CC BY
83
_/хггггг: кгггш г,тгт:п/об
-а (73), 2013/ U U
' Производство ^
УДК 621.745.55 Поступила 05.10.2013
м. м. ямшинский, г. е. Федоров,
Е. а. ПЛАТонов, Национальный технический университет Украины «КПИ»
ФИЗИЧЕСКИЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЛИТЕЙНЫХ ХРОМОАЛЮМИНИЕВЫХ СТАЛЕЙ
Исследовано влияние хрома, алюминия, титана и РЗМ в широком диапазоне их концентраций на физические и специальные свойства жаростойких сталей для изготовления литых деталей, работающих в агрессивных средах до 1250 °с. Установлено, что при оптимальном соотношении основных компонентов стали имеют высокую окалиностойкость, удовлетворительные литейные и механические свойства, позволяющие изготавливать детали различные по массе, геометрии и габаритных размеров. Изучены теплопроводность и электропроводность хромоалюминиевых сталей. Рекомендованы марки сталей для конкретных условий эксплуатации.
Influencing of chrome, aluminium, titan and RZM is explored in the wide range of their concentrations on physical and special properties of heat-resistant steels for making of the poured details, working in aggressive environments to 1250 °C. It is set that at optimum correlation of basic components became have high heat resistance, satisfactory casting and mechanical properties, allowing to make different mass, geometry and overall sizes. Heat conductivity and conductivity of chromium-aluminum steel is studied. The brands of steels are recommended for concrete external environments.
Литейные среднеуглеродистые хромоалюминие-вые стали относят к новым литейным материалам. Из них изготавливают литые детали, работающие в условиях высоких температур и агрессивных сред (тепловая энергетика, металлургия, химическая промышленность и др.). Технологические свойства этих сталей (литейные и механические свойства, обрабатываемость, свариваемость, прокатываемость) изучены достаточно, а специальные и физические, т. е. такие, которые проявляются во время эксплуатации изделий (окалиностойкость, термостойкость, теплопроводность, электросопротивление и др.), практически не изучены. Знание этих характеристик позволит обосновано выбирать соответствующие отрасли использования этого материала как с учетом условий эксплуатации, так и с учетом литейных свойств на основании корректировки химического состава, т. е. определения соотношения основных компонентов, которые входят в состав сталей.
В работе поставлены такие задачи:
• изучить окалиностойкость сталей в разных средах: в атмосфере воздуха, при наличии в газовой среде углекислого газа и водяного пара;
• определить характер изменения теплопроводности и электропроводности в зависимости от химического состава хромоалюминиевых сталей;
• изучить возможность использования процессов микролегирования и модифицирования сталей для улучшения этих характеристик.
Хром и алюминий являются основными легирующими элементами, которые обеспечивают высокую окалиностойкость сталей, т. е. придают металлу свойства противостоять при высоких температурах химическому действию - окислению в различных газовых средах [1]. Роль этих элементов состоит, в первую очередь, в том, что они изменяют состав, структуру и свойства окалины, которая образуется на поверхности изделия, а следовательно, и скорость окисления металла изделия. Однако до сих пор не установлено оптимальное соотношение этих элементов, при котором образуется стабильная, прочная и плотная защитная пленка, которая обеспечивала бы максимальную окалиностойкость изделий, при этом не ухудшала бы термостойкость и ростоустойчивость стали.
Для определения оптимальных концентраций хрома и алюминия изучена окалиностойкость сталей со средним содержанием углерода 0,25-0,35%, хрома - от 17 до 37 и алюминия - от 1 до 7%. Испытание образцов диаметром 10 мм и длиной 20 мм осуществляли в трубчатой печи при температуре 1200 °С на протяжении 100 ч. Окалиностойкость определяли в атмосфере перегретого воздуха и других газовых средах, в которых работают жаростойкие изделия.
На рис. 1 показано изменение массы образцов в атмосфере перегретого воздуха в зависимости от содержания алюминия в хромистых сталях. Ана-
66/«
ЦТ ^ККГТШТГГГГП
4 (73), 2013-
Рис. 1. Окалиностойкость хромоалюминиевых сталей (условия испытания: 1200 °С, воздух, 100 ч): 7 - 17% Сг; 2 - 22% Сг; 3 - 25% Сг; 4 - 29% Сг; 5 - 37% Сг
лиз результатов показывает, что увеличение содержания алюминия резко повышает окалиностойкость всех исследованных сталей (уменьшается прирост массы). Для обеспечения достаточно высокой окалиностойкости (увеличение массы на 4-6 мг/см2 за 100 ч) сталь должна содержать 25-27% хрома и 2-4% алюминия. Последующее повышение алюминия не способствует заметному улучшению окалиностойкости в приведенных условиях и снижает литейные и механические свойства сталей. Увеличение концентрации алюминия можно рекомендовать только для повышения рабочей температуры и при изготовлении отливок простой конфигурации.
Минимальное количество хрома в сталях для образования защитной пленки оксида С^Оз на поверхности изделия должно быть не меньше 18-20%.
Рентгенографическим и микрохимическим анализами оксидов, которые образуются на поверхности изделия, установлено, что сталь, легированная 17% Сг и 2-4% алюминия, не может быть использована для изготовления литых деталей, которые работают при температурах выше 1000 °С, поскольку окалина, образованная на поверхности изделий из такой стали, содержит большое количество железа в составе шпинели Fe0•Cг20з кроме включений оксидов С^Оз и а-А^Оз. Защитные свойства такой пленки значительно хуже, чем пленки на основе а-А^Оз или шпинели СгОА^Оз.
Исследования оксидов, образованных на поверхности изделий в сталях с 25-з0% Сг и 2-з% А1, показывают, что защитная пленка состоит на 95-97% из оксидов а-А12Оз. На внутренней поверхности пленки, т. е. на границе раздела «металл-
оксид», выявлено повышенное содержание оксида Сг2Оз и до 1,0-1,5% оксидов железа. Пленка такого оксида имеет высокие защитные свойства и изделия длительное время могут работать при температурах до 1250 °С.
Исследованиями кинетики окисления установлено, что повышение содержания алюминия в сталях до з% приводит к резкому снижению скорости окисления металла, при этом существенно изменяется время «инкубационного» периода окисления: 2,5 ч - для стали без алюминия; 1,5 ч - для стали с 1% алюминия и 0,4 ч - для стали с з% алюминия. Изменяется и закономерность окисления. Если для стали з0Х25Л окисление происходит по закону, приближающемуся к параболическому, то для стали з0Х25ЮзЛ более справедливым является логарифмический закон.
Изучение кинетики окисления стали, структуры и свойств пленок оксидов показало, что у сплавов системы Fe-Cг-Al в начале окисления (первые 10-15 мин) на поверхности изделия образуется слой оксидов, содержание металлов в которых приблизительно отвечает химическому составу стали. Во время «инкубационного» периода (20-10 мин) из металла в окалину диффундирует алюминий, который имеет высокую диффузионную способность и термодинамическую активность, и в меньшей мере хром. Относительное количество фаз, которое образовалось в начале окисления, начинает изменяться в сторону увеличения количества оксидов А^Оз и Сг2Оз. Окончательное соотношение этих оксидов в окалине после завершения «инкубационного» периода зависит от содержания хрома и алюминия в стали и температуры окружающей среды.
Максимально защищает поверхность изделия от окисления при высоких температурах пленка, которая состоит из Сг2Оз с внутренними частицами оксидов А12Оз - при высоком содержании хрома (> 24%) и низком - алюминия (не более 1,5%); из шпинели (А1, Сг)зО4 с частицами оксидов железа и хрома и их растворов - при высоком содержании в стали хрома (> 25%) и алюминия - от 1,5 до з,0%; из а-А12Оз - при высоком содержании хрома (> 27%) и алюминия (> з%).
Стали, которые образуют на поверхности изделия защитный слой из оксидов а-А12Оз, имеют наивысшую окалиностойкость, их можно использовать для изготовления литых деталей, работающих при температурах до 1з00-1з50 °С.
Во время сжигания топлива (например, на тепловых электростанциях) образуется смесь газов СО2, СО, Н2О (пар) и N2. На металлические материалы каждый из этих газов (или их смеси) действует агрессивнее, чем перегретый воздух.
ЛГГ7Г:Г Г Г^Ш/ЛТТ
■ 4 (73),
"Ч 67
2013 / VI
С целью изучения окалиностойкости в атмосфере СО2 и Н2О (пар) исследованы образцы хромистой среднеуглеродистой стали, легированной алюминием до 5%. Результаты исследований показаны на рис. 2.
С увеличением содержания алюминия окали-ностойкость хромистой стали увеличивается во всех исследованных средах. Несмотря на то что процессы взаимодействия элементов стали с окислительными средами разные, состав и структура пленок оксидов практически одинаковы. Содержание оксидов железа в окалине увеличивается только на 1,0-1,5%. Окалина состоит на 90-95% из а-А1203.
Следовательно, хромоалюминиевые стали с содержанием 1,5-3,5% алюминия имеют высокотемпературную коррозийную стойкость в средах, которые содержат углекислый газ и водяной пар. Изделия, изготовленные из таких сталей, могут работать в таких средах при температурах до 1250 °С.
Поскольку редкоземельные металлы (РЗМ) существенно улучшают литейные и механические свойства хромоалюминиевых сталей, и учитывая разные толкования в технической литературе относительно влияния РЗМ на жаростойкость сталей, изучено их влияние на окалиностойкость стали 30Х30Ю2ТЛ.
Установлено, что присадка до 0,20-0,25% РЗМ мало влияет на окалиностойкость хромоалюмини-евой стали (рис. 3).
Обработка стали большим количеством РЗМ снижает окалиностойкость стали в результате увеличения мест расположения точечной коррозии,
наличие которой становится особенно заметным после длительных испытаний. Однако в условиях тепловых смен окалина, которая образуется на изделиях, изготовленных из стали, обработанной 0,20-0,25% РЗМ, имеет лучшее сцепление с поверхностью металла, что тормозит ее скалывание.
Расшифровка химического и фазового составов пленок оксидов на сталях, обработанных редкоземельными металлами, затруднена из-за небольшого количества оксидов РЗМ и сложности их идентификации. Можно отметить только непрямое действие РЗМ в формировании слоя оксида - некоторое снижение оксидов железа в окалине.
Тепловые свойства стали, прежде всего теплопроводность, оказывают решающее влияние на условия получения качественных отливок, режимы термической обработки и играют большую роль во время эксплуатации литых деталей в условиях высоких температур и тепловых смен.
Электрические свойства очень важны во время эксплуатации литых элементов в качестве нагревателей и при электроплавке стали.
Исследовано влияние хрома и алюминия на теплопроводность и электропроводность хромоалю-миниевых сталей в диапазоне концентраций хрома от 13 до 27% и алюминия - до 1,42%. Изучение характеристик осуществляли по методике [2] в интервале температур 20-1000 °С. Результаты исследований показаны на рис. 4.
Теплопроводность осуществляется электронами и колебаниями атомов кристаллической решетки [3], а поскольку легирование железа хромом и алюминием сопровождается искажением кри-
Рис. 2. Окалиностойкость стали 30Х25Л в различных средах (условия испытания: 1200 °С, 100 ч): 1 - воздух; 2 - воздух + 25% Н2О; 3 - воздух + 45% СО2; 4 - воздух + 45% Н2О
Рис. 3. Влияние РЗМ на окалиностойкость стали 30Х30Ю2ТЛ (условия испытания: 1200 °С, 100 ч): 1 - воздух; 2 - воздух + 45% Н2О
И//:г:ттгг г: кгтшлтггп
/ а (73), 2013-
сталлической решетки, изменением структурных составляющих, нарушением однородности металла и приводит к рассеиванию электронов. Следовательно, повышение концентрации легирующих элементов способствует снижению этих физических характеристик.
Повышение температуры легированного металла увеличивает амплитуду колебания атомов, что также способствует рассеиванию электронов и уменьшению теплопроводности и электропроводности.
Снижение теплопроводности высоколегированных хромоалюминиевых сталей способствует росту первичного зерна во время кристаллизации металла в отливке и развитию дефектов усадочного характера.
Электропроводность металла характеризуется процессом переноса электрического заряда электронами и определяется плотностью электронов проводимости и скоростью их дрейфа в металле, поэтому существенно влияет на тех-
нологические показатели работы плавильных агрегатов.
Практика подтверждает, что ферритные стали, к которым относятся сплавы системы Fe-Cr-Al, характеризуются наивысшим электросопротивлением, следовательно, для изготовления нагревателей различных изделий такие стали должны содержать 25-30% хрома и 3-5% алюминия.
Исследовано влияние титана и РЗМ на физические свойства хромоалюминиевой стали 35Х30Ю2Л. Результаты исследований показаны на рис. 4, в, г соответственно.
Как видно из рис. 4, изменение концентрации титана до 1,0% уменьшает физические свойства хромоалюминиевой стали. Сущность этого процесса такая же, как и после легирования железа хромом и алюминием, но поскольку концентрация титана значительно меньше, то теплопроводность и электропроводность сталей меньше.
Присадка РЗМ до 0,15% (рис. 4, г) почти на полторы единицы снижает теплопроводность ме-
Рис. 4. Зависимость теплопроводности (1) и электропроводности (2) жаростойких сталей от содержания в них хрома (а),
алюминия (б), титана (в) и РЗМ (г)
талла, очевидно, в результате глубокого раскисления металла, его дефосфорации и десульфурации и перевода неметаллических включений из остроугольной формы в глобулярную.
Проведенные исследования показывают, что наилучший комплекс технологических и специальных свойств имеет сплав на основе железа с содержанием 25-32% хрома и 1,5-3,0% алюминия. Для обеспечения высокой окалиностойкости и длительной эксплуатации изделий при температурах до 1250 °С содержание этих элементов должно находиться на верхней границе, т. е. 30-32% хрома и не менее 2,0% алюминия.
Для изготовления крупногабаритных тонкостенных отливок, которые работают до 1150-1200 °С, содержание хрома и алюминия несколько можно снизить, а заливку форм осуществлять при максимально возможной температуре металла (1600-1620 °С).
Вредное влияние углерода на окалиностой-кость частично или полностью устраняется легированием стали титаном в количестве 0,25-0,60%, при этом отливки, которые работают в условиях повышенных внешних нагрузок, необходимо изго-
/ТГГТГ-гтГГ Ги<ТГ?Г^гТ[ТП /во
-а (73), 2013/ Uv
тавливать из жаростойких хромоалюминиевых сталей, легированных 0,5-0,6% титана.
В тех случаях, когда необходимо изготавливать изделия несложной конфигурации, которые работают в условиях высоких температур (до 1200 °С) заданный промежуток времени, можно воспользоваться приведенными результатами исследований и рекомендациями и выбрать сталь другого химического состава, но в следующем диапазоне концентраций элементов: С - 0,25-0,45%; Cr - 24-32; Al - 1,0-3,0; Ti - 0,25-0,60%; РЗМ (по присадке) -0,15-0,25%.
Теоретический анализ и полученные экспериментальные данные относительно специальных свойств жаростойких сталей с хромом и алюминием позволили предложить как литейный материал для изготовления тонкостенных крупногабаритных литых деталей топливосжи-гающих устройств тепловых электростанций и металлургического оборудования сталь (рабочие температуры до 1250 °С) 35Х30Ю2ТЛ, а для изготовления простых по конфигурации литых деталей, которые работают при температурах до 1150-1200 °С, - сталь 30Х24Ю3ТЛ.
Литература
1. Щ е д р о в К. П., Г а к м а н Э. П. Жаростойкие материалы. М.; Л.: Машиностроение, 1965.
2. М и к р ю к о в В. Е. Теплопроводность и электропроводность металлов и сплавов. М.: Металлургиздат, 1959.
3. Г у д р е м о н Э. Специальные стали. Т. 1. М.: Металлургия, 1966.
