Примерное назначение низколегированных жаропрочных сталей перлитного класса

Таблица 12.4

Режимы термической обработки и характеристики механических свойств сортового проката из жаропрочных аустенитных сталей (при нормальной температуре)

^{* Применяются без отпуска. **Без закалки}

В марках этих сталей приняты следующие обозначения для легирующих элементов: А — N, Б — Nb, В — W, Г — Mn, К — Co, М — Mo, Н — Ni, P — B, C — Si, T — Ti, Ф — V, X — Cr, Ю — Al. Цифра после буквы указывает на округленное (среднемарочное) содержание этого элемента в процентах (при содержании менее 1 % цифру не пишут). Исключение — углерод, содержание которого первые две цифры марки выражают в десятых процента. Например, марка 45Х14Н14В2М следующего состава: 0,45 % С, 14 % Cr, 14 % Ni, 2 % W, и ≤ 1 % Мо. Характеристики механических свойств сортового проката из жаропрочных аустенитных сталей, а также оптимальные режимы термической обработки приведены в табл. 12.4.

В соответствии с особенностями легированного аустенита характеристики жаропрочных свойств аустенитных сталей более высокие (табл. 12.5), чем у жаропрочных сталей перлитного или мартенситного классов.

Сталь 08Х18Н10Т применяют как жаропрочную и жаростойкую. При температуре до 600 °С у стали стабильные механические свойства, она устойчива против межкристаллитной коррозии и хорошо сваривается. Сталь этой марки изготовляют в виде сортового проката, поковок, листа, труб для энергетического и химического оборудования. Аналогичные свойства у стали 12Х18Н12Т, которую применяют в тех же областях техники.

У хромоникельвольфрамовых аустенитных сталей (45Х14Н14В2М) повышенные жаропрочность и сопротивление усталости при высоких температурах. Сталь 45Х14Н14В2М находит применение для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания. Для длительных сроков службы при температурах 600–650 °С рекомендуется сталь того же типа с пониженным содержанием С (до 0,15 %).

Аустенитные стали применяют, как правило, для изготовления деталей, работающих при температурах 650–700 °С весьма длительное время. Механические свойства этих сталей при температуре 20 °С похожи, но пределы длительной прочности и ползучести отличаются весьма существенно (табл. 12.4, 12.5). Наиболее жаропрочные из них стали 09Х14Н19В2БР1 и 09Х14Н19В2БР, которые применяют для изготовления пароперегревательных и паропроводных труб установок сверхвысокого давления.

Хромомарганцевые стали марок 30Х13Г18Ф и 37Х12Н8Г8МФБ — заменители жаропрочных сталей с более высоким содержанием никеля. Эти стали имееют достаточно высокую длительную прочность при температурах 500–650 °С.

Таблица 12.5

Пределы ползучести и длительной прочности жаропрочных аустенитных сталей,
применяемых для длительной службы^*

Сталь	Температура, °С	Предел длительной прочности , МПа за время, ч	Предел ползучести , МПа, соответствующий 1 % деформации за время, ч
10 000	100 000	10 000	100 000
09Х14Н18В2Б
09Х14Н19В2БР
			–	–
09Х14Н19В2БР1
				85–90
12Х18Н10Т				–
	80–100	–	–	30–40
30Х19Н9МВБТ				–
			–
12Х18Н12Т				–	–
			–	–
08Х16Н13М2Б				140–170	90–120
		60**–90	100–120	50–70
	60–70	30–50
10Х17Н13М2Т				–
	40/80**		55**	28**
20Х20Н14С2		–	–		–
	–	–		–
	–	–		–
20Х23Н13
			70–80**	50**
			50–60**	30**
20Х23Н18		150**			60**
		60**–80	50–60	40**–54
	50**–60			28**–35
		12–21	–	7**–12
20Х25Н20С2	Почти как у стали 20Х23Н18

^{* Режимы термической обработки см. табл. 12.4.}

^{** Данные из зарубежных источников для сталей близкого химического состава.}

^{Сплавы на железо-никелевой основе}

^{Сплавы на железо-никелевой основе могут быть разделены на две группы: 1) с содержанием 14–16 % Cr и 32–38 % Ni и 2) с содержанием 20–25 % Cr и 25–45 % Ni (либо Ni + Mn). Сплавы первой группы дополнительно легированы вольфрамом и титаном и обладают высокой (приблизительно равной) жаропрочностью (табл. 12.6). Сплавы второй группы благодаря повышенному содержанию Cr жаростойкие, по жаропрочным свойствам они уступают сплавам первой группы, например, сплав ХН38ВТ.}

^{Сплавы ХН35ВТ, ХН35ВМТ, ХН35ВТЮ поставляют преимущественно в виде горячекатаных и кованных прутков и полос, а также поковок. Из сплавов ХН35В5Т, ХН38ВТ и Х25Н16Г7АР, в основном, изготовляют горячекатаный и холоднокатаный лист и ленту, а из сплава ХН45Ю — также и трубы. В основном, сплавы на железо-никелевой основе применяют для изготовления деталей паровых и газовых турбин.}

^{Сплавы на никелевой основе}

^{Сплавы на никелевой основе подразделяют на две группы (см. ГОСТ 5632–72): 1) сплавы, применяемые преимущественно как жаропрочные, и 2) жаростойкие сплавы, обладающие необходимым минимумом жаропрочности (табл. 12.7).}

^{Таблица 12.6}

Пределы длительной прочности и ползучести сплавов на железо-никелевой основе ^*1

Сталь	Температура, °С	Предел длительной прочности , МПа за время,ч	Предел ползучести*3, , МПа
			10 000*2	100 000*2
ХН30ВМТ			–				210 (1/104); 14 (1/105)
		–
	150–170	–	100–110		–
ХН35ВТ		–	–
	–	–	220–230	190–200	150–160	170 (1/104); 130(1/105)
	–	–				110 (1/104); 80 (1/105)
ХН35ВТЮ		650–680	550–580	520–550	420–450	–
	380–400	320–340	280–320	240–260	–
	300–340	240–300	200–270	170–230	–	250 (0,2/100)
	210–240	150–180	120–160	–	–	130 (0,2/100)
ХН35В5Т		–	–				180 (1/104); 130 (1/105)
	–	–				120 (1/104); 90 (1/105)
		–				80 (1/104); 60 (1/105)
ХН38ВТ		80–90	–		–	–	63 (5/100)*4
	30–40	–	–	–	–	21 (5/100)*4
	–	–	–	–	–	9 (5/100)*4
ХН45Ю			–	–	–	–
		–		–	–
		–	2,5	–	–

^{*1 После оптимальной термической обработки.}

^{*2 Экстраполированные значения.}

^{*3 В скобках в числителе — деформация в %, в знаменателе — время в ч.}

^{*4 Определено на конических образцах.}

Таблица 12.7

Пределы длительной прочности и ползучести сплавов на никелевой основе*¹

Сталь	Температура, °С	Предел длительной прочности, , МПа за время, ч	Пределы ползучести*3 , , МПа
				10 000*2
ХН65ВМТЮ		> 600	–	–			300 (1/10 000)
		–	–			200(1/10 000)
		–	–			120 (1/10 000)
ХН70ВМЮТ							–
	450–500	420–470	400–450	310–350	220–240	200 (1/10 000)
	220–250	210–230	190–220	140–160	–	80 (1/10 000)
ХН70ВМТЮ		480–520	–			–	300 (0,2/100)
	280–300	–			–	170 (0,2/100)
	180–200	–	–		–	170 (0,2/100)
ХН80ТБЮ		–	–	–		300–260	350 (1/10 000)
	–	–	–		170–180	220 (1/10 000)
ХН70МВТЮБ				–	–	–	180 (0,2/100)
			–	–	–	–
ХН67МВТЮ		480–520	–	380–420	360–390	280–320	360 (1/1 000)
	280–300	–	230–250	180–200	120–150	–
	180–200	–	140–160	110–130	70–80	–
	120–140	–	90–100	70–80	40–45	60 (1/1 000)
ХН75МБТЮ		160–170		–	–	–	–
			–	–	–	43 (5/100)*4
			–	–	–	14 (5/100)*4
ХН78Т			–	–	32–35	–	–
		–	–	–	–	18(5/100)*4
		–	–	–	–	7 (5/100)*4
ХН77ТЮР				–	–		720 (0,2/100)
			–			260 (0,2/100)
		–	–		–	150 (0,2/100)
ХН60Ю		60–80	–	–	40–50	–	–
		–	–	» 20	–	24 (0,2/100)
		–	–	–	–	10 (0,2/100)
ХН60ВТ					–	–	83 (5/100)*4
				–	–	34 (5/100)*4
ХН70Ю		90–100	–		–	–	–
	35–40	–	–	–	–	25 (5/100)*4
ХН75ВМЮ		270 (не менее 50 ч); 250 (не менее 65 ч)

^{*1 После оптимальной термической обработки.}

^{*2 Экстраполированные значения.}

^{*3 В скобках в числителе — деформация в %, в знаменателе — время в ч.}

^{*4 Определено на конических образцах.}

Наиболее часто применяемые сплавы первой группы относятся к системе Ni—Cr—Ti—Al. Присутствие в этих сплавах Ti и Аl в количествах, превышающих их предельную растворимость в твердом растворе при температурах 650–950 °С, позволяет достигнуть после закалки и отпуска существенного эффекта дисперсионного твердения, благодаря выделению дисперсных частиц интерметаллической фазы типа Ni₃(Тi, NiAl). Такая микроструктура делает сплав устойчивым против температурного воздействия при 700–800 °С и выше.

Введение в дисперсионно-твердеющие сплавы этой группы W и Мо (в сумме до» 10 %), а также Nb дополнительно упрочняет твердый раствор, замедляет развитие диффузионных процессов и увеличивает количество дисперсной упрочняющей фазы. Количество дисперсной фазы увеличивают также путем увеличения суммарного содержания Ti и Al. Все это приводит к существенному возрастанию жаропрочности сплавов, что делает возможным их применение при температурах до 800–850 °С и высоких напряжениях.

К особенностям состава никелевых жаропрочных сплавов относится присутствие в них небольших добавок поверхностно-активных элементов (В, Се, иногда Ва и Мg), способствующих рафинированию металла и упрочнению границ зерен, а также небольшое содержание в них примесей (S, P, Pb, др.).

Термическая обработка этих сплавов заключается в одинарном или двойном нагреве до высоких температур (1080–1200 °С) с охлаждением чаще всего на воздухе и последующем отпуске при температурах 700–850 °С. Для наибольшей стабилизации исходной структуры применительно к деталям с длительным сроком службы рекомендуется проводить многоступенчатый отпуск при постепенно понижающейся температуре.

Жаропрочные никелевые сплавы изготовляют в виде сортового проката (прутки круглого сечения) и частично в виде поковок различной конфигурации.

Основное назначение этой группы высоколегированных сплавов — изготовление рабочих лопаток и дисков газовых турбин. Диски работают при более высоких напряжениях, чем лопатки (но при несколько пониженной температуре), поэтому материал диска должен иметь высокое сопротивление ползучести (особенно на ободе) и повышенную прочность (в ступичной части).

Прочность сплавов на никелевой основе сохраняется высокой вплоть до температур 800–900 °С. Так, при 800 °С временное сопротивление σ_в наиболее легированных сплавов составляет 700–800 МПа, 100-часовая длительная прочность — 250–300 МПа. В то же время характеристики пластичности δ и ψ удовлетворительны при всех температурах испытания и несколько снижаются в температурном интервале дисперсионного твердения (700–800 °С). Остаточная деформация этих сплавов при испытаниях на длительную прочность при 700–800 °С порядка 3–10 %.

В табл. 12.7 приведены характеристики жаропрочности никелевых сплавов.

На рис. 12.1 приведены характеристики механических свойств широко применяемого в авиации сплава ХН77ТЮР при кратковременном нагружении при температурах 500–900 °С. Зависимость длительной прочности этого сплава и его модификации без бора ХН77ТЮ от времени дана на рис. 12.2.

Рис. 12.1. Зависимость изменения характеристик механических свойств жаропрочного
сплава ХН77ТЮР от температуры

Рис. 12.2. Длительная прочность сплавов ХН77ТЮ и ХН77ТЮР

Для длительных сроков службы наилучшее сочетание длительной прочности и пластичности у сплава ХН65ВМТЮ, получившего широкое применение как материал для лопаточного аппарата стационарных газовых турбин ГТ-6, ГТН-9, ГТК-10, ГТК-16, ГТТ-12, ГТА-18, ГТУ-25, ГТУ-100. Этот сплав — основной лопаточный материал в стационарном газотурбостроении. Кроме того, благодаря исключительно высокой релаксационной стойкости этот сплав применяют для изготовления крепежных деталей турбин.

Из жаропрочных никелевых сплавов можно получать детали методом отливки (например, точным литьем по выплавляемым моделям).

Ко второй группе относятся сплавы марок ХН70, ХН60Ю, ХН70Ю, ХН78Т, ХН60В, ХН75МБТЮ, применяемые преимущественно как жаростойкие. Эти сплавы, за исключением двух последних, отличаются высоким содержанием Cr (20–30 %) и практически гомогенной структурой твердого раствора после принятых режимов термической обработки (нагрев до 1000–1200 °С с охлаждением в воде или на воздухе). Эти сплавы выпускают в виде холоднокатаного или горячекатаного листа преимущественно для деталей газопроводных систем, работающих при умеренных напряжениях в условиях весьма высоких температур (до 1100–1200 °С). У этих деталей кроме достаточной технологичности (прокатываемость, штампуемость, свариваемость) и высокого сопротивления газовой коррозии (окалиностойкость) должно быть хорошее сопротивление термической усталости (термостойкость). Всем этим требованиям отвечают сплавы на никелевой основе.

У жаростойких листовых никелевых сплавов повышена пластичность в холодном и горячем состоянии, но жаропрочность ниже, чем у сплавов первой группы. Так, длительная прочность за 1000 ч составляет 40–60 МПа при 800 °С и 20–25 МПа при 900 °С (табл. 12.7).

Химический состав жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов на никелевой основе приведен в табл. 12.11.

Физические свойства в зависимости от температуры (коэффициент линейного расширения, модуль нормальной упругости, плотность, теплопроводность, удельная теплоемкость) для коррозионностойких сталей и сплавов приведены в табл. 12.12–12.16.