Аустенитные жаропрочные стали

АУСТЕНИТНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ

Состав, режимы термической обработки и длительная прочность различных марок жаропрочных сплавов приведены в таблице 1. Состав этих сталей регламентирован ГОСТ 5632-72.

1. Гомогенные стали

К этой группе относятся главным образом низкоуглеродистые хромоникелевые стали, дополнительно легированные элементами, упрочняющими γ-твердый раствор. Их жаропрочность обеспечивается в основном растворенными в твердом растворе легирующими элементами. Термин «гомогенные стали» следует понимать условно, так как в структуре этих сталей обычно присутствует некоторое количество карбидов и карбонитридов титана или ниобия.

Гомогенные аустеиитные стали используются преимущественно в энергомашиностроении для изготовления труб паронагревателей и паропроводов, арматуры установок сверхвысоких параметров и рассчитаны на длительную (до 10⁵ ч) службу при 650-700°С.

При легировании этих сталей стремятся получить максимально стабильную аустенитную структуру, избежать, или замедлить выделение вторых фаз (карбиды, карбонитриды, фазы Лавеса, σ-фазы и др.), что позволяет иметь необходимый уровень длительной прочности и пластичности в течение всего ресурса эксплуатации. Важно для этих сталей обеспечить также высокие технологические свойства, такие как способность к горячей пластической деформации, прошиваемость при изготовлении цельнотянутых труб, свариваемость и др. Эти цели достигаются повышенным содержанием никеля (отношение Ni/Cr>l), что придает стали глубоко стабильную аустенитную структуру с низким содержанием углерода (в пределах 0,06-0,012%) и повышенным отношением Ti, Nb/C>10, что обеспечивает в исходном состоянии присутствие карбидов NbC, TiC и карбонитридов Nb, Ti(C, N), которые препятствуют образованию при эксплуатации карбидных фаз типа Mе₂₃С₆ Повышенная жаропрочность таких сталей объясняется высокой легированностью γ-твердого раствора такими элементами, как вольфрам (до 2-3%), молибден (до 2,5%). Наличие стабильных карбонитридных фаз и высоколегированного аустенита обусловливает высокие температуры рекристаллизации сталей этого типа. Так, для стали 1Х14Н18В2БР1 температура начала рекристаллизации (при деформации порядка 20%) лежит при 900°С, а конца - при 1075°С.

Многими исследователями также отмечается положительное влияние бора и редкоземельных металлов (р. з. м.) на жаропрочность сталей этого типа. Бор, церий и другие редкоземельные элементы являются сильными раскислителями, поэтому в их присутствии уменьшается содержание газов и неметаллических включений в сталях, что повышает их качество. Влияние малых добавок р. з. м. и бора на сопротивление ползучести также связывают с их горофильностью, т. е. способностью адсорбироваться по границам зерен, что затрудняет зернограничную диффузию и упрочняет границы. Кроме того, бор образует в сталях сложные бориды типа Ме₃В₂ и Ме₂В (например, (Сr, W, Ni)₂B), которые обладают высокими температурами плавления (например, для Сr₂В температура плавления 1850 °С). Важно отметить, что зависимость длительной прочности от содержания бора имеет экстремальный характер. По-видимому это связано с тем, что при высоком содержании бора (>0,3 %) в большом количестве образуются крупные бориды, которые обедняют твердый раствор ниобием, вольфрамом, хромом и другими элементами. Кроме того, бор обладает увеличенной склонностью к ликвации и образованию боридных эвтектик, а в сталях, подвергнутых прокатке, способствует образованию строчечной структуры, что отрицательно сказывается на их пластических и жаропрочных свойствах.

Таким образом, микролегированне аустенитных сталей бором и р. з. м. оказывает положительное влияние на жаропрочность и пластичность как вследствие рафинирующего действия при выплавке, так и упрочнения границ зерен благодаря их горофильности.

В процессе длительной работы после 1-2*10⁵ ч в этих сталях наблюдали выделения вторичных фаз (например, фазы Лавеса типа Fe₂Mo, Fe₂W), коагуляцию карбидных фаз и в некоторых сталях выделения в небольших количествах (1-2%) интерметаллидов типа Ni₃Ti. Эти изменения протекают очень медленно и незначительно влияют на пластичность и жаропрочность сталей.

Стали этого типа имеют высокую релаксационную стойкость при длительной эксплуатации и их используют для изготовления крепежных деталей. Важное значение в обеспечении высокого уровня жаропрочности аустенитных сталей этого типа имеет величина зерна: при испытаниях сталей выше 600 °С длительная прочность и сопротивление ползучести у крупнозернистых сталей выше, чем у мелкозернистых, при этом чем выше температура испытаний, тем больше выигрыш в длительной прочности у крупнозернистых сталей. Отметим, что одновременно снижается пластичность сталей.

Термическая обработка аустенитных гомогенных сталей состоит из закалки (аустенитизации) от высоких температур (1050-1200°С) или аустенитизации и стабилизирующего отпуска (700-750°С) и преследует цель получить более однородный γ-твердый раствор, заданную величину зерна (балл 3-6) и стабильную структуру, а также снять напряжения, которые могут возникнуть в процессе изготовления деталей.

Следует отметить, что улучшение служебных характеристик и удешевление сталей этого типа обычно связывают со следующими направлениями исследований: оптимизация состава сталей, в частности частичная замена никеля марганцем и азотом, использование сталей в наклепанном состоянии (холодная деформация или термомеханическая обработка), особенно при рабочих температурах, более низких, чем температура рекристаллизации; более широкое использование микролегирования сталей бором, р. з. м.; усовершенствование технологии выплавки, обработки давлением и режима термической обработки.

Таблица 1

2. Стали с карбидным упрочнением

Стали с карбидным упрочнением предназначены для работы при температурах 650-750 °С и довольно высоких уровнях напряжений. Их используют для изготовления ответственных деталей энергомашиностроения (диски и лопатки турбин, крепежные детали и др.).

Основу сталей с карбидным упрочнением составляют Сr-Ni или Сr-Ni-Мn аустенит, содержащий 0,25-0,5% углерода.

Марганец, как и никель, расширяет γ-область в сплавах на основе железа и в многокомпонентных системах, которыми являются жаропрочные аустенитные стали. Он также выступает в качестве аналога никеля. Это позволяет частично заменить никель менее дефицитным марганцем, причем установлено, что присутствие марганца способствует некоторому повышению жаропрочности сталей. Однако стали с полной заменой никеля марганцем, т. е. на основе Сr-Mn-аустенита, не нашли широкого применения в качестве жаропрочных материалов в связи с их недостаточной жаростойкостью и низкой температурой плавления, так как приходится снижать содержание хрома в сталях для обеспечения аустенитной структуры.

Карбидообразующие элементы V, Nb, W, Мо связывают часть углерода в специальные карбиды, а также упрочняют аустенитную матрицу.

Упрочняющими карбидными фазами в аустенитных сталях в основном являются карбиды ванадия и ниобия (VC, NbC), а также карбиды хрома (типа Ме₂₃С₆ и Ме₇С₃). Последние обычно растворяют в себе другие элементы (Fe, W, Мо и др.), поэтому состав этих карбидов изменяется в зависимости от легирования стали и режима термической обработки.

Карбиды ванадия выделяются при старении в высокодисперсном состоянии и обеспечивают значительную долю упрочнения этих сталей.

Специальные карбиды типа MeС в процессах старения практически не участвуют, так как имеют высокие температуры растворения при аустенитизации, карбиды и карбонитриды ниобия начинают растворяться только после нагрева выше 1250°С, а в основном присутствуют в сталях в виде первичных выделений. Положительная роль этих фаз заключается в том, что они препятствуют росту аустенитного зерна при нагреве, и, в частности, образованию разнозернистости.

Уровень жаропрочности и термическая стабильность сталей данного класса зависят от температуры старения. При низких температурах (500-600°С) выделение карбидных фаз протекает медленно, образуются высокодисперсные частицы, прочностные свойства при изотермической выдержке непрерывно возрастают. С повышением температуры старения (или испытания) скорость процессов выделения и коагуляции возрастает, достигается определенный максимум упрочнения, положение которого зависит от состава сплава. Чем сложнее карбидные фазы по составу, чем легированнее аустенит стали, тем больше эффект упрочнения при старении и медленнее развиваются процессы разупрочнения.

Отметим также, что при низкотемпературном старении легированного аустенита с выделением дисперсных фаз возникает состояние очень сильного упрочнения и одновременно падает пластичность, увеличивается чувствительность к хрупкому разрушению. Например, сталь 40Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481) после низкотемпературного старения приобретает высокую твердость, но чувствительна к надрезу, а ее жаропрочные свойства нестабильны. Поэтому для этой стали применяется двойное (или ступенчатое) старение: 660 °С (16 ч) и 800 °С (16 ч). Старение при повышенной температуре способствует снятию части напряжений, возникающих при низкотемпературном старении, частичной коагуляции карбидных фаз.

3. Стали с интерметаллидным упрочнением

Жаропрочные хромоникелевые стали с интерметаллидным упрочнением, а также сплавы на хромоникелевой основе с высоким содержанием никеля (до 38%) нашли применение при изготовлении компрессоров, турбин, дисков, сварных изделий, шпилек, болтов и других деталей, работающих при температурах до 750-850°С.

Легирование сталей этого типа преследует цель создания высоколегированного железоникелевого аустенита, обладающего склонностью к распаду при старении, и образования фаз-упрочнителей - интерметаллидных фаз типа γ'- (Ni, Fe)₃(Ti, Al) и фаз Лавеса [Fe₂Mo, Fe₂W, Fe(Mo, W)].

Состав упрочняющих фаз в этих сталях изменяется в зависимости от легирования и определяет уровень длительной прочности, достигаемый при различных температурах испытания. Установлено, что наиболее высокая σ_дл⁷⁵⁰ обеспечивается при совместном выделении γ'-фазы и фаз Лавеса, а наименьшая длительная прочность при выделении карбидных фаз типа Ме₂₃С₆.

Фазы Лавеса могут растворять хром и никель и соответствовать формулам (Fe, Сг, Ni)₂W, (Fe, Сг, Ni)₂(W, Мо). Фазы Лавеса в сталях, богатых молибденом, начинают растворяться при более низких температурах (900-950°С), чем в сталях, богатых вольфрамом (1000- 1050 °С). Полного растворения этих фаз не происходит и при температурах 1250-1300 °С, одиако при нагреве до высоких температур они резко укрупняются. Как правило, фазы Лавеса имеют тенденцию к преимущественному выделению по границам зерен, одиако могут выделять, ся и внутри кристаллов, по плоскостям скольжения.

Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением содержат повышенное количество никеля, титана и алюминия. Замена никеля марганцем в сталях этого типа не производится, так как он не образует благоприятных для упрочнения интерметаллических фаз и понижает жаростойкость сталей.

Содержание углерода в этих сталях ограничивают обычно <0,1%. Во многие стали дополнительно вводят молибден и вольфрам (до 3,5%) с целью повышения длительной прочности.

Отметим, что концентрационная зависимость влияния легирующих элементов на длительную прочность имеет экстремальный характер: сначала длительная прочность растет, а затем снижается. Повышение жаропрочности связано с тем, что легирующие элементы затрудняют диффузию в аустенитной матрице, препятствуют коагуляции и растворению упрочняющих интерметаллидных фаз, увеличивают их количество при старении (в частности благодаря уменьшению растворимости титана и алюминия в аустените) и сдвигают температуру максимального упрочнения к более высоким температурам.

Однако повышенное сверх оптимального содержание легирующих элементов в этих сталях может вести к негативным последствиям в отношении жаропрочности. В частности, высокое содержание молибдена (более 5-6%), титана и алюминия может сопровождаться снижением температуры солидуса и соответственно характеристик жаропрочности.