Основните топлоустойчиви материали, които се използват в газовите турбини, пещите и в други видове високотемпературни съоръжения, работещи при температура до 1350°С, са сплавите на основата на желязо и никел.
Високото съпротивление срещу окисляване на стоманите и сплавите е свързано най-напред с голямото количество хром, намиращо се в състава на тези сплави. Например, максималното съдържание на хром /по маса/ е 26-29% в сплав на основата на никел – ХН70Ю.
Повишаване на температурната граница на работа на никеловите и железните сплави при понататъшно увеличаване на съдържанието само на хром, обаче е невъзможно. С увеличаване съдържанието на хром, повече от 30%, забележимо намалява температурата на топене на железните и на никеловите сплави, но най-основното е, че сплавите не са технологични в металургичното производство.
Многогодишният опит при създаване на технологични стомани и сплави, устойчиви срещу газова корозия е показал, че деформируемите, заваряващи се топлоустойчиви материали за работа в условия при температури до 800°С трябва да бъдат на основата на системите Fe-Cr, Fe-Cr-Mn-N; за температури по-високи от 800°С, като основа трябва да се използва аустенит в система Fe-Ni-Cr. Избора на аустенитната структура е обусловен от необходимостта, при високата температура да се осигури достатъчен запас от продължителна якост, заваряемост и пластичност.
Феритната структура на стомани от вида Х25, Х28, Х25Т запазва висока устойчивост в различни газови среди, обаче за тях е характерно окрехкостяване, ниска топлоустойчивост и крехкост на заварените съединения.
От общия анализ на процеса на окисляването на сложната сплав следва, че основните фактори, определящи съпротивлението на сплавта срещу окисление след продължителна работа, се явяват физико-химическите свойства на образуваните окисни съединения на компонентите на сплавта, сродството на компонентите с кислорода, химическите и структурните изменения в слоевете на метала на границата метал-окалина.
Легирането на основата на различни елементи може да се съпровожда при окислението с:
- образуване на собствен окис на добавения елемент от външната или вътрешната страна на окалината;
- образуване на смесени окиси на основата на компонентите на сплавта;
- изменение на електропроводимостта на окисния слой;
- изменение на адхезионните свойства на окалината;
- изменение на състава и структурата на метала в подокалините слоеве;
- образуване на включения на окиси в материала или по границите на зърната, за сметка на вътрешното окисляване;
- образуване при окисляване на летливи продукти.
Днес се прилага голямо разнообразие от методи за изследване на процеса на окисляването на сложно – легираните композиции на сплавите. Основна характеристика на устойчивостта на сплавта срещу окисляване, остава увеличението на масата на образеца, по-рядко се прилага оценката по загуба на маса, определена в резултат на отделяне на окалината, след премахване или възстановяването и.
От структурните методи, покрай широкото приложение на рентгеноструктурния анализ на фазовия състав на окалината, съществена информация дава и електронната микроскопия. Именно с този метод може да се анализира структурата на окисите в началния стадий на окисляването и може да се построят модели на строежа на окалината по слоеве.
Сравнително нов метод за изучаване процесите на окисляването е микро – рентгеноспектралния анализ, с който се получават зависимости на степента на обедняване на повърхността на сложните сплави от различни елементи в процеса на окисление, като е изучен състава на включенията по слоеве в окалината.
При създаването на сплави с надеждни топлоустойчиви характеристики се извършват изпитвания при температури 1000-1250°С, за време до 10 000 часа.
Имайки предвид, че общите изисквания към образуването на защитен слой в процеса на продължителното окисляване са известни и се свеждат до три положения – механична еднородност на слоя, плътно и яко сцепление на слоя към матрицата, ниска дефузионна проницаемост на слоя, не са установени законите, установяващи връзката между легирането и изменението на физическите параметри на окалината, матрицата и механизма на процеса на продължителното окисляване. Най-малко се знае за структурата на окалината и връзката на структурата със защитните и адхезионните свойства. Установено е обедняването на подокисните слоеве в метала, но не е определено количествено неговото влияние върху съпротивлението срещу окисляване.
Легирането, като правило оказва влияние във всички стадии на окисляването и се проявява при всички физико-химически процеси, но във всеки случай има място и предимство формата на влияние.
Така, например, волфрама и молибдена образуват с кислорода летливи съединения. Това свойство на посочените кислородни съединения покрива цялото друго влияние на молибдена и волфрама, водейки винаги към понижаване на съпротивлението срещу окисляване на сплавите при легирането им с тези елементи, разделно или заедно. По този начин, макар, че има известен прогрес в систематизирането на физичните и химичните процеси, съпровождащи процеса на окисляване, и при развитие на методите за изследване, обаче и до днес основния начин за създаване на топлоустойчиви стомани остава емпиричното търсене на зависимостта състав – свойство.
Доколкото топлоустойчивите стомани и сплави не претърпяват съществено изменение на фазовия състав в работния температурен интервал, те се явяват удобни системи за прилагане на различни математически методи за планиране на експеримента и за построяване на математически модели, установяващи връзката състав – топлоустойчивост – технологичност.
Важно значение има и икономическата страна на въпроса. Икономически-ефективната сплав се определя от три главни показатели: от икономично легиране, от технологичността при обработката на метала и от изходната годна продукция, с определени нива на експлоатационните характеристики. Оптимално е решението, когато всичките тези три приложени показателя водят до нова, по-добра сплав от аналозите.
Заедно с това, отчитайки, че топлоустойчивите материали, като правило, работят при относително ниски напрежения, следва да се смята, че широкото използване на никела не отговаря на изискванията на съвременната икономика. Стоманите и сплавите с никел трябва да се прилагат само тогава, когато се изисква повишаване на топлоустойчивостта и пластичността.
Проведеното системно изследване на топлоустойчивостта при атмосферни условия на сплави от системите Fe-Cr, Fe-Cr-Mn-N, Fe-Ni-Cr е дало възможност да се определи закономерността за влиянието на отделните компоненти и с помощта на математическия анализ да се оптимизира състава на редица стомани.
Днес най-подробно са изучени системите Fe-Cr, Fe-Mn-Cr, Fe-Ni-Cr, където състава с повишено съдържание на желязо /до 40-60%/ представлява особен интерес. Покрай изучаване влиянието на основните компоненти на системите е изучено допълнително и влиянието на алуминия, силиция и мангана, при това, като основа са използвани както тройни сплави на системи Fe-Ni-Cr, така и четворни системи Fe-Ni-Со-Cr. Последната е избрана във връзка с необходимостта от повишаване на характеристиките на топлоякостта. Последните изследвания показват, че кобалтът съществено повишава топлоякостта на твърдия разтвор в областта на температури 1200-1350°С.
За да се изучат системите на сплавите, разгледани по-горе, са определени съпротивлението срещу окисляване и комплекса от механични свойства на топлоустойчивите материали. Разглеждаме ги отделно по-долу.
Желязо.Увеличаването на съдържанието на желязото в сплавите на основата Ni-Cr, слабо влияе върху топлоустойчивостта им до 1100°С. Отрицателното влияние на желязото се проявява в температурния интервал 1100-1300°С, при съдържание по-голямо от 30%. С рентгеноструктурния анализ е показано, че окалината на сплави с ниска топлоустойчивост съдържа основно окисите (Fe, Cr)2О3. В сплави с кобалтова насоченост, влиянието на желязото зависи от съдържанието на кобалт. При съдържание на 10-20% кобалт топлоустойчивостта на сплавите с желязо е по-ниска, отколкото в сплавите без желязо, обаче, ако се добави 30% кобалт вече се изравнява отслабващото влияние на желязото.
Хром. Изпитванията на топлоустойчивата сплав, на основа на Fe-Ni-Cr, с променливо съдържание на хром, показват, че съдържание с по-малко от 14% Cr не оказва съществено влияние върху повишаване на топлоустойчивостта. Критичната долна граница на хрома е някъде около 14%; по-високото съдържание на хром съществено повишава топлоустойчивостта. Особено рязко неговото влияние се проявява в интервала 15-20%.При съдържание до 26% хром нарастването на топлоустойчивостта е незначително. Влиянието на хрома в сплавите с кобалт е аналогично на сплавите без кобалт.
Никел. При ниски температури – около 900°С – влиянието на никела е незначително, при температури по-високи от 1000°С, в количества до 25%, никелът увеличава загубите по маса на метала и само след 25%, свойствата се увеличават по стойност, обаче топлоустойчивостта продължава да е по-ниска отколкото в състав без никел. Сплави с кобалт от 10 до 70%, имат най-висока топлоустойчивост при 40% Ni.
Кобалт. Влагането на 40% кобалт подобрява топлоустойчивостта на сплави Ni-Cr-Со. При по-високо от това съдържание в окалината се появява окисляване на кобалта и топлоустойчивостта се намалява. В четворната система Fe-Ni-Со-Cr, сплавите с 45-50% желязо имат същата топлоустойчивост, както и сплавите без желязо. Малките количества желязо влияят отрицателно върху съпротивлението срещу окисляване на сплавите с кобалт.
Манган. Този елемент се прилага като аустенито -образуваща добавка за частична замяна на никела с манган, а така също за увеличаване устойчивостта на аустенита, за сметка на повишеното усвояване от твърдия разтвор на азот, в присъствието на манган. Изследванията показват, че мангана може да бъде използван като легираща добавка в количество до 10% в сплави на основата Fe-Ni-Cr, предназначени за работа при температури до 1050°С. При температура, по-висока от 1050°С, сплавите с манган имат ниска топлоустойчивост.
Алуминий. При съдържание до 2% алуминий, топлоустойчивостта на сплавите от системата Fe-Ni-Cr-Al при температури по-високи от 1200°С се влошава значително и той слабо влияе при температури по-ниски от 1150°С. Възможното обяснение за това е, че се повишава концентрацията на ваканциите в окалината, вследствие на частично заместване на двувалентните атоми на желязото и никела с тривалентните атоми на алуминия.Повишаването на броя на ваканциите влече след себе си ускоряване на дифузията на кислорода към повърхността на метала. Вложените в сплавта 2,5-3,5% алуминий се съпровожда с рязко повишаване на топлоустойчивостта, особено в температурни области от 1200°С и по-високи.Това се свързва с образуване на FeO(Cr2O3, Al2O3) и собствен стабилен окис Al2O3. Забележителната способност на влиянието на алуминия се изявява върху твърдия разтвор на сплавите с екстремално-високи показатели на топлоустойчивостта. Забележимо се диференцират така също разтвори на желязо и никел. В сплави с кобалт, влиянието на алуминия е аналогично, както в сплави без кобалт.
Силиций. Оптималното съдържание на силиций в сплавите на основа Fe-Ni-Cr при температури до 1100°С е около 1,5%. При по-ниско от това съдържание влиянието му отслабва, а при увеличаване на съдържанието до 4% не се забелязва подобряващо влияние. В присъствие на 20% кобалт, влиянието на силиция е аналогично. Легирането на стоманите със силиций е целесъобразно, при работа в условия на температури до 1100°С, а при по-високи, значително отстъпват съставите, легирани с алуминий.
Въглерод. В границите на съставите, отличаващи се с удовлетворителна технологичност /заваряемост, гореща пластична деформация, съпротивление срещу крехко разрушаване/ и съдържащите до 0,2% въглерод, не се забелязва съществено и еднозначно влияние на въглерода.
Установените зависимости са послужили, като основание за разработване на конкретни марки на стомани, отличаващи се с икономично използване на никела. Сплавта ХН45Ю, имаща в състава си 30% желязо, притежава свойства, превъзхождащи сплави на основата на никел. Тази сплав е единствената,, която може да работи продължително време /до 100 ч./ при температура 1350°С. Стоманите ХН35ЮС, 10Х18Н18Ю, 10Х10Н20ЮС имат в своя състав още по-малко количество никел, затова стоманата ХН35ЮС може да работи в експлоатационен режим при температура до 1200°С, а останалите две – до 1100°С.
Никелови топлоустойчиви стомани
Никелът в окислена среда е по-устойчив от желязото. Във водни пари, в синтетичен амоняк, в кислород никелът е устойчив при температури до 900°С. Обаче в сяро -съдържащи среди той има ниско съпротивление срещу газова корозия. Наличието на сяра в окислителните среди намалява максималната температура на използване на никела до 550°С, а във възстановителни среди – до 260°С.
За повишаване на съпротивлението срещу газова корозия на никеловите сплави, влияе хрома. Максималната устойчивост срещу газова корозия се наблюдава в сплави, съдържащи около 40% хром; обаче тези сплави лежат по състав, близко до евтектиката и имат ниска температура на топене, затова в промишлеността са намерили приложение топлоустойчивите сплави, по-малко легирани с хром. Обикновено хрома е 20-27%, в зависимост от съдържанието на другите добавки. Сплав, съдържаща никел и 20% хром, се явява основа за създаване на различни марки топлоустойчиви стомани и цялата теория за легиране на никеловите топлоустойчивите сплави е построена на изучаване на влиянието на другите легиращи елементи на тази основа. От постоянно присъстващите легиращи елементи, въглерода намалява топлоустойчивостта на сплавите никел-хром, вследствие на свързването на хрома в карбиди и обедняването на твърдия разтвор от хром. По тази причина обикновено съдържанието на въглерод в никеловите топлоустойчиви сплави е ограничено-0,1% /по маса/.
Мангана също намалява топлоустойчивостта на никел-хромовите сплави; най-силно е неговото влияние при повишаване на съдържанието на мангана до 1%, по-високо от това в, граници, допустими за никеловите сплави, по отношение на топлоустойчивостта и технологичността, мангана влияе вече слабо върху топлоустойчивостта.
Силиция /до 2-3%/ повишава топлоустойчивостта на никел-хромовите сплави; при съдържание по-високо от 3%, топлоустойчивостта рязко спада. Обаче, силиция понижава технологичната пластичност на никеловите сплави и за повишаване на топлоустойчивостта, обикновено не се използва.
Алуминия най-силно повишава топлоустойчивостта на сплавите на никел-хромова основа. Това обстоятелство е използвано при създаване на високо-топлоустойчиви никелови сплави, като типичен представител, на които се явява сплавта Х20Н80Ю3 – най-топлоустойчивата от никеловите деформируеми сплави.
Титана, явяващ се технологична добавка, намалява топлоустойчивостта, затова съдържанието му в сплав Х20Н80Т е ограничено.
Волфрама и молибдена, използвани за повишаване на топлоякостта при температури до 800-900°С, малко променят скоростта на окисляването, обаче при по-високи температури, влиянието им е много отрицателно. Обикновено тези елементи се добавят при топлоустойчиви сплави с работна температура не по-висока от 1000°С. Доколкото системата на легиране на топлоустойчивите и топлояките сплави са несъвместими, топлоустойчивите сплави имат несравнимо по-ниски топлояки показатели, отколкото топлояките никелови сплави, и обратно, топлояките високолегирани сплави в значителна степен отстъпват по топлоустойчивост при съпротивление срещу газова корозия, затова се прилагат в различни температурни диапазони. Ако техните работни температури се доближат, трябва да се вземат специални мерки за защита на топлояките сплави от окисляване.
Най-разпространените методи за защита са термодифузионното насищане или разпрашаването с различни газо-термически методи.
Продължителната якост на всички топлоустойчиви стомани и сплави при температури по-високи от 1000°С не се отличава съществено, а абсолютните показатели на продължителната якост са ниски. Една от основните задачи за усъвършенстване на топлоустойчивите стомани се явява повишаването на тяхната продължителна якост. Частично тя може да бъде повишена с термичната обработка, регламентираща разпределението и морфологията на карбидите и карбонитридите на хрома, титана и ниобия.
Топлоустойчивите сплави работят в такъв температурен интервал, когато не може ефективно да се използва уякчаването за сметка на интерметалното дисперсионно втвърдяване. Две направления се явяват най-ефективни: повишаване на якостта на твърдия разтвор за сметка на многокомпонентното легиране и използването на принципите и методите за уякчаване на композитните материали.
Доколкото топлоустойчивите сплави на основата на желязо и никел не претърпяват фазови превръщания, термичната обработка за тях се състои във високотемпературно нагряване за създаване на зърна с определен размер или за снемане на напреженията.
Няма сходни статии.
