Практически все жаропрочные сплавы создаются на металлургических производствах с использованием технологии легирования. Сущность технологии заключается в расширении химического состава и усложнении структуры базовой основы сплава путем введения в него различных легирующих элементов. В конечном итоге сплав приобретает жаропрочность – способность длительное время сохранять механическую прочность и коррозионную стойкость при высоких температурах эксплуатации.
Принцип повышения жаропрочности сплавов
Пластическая деформация и разрушение сплава при интенсивном нагреве объясняется ослаблением и нарушением межатомных связей и диффузной ползучестью материала, краевой дислокацией в структуре кристаллической решетки. Чтобы сделать сплав жаропрочным, необходимо стабилизировать его структуру, предотвратить или свести к минимуму деформационные процессы, протекающие под воздействием высоких температур.
Для решения этих задач сплавы упрочняют легирующими элементами, которые повышают энергию, прочность и стабильность кристаллических связей, замедляют диффузию, оказывая влияние на увеличение размера зерен и упрочнение их границ, препятствуют рекристаллизации. Для наибольшего эффекта легирование выполняется не одним, а несколькими химическими элементами, которые помимо жаропрочности придают сплаву дополнительные технологические свойства.
Выбор легирующих элементов для жаропрочных сплавов
Выбор химических элементов для легирования сплава с целью повышения его жаропрочности определяется свойствами, которые ему необходимо придать. Среди часто применяемых для легирования элементов можно назвать никель (Ni), вольфрам (W), молибден (Mo), ванадий (V), кобальт (Co), ниобий (Nb), титан (Ti). Каждый по-своему влияет на физические и химические характеристики сплава, поэтому, как правило, они вводятся в базовый состав комплексно, в различных комбинациях и пропорциях.
Например, молибден, титан и ниобий являются карбидообразователями. Связывая содержащийся в сплаве углерод в прочные карбиды, они обеспечивают эффективное торможение дислокаций и диффузий, усиливают межатомные связи, способствую формированию более стабильной структуры материала и повышению его жаропрочности. Наличие в сплаве никеля обуславливает его сопротивление к окислению на воздухе, а в комбинации с кобальтом, никель способствует повышению длительной прочности сплава.
Ферросплавы как наиболее эффективная форма легирования жаропрочных сплавов
В металлургии для получения разных марок жаростойких сплавов, используют специальные полупродукты на основе железа (Fe), содержащие определенный процент необходимого легирующего элемента – ферросплавы. Вводимые в жидкую субстанцию того или иного металла, ферросплавы, в виде чушек, блоков или гранул, значительно упрощают технологическую схему и сам процесс корректировки химического состава жаростойкого сплава.
Необходимо отметить, что ферросплавами условно называют и те полупродукты, где железо не является базовой основой, а содержится лишь в виде примеси. Сортамент ферросплавов для легирования жаростойких металлов весьма разнообразен. Наиболее важными ферросплавами в современной металлургии являются ферроникель, ферровольфрам, ферромолибден, феррованадий, феррониобий, ферротитан, феррокобальт.
Роль легирующих элементов в составе жаропрочных сплавов
Рисунок 1. Сводная таблица легирующих элеменнтов.
Никель
Никель повышает пластичность, вязкость, теплоемкость сплава, увеличивает его сопротивляемость к образованию трещин и коррозии, улучшает возможности термообработки. В связи с этим ферроникель – один из самых распространенных и востребованных ферросплавов глобальной металлургической отрасли. Мировые стандарты определяют пять марок ферроникеля, содержащего 20-70% никеля, плюс незначительное количество углерода (С), серы (S), фосфора (Р), кремния (Si), хрома (Cr), меди (Cu).
Легированные никелем жаропрочные сплавы, как правило, содержат 8-25% никеля, а некоторые до 35% и более. Однако из-за того, что никель снижает твердость сплава, для легирования его обычно используют не в чистом виде, а в сочетании с железом, хромом, молибденом, титаном, ниобием и другими элементами. В качестве примера можно привести сплавы марок 12Х18Н9Т (Fe – около 61%) и 10Х17Н13МЗТ (Fe – около 67%) с содержанием никеля 8-9,5% и 12-14% соответственно.
Молибден и вольфрам
На физические характеристики сталей и сплавов вольфрам и молибден оказывают схожее влияние, существенно увеличивая предел длительной механической прочности при температурах до 1800°C (в вакууме). Достаточно ввести 0,3-0,5% этих элементов в сплав, чтобы заметно усилить его сопротивление ползучести, укрепить межатомные связи кристаллической решетки, повысить температурный предел рекристаллизации. Для сталеплавильной и литейной промышленности производят легирующие ферросплавы из молибдена и вольфрама с железом: ферромолибден (55-60% Мо) и ферровольфрам (65-85% W).
Для легирования в сплавы обычно вводят относительно небольшое количество молибдена (около 0,2-20%) и вольфрама (до 10-12%), поскольку переизбыток этих элементов способен повысить хрупкость сплава при нагреве. В качестве примера сплава, легированного молибденом и вольфрамом можно привести жаропрочную низколегированную сталь 12Х1МФ (Fe – около 96%) с содержанием Мо 0,25-0,35 процента. В этом же ряду жаропрочная релаксационностойкая сталь 20Х3МВФ (Fe – около 93%) содержащая Мо 0,35-0,55% и W 0,3-0,5%, а также сплав на основе никеля ХН57МТВЮ (Мо 8.5-10%, W 1.5-2.5%, Fe 8-10% и т.п.)
Ванадий
Для легирования в сплавы обычно вводят относительно небольшое количество молибдена (около 0,2-20%) и вольфрама (до 10-12%), поскольку переизбыток этих элементов способен повысить хрупкость сплава при нагреве. В качестве примера сплава, легированного молибденом и вольфрамом можно привести жаропрочную низколегированную сталь 12Х1МФ (Fe – около 96%) с содержанием Мо 0,25-0,35 процента. В этом же ряду жаропрочная релаксационностойкая сталь 20Х3МВФ (Fe – около 93%) содержащая Мо 0,35-0,55% и W 0,3-0,5%, а также сплав на основе никеля ХН57МТВЮ (Мо 8.5-10%, W 1.5-2.5%, Fe 8-10% и т.п.)
С целью повышения характеристик по жаропрочности, состав легирующих элементов усложняется, часто вместе с ванадием в сплав вводятся молибден, хром, никель и т.п. Показательным примером такой технологии легирования может служить жаропрочный сплав на основе железа марки 12Х2МФСР (Fe – около 95%) с содержанием V 0,2-0,35%, Мо 0,5-0,7%, Cr 1,6-1,9%, Ni до 0,25% и т.д. Еще один пример мультилегирования сплава с применением ванадия – жаропрочная сталь 15Х2М2ФБС, включающая в себя V 0,25-0,4%, Мо 1,2-1,5 %, Cr 1,8-2,3%, Ni до 0,3% и т.д.
Специальные ферросплавы
Все используемые в литейном производстве жаропрочных сплавов ферросплавы условно делятся на две группы: первая - ферросплавы массового применения, вторая - специальные ферросплавы. Ко второй группе относятся соединения железа с титаном, кобальтом, ниобием и рядом других элементов. Специальные ферросплавы применяют в небольших пропорциях 4–6%, и не только для повышения рабочей температуры жаропрочных сплавов, но для придания им особых свойств.
Например, феррониобий применяется для легирования жаропрочных хромоникелевых сталей, поскольку ниобий эффективно препятствует межкристаллитной коррозии, разрушающей границы зерна и ведущей к потере прочности материала. В свою очередь ферротитан вводится в жаропрочные сплавы для усиления общих антикоррозийных характеристик. Кроме того, титан улучшает свариваемость нержавеющих сталей. Легирование жаропрочных сплавов феррокобальтом позитивно сказывается на их релаксационной стойкости, особенно это касается хромистых сталей.
