НОВЫЕ ЖАРОСТОЙКИЕ БЕЗНИКЕЛЕВЫЕ СТАЛИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗ НИХ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ ДО 1300°С

 

Ямшинский М.М., Федоров Г.Е., Платонов Е.А.,

Кузьменко А.Е., Назаренко В.С., Верес И.А.

(Национальный технический университет Украины  «КПИ»,

Киев, Украина)

 

Influencing of chrome, aluminum, carbon and titan in the wide range of their concentrations on a structure is explored, mechanical and operating properties of heat-resistant sales for work in aggressive environments to 1300°С. It is set that all mechanical and operating properties are depend on a structure descriptions.

 

Анализ эксплуатации литых деталей из жаростойких сплавов, их технологических характеристик и экономических аспектов использования дает возможность определить основные требования к ним: сплавы должны иметь высокие температуры плавления и жаростойкость, удовлетворительные литейные свойства и быть недорогими и недефицитными.

Технологические свойства жаростойких сплавов – определяют поведение литейного материала в условиях изготовления из него отливок. Основными литейными свойствами, определяющими производство качественных литых деталей, для жаростойких сплавов являются жидкотекучесть, линейная и объемная усадки, трещиноустойчивость. Особенно важным свойством есть склонность жидкого металла к пленообразованию в процессе его плавления и заливки в литейные формы.

Эти свойства зависят  как от технологических особенностей литейной формы, так и от физико-химических свойств металла.

К сожалению, технологические свойства жаростойких сплавов, в том числе и хромистых сталей, изучены крайне недостаточно.

Для сохранения необходимой жидкотекучести расплава его перегревают, что отрицательно влияет на структуру металла.

Перегревание металла приводит к развитию крупнозернистой столбчатой структуры, к увеличению усадочных и газовых раковин, трещин и пористости.

Использование в этих случаях повышенной скорости заполнения литейной формы расплавом влияет на качество отливок так же, как и повышение температуры металла перед заливкой.

Литейные дефекты в сочетании с крупнозернистой структурой способствуют существенному снижению эксплуатационных свойств литых деталей.

Получить мелкое зерно в отливках из ферритной стали практически невозможно снижением температуры расплава перед заливкой его в формы. В этом случае замедляется скорость всплытия оксидных пленок, неметаллических включений, ухудшаются условия удаления газов из металла и питания отливок во время кристаллизации.

Выбор оптимальной температуры жаростойкого сплава перед разливкой его в литейные формы при производстве отливок ответственного и особо ответственного назначения имеет первостепенное значение.

Основной эксплуатационной характеристикой жаростойких сплавов является их сопротивление высокотемпературной газовой коррозии, то есть окалиностойкость.

Для разработки новых сплавов необходимо четко знать возможное их поведение в условиях высоких температур и агрессивных сред. Это дает возможность выбрать группу элементов, способных максимально повысить эксплуатационные характеристики сплавов с сохранением удовлетворительных литейных и высоких механических свойств.

Легирование сплавов на основе железа существенно изменяет их структуру и свойства вследствие снижения теплопроводности металла, изменения процессов кристаллизации, ухудшения во многих случаях литейных свойств и др. Роль легирующих элементов в жаростойких сплавах прежде всего состоит в том, что они изменяют состав и строение окалины, а также кинетику окисления металла.

Технологические свойства жаростойких сталей определяются содержанием в них хрома, алюминия, титана, углерода, кремния и других элементов.

Определенную жаростойкость стали приобретают после добавления в них более 13% хрома, а удовлетворительные механические свойства сохраняются до 35% хрома. С увеличением содержания хрома повышается окалиностойкость сплавов.

Улучшить технологические и эксплуатационные характеристики железохромистых сплавов можно легированием их определенным количеством алюминия. Предварительными исследованиями определено оптимальное соотношение в жаростойких сталях хрома и алюминия, которое обеспечивает удовлетворительные литейные и механические свойства, а также высокие эксплуатационные характеристики.

Установлено, что увеличение концентрации хрома в стали способствует улучшению практической жидкотекучести вследствие снижения температуры ликвидус и уменьшения интервала кристаллизации в соответствии с диаграммой состояния Fe-Cr.

Повышение содержания алюминия в высокохромистых сталях до 1,5…2,0% сохраняет их практическую жидкотекучесть на высоком уровне.

Хром и алюминий относятся к элементам, которые способствуют образованию легированного феррита, который имеет меньший коэффициент усадки по сравнению с легированным аустенитом. Поэтому увеличение концентрации и хрома, и алюминия в сталях способствует уменьшению линейной усадки и улучшению трещиностойкости сплавов.

Увеличение концентрации хрома и алюминия в исследованных сталях сопровождается снижением их плотности, поскольку и хром, и алюминий имеют меньшую в сравнении с железом плотность (соответственно 7160 и 2710 кг/м³ против 7862 кг/м³).

Плотность металла существенно влияет на характеристики прочности металла в условиях высоких температур. Уменьшение плотности способствует снижению уровня деформационных процессов в изделиях во время их эксплуатации.

Исследованные стали имеют крупнозернистую структуру, которую нельзя изменить никакими режимами термической обработки.

Увеличение концентрации хрома в исследованном диапазоне способствует росту зерна с 87 до 120 мкм, а увеличение содержания алюминия до 3% – с 69 до 87 мкм. Такое изменение размеров зерна снижает и прочность и пластичность жаростойких сталей.

Исследованиями установлено, что содержание алюминия в жаростойких сталях определяется тем минимумом, при котором сохраняется высокая их жаростойкость, и тем максимумам, при котором существенно ухудшаются литейные и механические свойства.

Улучшения свойств жаростойких сталей можно добиться дополнительной обработкой их титаном, ванадием, ниобием и другими элементами. Наиболее дешевым и эффективным является титан.

Теоретический и практический интерес представляет определение оптимального соотношения в хромоалюминиевых сталях углерода и титана с учетом их влияния на литейные, механические и специальные свойства.

Установлено, что повышение содержания углерода улучшает практическую жидкотекучесть всех исследованных сталей. Добавление титана до 0,35% также способствует повышению жидкотекучести.

Изменения трещиноустойчивости в зависимости содержания в сталях углерода и титана имеет такой же характер так и линейной усадки.

Изменение концентрации углерода от 0,1 до 0,79% способствует измельчению зерна стали с 180 до 40 мкм, при этом увеличивается количество карбидов, которые располагаются как на границах зерен, так и в средине их.

Присадки титана до 0,35% способствуют уменьшению размеров зерна с 82 до 48 мкм., что улучшает как прочностные, так и пластические свойства жаростойкой хромоалюминиевой стали.

Исследованиями установлено, что наилучший комплекс литейных и механических свойств имеет среднеуглеродистая высокохромистая сталь с содержанием до 2,0% алюминия и 0,6% титана.

Жаростойкие хромоалюминиевые стали обладают высокими окалиностойкотью, термостойкостью и износостойкостью. Они в 6…8 раз превосходят по окалиностойкости хромоникелевые стали при температурах эксплуатации 1200°С, по термостойкости – в 1,5…2,0 раза, по износостойкости – в 2,0…3,0 раза.

Новые безникелевые жаростойкие стали могут быть использованы для изготовления литых деталей в теплоэнергетике, черной металлургии, химической и других отраслях промышленности.

Использование деталей, изготовленных из этих сталей, на тепловых электростанциях (насадки горелок, форсунки, газовые сопла и др.) позволяет в 4…6 раз продлить срок их службы.

Ниже приведены примеры литых деталей различных размеров, геометрии, массы и изготовленные разными способами литья.

 

Рисунок 1 - Насадки различных конструкций для топливосжигающих устройств (диаметр 300; 600 и 930 мм; высота – 600 мм; толщина стенки – 15…20 мм). Изготовлены в разовых песчаных формах