СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ  ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОСТОЙКИХ ХРОМОАЛЮМИНИЕВЫХ СТАЛЕЙ МИКРОЛЕГИРОВАНИЕМ И МОДИФИЦИРОВАНИЕМ

 

Ямшинский М.М., Федоров Г.Е., Платонов Е.А., Кузьменко А.Е., Назаренко В.С.

(Национальный технический университет Украины  «КПИ», Киев, Украина)

 

The heat-resistant became are the effective alternative of chromium-nickel steel due to a greater economy and comparable on operating properties. A basic task is determination of composition became, answering the set operating properties, and also microalloying and modification by a chrome-aluminum steel yttrium, calcium, vanadium and zirconium.

 

Главной эксплуатационной характеристикой жаростойких сплавов является окалиностойкость, то-есть свойство металлов и сплавов противостоять в условиях высоких температур химическому воздействию – окислению в различных газовых средах.

Важной эксплуатационной характеристикой металлов для отливок, работающих в условиях высоких переменных температур, является термостойкость – способность металлов и сплавов не разрушаться под действием термических напряжений, обусловленных сменой температуры во время нагревания и охлаждения изделий. Термостойкость металла зависит, прежде всего от фазового состава структуры и размеров зерен. Сплавы, для которых характерным является разрушение по границам зерна, менее термостойкие в сравнении со сплавами, у которых трещины термической усталости развиваются в объемах зерен.

Вместе с тем жаростойкий сплав должен иметь и удовлетворительные литейные и механические свойства.

Весьма перспективным литейным материалом, который максимально соответствует перечисленным требованиям, являются среднеуглеродистые хромоалюминиевые стали.

Авторами этой работы определены оптимальные соотношения хрома и алюминия, углерода и титана в железохромистых сплавах в зависимости от температурных условий эксплуатации литых деталей. Базовой выбрана сталь марки 35Х30Ю2ТЛ.

Однако производство отливок из сталей этого класса сопровождается некоторыми трудностями.

Наличие в составе сталей значительного количества хрома, алюминия и титана, способствует интенсивному вторичному окислению расплава, значительному снижению теплопроводности, замедлению процессов кристаллизации, увеличению первичных зерен.

Хромоалюминиевые стали относятся к ферритному классу, не имеют фазовых превращений, размеры первичных зерен остаются неизменными даже

после любых режимов термической обработки.

Литейные дефекты в сочетании с крупнозернистой структурой способствует снижению надежности и долговечности жаростойких литых деталей. Следовательно, работы, связанные с повышением качества исходного металла, оптимизацией процессов легирования, микролегирования и модифицирования, улучшением технологий литейных форм и др., являются весьма актуальными. Это в полной мере относится и к рассматриваемому классу хромоалюминиевых сталей.

В работе сделана попытка улучшения свойств жидкого металла и повышения качества жаростойких литых деталей микролегированием и модифицированием одного из представителей новых жаростойких сплавов – хромоалюминиевой стали 35Х30Ю2ТЛ.

Микролегирование, как и легирование, сопровождается сложным физико-химическим взаимодействием между жидким металлом и элементами, которые в него вводятся. Этот процесс эффективно влияет прежде всего на чистоту границ зерен и уменьшает вредное влияние легкоплавких примесей на свойства металла в изделиях.

Микролегирование существенно повышает эксплуатационные свойства (окалиностойкость и термостойкость) металла, а  модифицирование – дает возможность использовать для плавки сталей некондиционные шихтовые материалы.

Модифицирование литейных сталей существенно изменяет характер кристаллизации, что очень важно для сплавов с низкой теплопроводностью и склонностью к росту первичного зерна. Влияние модифицирования на свойства жидкой и твердой стали настолько велико, что другие технологические факторы процесса выплавки сплавов и получения качественных отливок часто имеют только второстепенное значение.

В качестве микролегирующих и модифицирующих присадок исследованы: иттрий – до 0,6%; кальций – до 0,1%; ванадий и цирконий – до 0,3%.

Результаты исследований показаны на рис.1.

Наилучший комплекс литейных, механических и эксплуатационных свойств хромоалюминиевая сталь приобретает после обработки ее иттрием в количестве 0,10…0,25% (по присадке): жидкотекучесть стали повышается на 35…40% (рис.1), линейная усадка снижается с 2,20 до 1,84%, а временное сопротивление разрыву увеличивается с 340 до 440 МПа. Окалиностойкость стали повышается после присадки иттрия во всем исследованном диапазоне, но наиболее эффективно его действие – до 0,35%.

Иттрий, вступая во взаимодействие с металлическим расплавом, образует тугоплавкие кристаллические системы оксидов, нитридов и карбонитридов.

Такое образование вынужденных центров не только улучшает условия кристаллизации жидкого металла, но и положительно влияет на процессы превращения в твердом состоянии. Это повышает общий уровень качества металла, его пластичность и прочность при высоких температурах, увеличивает сопротивление высокотемпературной коррозии и др.

а	б
в	г

 

Рисунок 1- Влияние микролегирующих и модифицирующих присадок на жидкотекучесть (а),  линейную усадку (б), прочность (в) и окалиностойкость (г) жаростойкой стали 35Х30Ю2ТЛ:  1 – иттрий;  2 – кальций;  3 – ванадий;                    4 – цирконий

Кроме того, иттрий, имея высокое сродство к сере и кислороду, эффективно влияет на форму, величину и распределение неметаллических включений. Значительно снижается их количество по границам зерен, поскольку тугоплавкие глобулярные оксиды и сульфиды иттрия располагаются, в основном, внутри зерна. Эти включения вместе с интерметаллидами иттрий-алюминий создают препятствия движению дислокаций, чем существенно повышают высокотемпературную прочность и термостойкость стали.

Иттрий повышает также и окалиностойкость металла за счет изменения состава и свойств внутреннего слоя защитной окалины. Повышаются ее адгезионные свойства, что, в значительной мере, предотвращает скалывание оксидного слоя с поверхности изделия при теплосменах.

Кальций в количестве до 0,1% способствует увеличению жидкотекучести, прочности и снижению линейной усадки. Обладая большим сродством к кислороду, сере и азоту, кальций в значительной мере изменяет количество, форму и морфологию неметаллических включений, что улучшает структуру металла и повышает термостойкость изделий. Несмотря на то, что кальций несколько снижает окалиностойкость, обработка хромоалюминиевой стали кальцием до 0,1% (по присадке) целесообразна и экономически выгодна, особенно при совместном использовании иттрия и кальция.

Ванадий относится к карбидообразующим элементам, образует очень твёрдые и стойкие карбиды VC и V₄C₃ у которых углерода в 2,5 раза больше, чем в Fe₃C. Кроме того этот элемент является сильным, раскислителем и дегазатором, связывает азот в прочное соединение – нитрид ванадия VN с температурой плавления 2050°С.

Присадки до 0,2% ванадия несколько улучшают жидкотекучесть хромоалюминиевой стали, а до 0,1% – снижают линейную усадку, существенно повышает временное сопротивление разрыву и термостойкость, а также несколько улучшают окалиностойкость металла.

Более полезны присадки ванадия совместно с иттрием и кальцием, поскольку эти элементы дополняют один другого и обеспечивают металлу надежность в работе, особенно в условиях частых и резких теплосмен.

Положительное влияние на жидкотекучесть, прочность и эксплуатационные характеристики хромоникелевой стали оказывают присадки циркония в количестве до 0,2%. Однако для производства сложных по геометрии тонкостенных отливок применение циркония нежелательно, поскольку он увеличивает линейную усадку. По своему действию на высоколегированные стали цирконий подобен титану и ванадию.

Таким образом однозначно доказана целесообразность дополнительного микролегирования и модифицирования хромоалюминиевых жаростойких сталей присадками иттрия (0,10…0,25%), кальция (до 0,1%), ванадия (до 0,2%) и циркония (до 0,2%). Несмотря на некоторые дополнительные затраты, эти процессы себя оправдывают, поскольку существенно повышаются надежность и долговечность работы литых деталей, особенно в металлургии, теплоэнергетике и химической промышленности.