхности окалина-газовая среда, а также хорошая адгезия окалины с металлом.

Обеспечение этих требований зависит не только от состава стали или сплава, но и от условий эксплуатации (температуры, состава и давления

Жаристойкне стаи н сплавы 145

laioiioil срсд1,1, продолжительности, наличия теплосмен, уровня механических напряжений и т.п.).

Основным элементом, определяющим уровень жаростойкости сталей и сплавов, является хром, образующий защитную пленку, состоящую из CrOj или шпинели NiO • Сг,Оз или более сложного состава типа (Fe,Ni)0 • (Cr,Fe)j03.

Поскольку хром определяет также и коррозионную стойкость сталей, в процессе развития качественной металлургии высоколегированных сталей было установлено, что целый ряд материалов обладает как коррозионной стойкостью, так и жаростойкостью. К таким материалам относятся стали типа 15Х25Т, Х18Н(9-12), 10Х14Г14Н4Т и сплав ХН78Т. Поэтому четкую фаницу между коррозионностойкими и жаростойкими материалами провести нельзя [1].

Безникелевые хромистые стали с 20-25 % Сг относятся к ферритному классу, и жаропрочность их при высоких температурах невысока. Сталь 15Х25Т имеет ряд недостатков (в частности, ограниченную свариваемость), что, несмотря на высокую жаростойкость и относительную дешевизну, сдерживает ее широкое применение.

Улучшение характеристик хромистой основы было достигнуто:

• введением 2,5-3,5 % А1, что позволило значительно повысить жаростойкость за счет образования в окалине защитных фаз AI2O3 и FeO- (Al,Cr)j03;

• использованием внепечного рафинирования металла, существенно снижающего количество примесей внедрения и, как следствие, повышающего технологические свойства стали в холодном состоянии. Кроме того, при выплавке стали может быть использовано до 100 % отходов [4].

Наиболее широкое распространение находят хромоникелевые и хро-моникельмарганцовистые стали аустенитного класса. Основные преимущества этих сталей - более высокая жаропрочность и хорошая технологичность как в горячем, так и в холодном состоянии, хорошая свариваемость, ремонтоспособность.

Из сталей этого класса можно отметить не имеющие зарубежных аналогов экономнолегированные никелем стали 12Х25Н16Г7АР и 07Х25Н16АГ6Ф (вторая с улучшенной свариваемостью), нашедшие применение в ракетно-космической технике (сопла, диафрагмы) [5].

Легированная алюминием сталь 10Х18Н18Ю4Д имеет высокую жаростойкость до температуры 1100 °С.

Сталь 20Х25Н20С2, легированная кремнием, также имеет высокую жаростойкость, устойчива в серосодержащих средах, однако технологичность ее хуже, вероятно, за счет сочетания высокого содержания хрома и кремния.

Сплав на железоникелевой основе ХН32Т, являющийся аналогом зарубежного сплава Incoloy 800, обладает высокой структурной стабильностью и предназначен для длительной эксплуатации в аппаратуре нефтехимических производств (листы, трубы) при температурах до SSCC.

Сплав ХН45Ю был разработан в результате систематического исследования сплавов системы Fe-Ni-Cr(9-20 %)-А1(0-4 %). Предложенное оп-

гималыюе сочетание легирующих элементов позволило создать эконом-Н()ле1ированный технологичный сплав, обладающий наиболее высокой жаростойкостью из известных в настоящее время сплавов (до 1200-1300 °С) и являющийся полноценным заменителем сплавов на никелевой основе для ряда применений при значительной экономии никеля (до 330 кг на I т сплава) [6].

Сплавы на никелевой основе могут быть рекомендованы к применению только для весьма ответственных назначений в авиационной и ракетно-космической технике (камеры сгорания, форсажные камеры).

Библиографический список

1. ГОСТ 5632-72 "Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные". - М.: Госстандарт СССР.

2. Киреев В. Б., Куликова Л. В., Козлова Н. Н. Проблемы, поиски, решения. Сб. трудов. - М.: Металлургия, 1989. С. 217-220.

3. ГОСТ6130-71. "Металлы. Методы определения жаростойкости". - М.: Госстандарт СССР.

4. Козлова Н. Н., Доронина Е. В., Киреева Т. С, Фуфаева Е. Н. Оптимизация легирования и термической обработки качественных сталей. Сб. трудов ЦНИИЧМ. - М.: 1987. С. 68-72.

5. Козлова Н. Н., Доронина Е. В., Матросов Ю. И. Проблемы современной металлургии. Сб. трудов ЦНИИЧМ. - М.; Металлургия, 1983. С. 169-173.

6. Козлова Н. Я., Ляпунов А. И. и др. Специальные стали и сплавы: Сб. трудов ЦНИИЧМ. - М.: Металлургия, 1970. Вып. 77. С. 27-32.

7. Марочник сталей и сплавов / Под ред. В. Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.