Розмір шрифту: 

Ямшинський М.М., Федоров Г.Є.
(НТУУ «КПІ», м. Київ)

На довговічність литих деталей, що працюють в умовах високих температур, виріша-льний вплив справляють процеси їх взаємодії з робочим середовищем. Найпоширенішим ви-дом взаємодії є окиснення. Роль процесів окиснення з точки зору жаростійкості для сплавів на основі заліза величезна.
Авторами установлено, що із збільшенням вмісту вуглецю в жаростійких сталях їх окалиностійкість знижується, оскільки зменшується концентрація хрому в легованому фери-ті внаслідок витрат його на утворення карбідів, а отже скорочується кількість іонів хрому, які дифундують до поверхні виробу та утворюють захисну оксидну плівку Cr2О3. Унаслідок цього послаблюються загальні захисні властивості оксидної плівки навіть за умови відносно високої (1,5…2,0%) концентрації алюмінію в сталі.
З іншого боку необхідно брати до уваги, що підвищення вмісту вуглецю в сталях під-вищує основну їх ливарну характеристику – практичну рідкотекучість – та дещо покращує механічні властивості, що для високолегованих сталей з крупнозернинною структурою дуже важливо.
Досліджено спільний вплив вуглецю в діапазоні концентрацій від 0,08 до 0,81% та ти-тану – до 0,63% – на окалиностійкість хромоалюмінієвої сталі з вмістом 30% хрому та 2% алюмінію. Сприятливу дію титану на окалиностійкість можна пояснити тим, що окрім виві-льнення частини хрому, який мав би утворювати карбіди, здійснюється утворення окалини за участю оксидів титану. Така оксидна плівка має високі захисні властивості. Крім того, легу-вання сталі титаном, знижує дифузійну рухомість заліза в фериті й зменшує кількість його оксидів в окалині, яка утворюється на поверхні виробу. Це підтверджено мікрохімічним ана-лізом оксидних плівок: за вмісту 0,25% титану в сталі виявлено 0,5…0,6% його оксидів, а вміст оксидів заліза, в порівнянні з окалиною, яка утворюється на зразках із сталі без титану, зменшився з 2,35…2,60 до 1,60…1,75%.
Для хромоалюмінієвої сталі з середнім вмістом вуглецю (0,30…0,40%) оптимальною добавкою титану можна вважати 0,25…0,45%.
Досліджено окалиностійкість сталей, в яких вміст вуглецю змінювали від 0,08 до 0,88%. Дослідження виконували за температур 1200 та 1300 °С протягом 100 та 500 годин.
Установлено, що із збільшенням вмісту вуглецю в сталі її окалиностійкість знижуєть-ся – утрати маси підвищуються. Це пов’язано з тим, що вуглець сприяє утворенню більшої кількості карбідів хрому, а твердий розчин – легований ферит – збіднюється хромом. Струк-тура сталі стає неоднорідною, змінюється склад окалини, в ній зменшується кількість Cr2O3 та знижуються її захисні властивості.
Разом з тим слід відзначити, що за вмісту вуглецю 0,25...0,30% окалиностійкість сталі практично не змінюється, оскільки витрати хрому на утворення карбідів невеликі, а склад захисної оксидної плівки залишається майже без змін. З підвищенням вуглецю до 0,35...0,45% на поверхні зразка утворюється менш щільна окалина, яка легко відшаровується, особливо в місцях виходу на поверхню карбідних груп, які порушують однорідність окали-ни, зменшують міцність її зчеплення з поверхнею металу та знижують рівень захисних влас-тивостей окалини.
Такі ж залежності щодо окалиностійкості сталей з високим вмістом хрому та алюмі-нію, тільки з вищими утратами маси зразків, одержано після випробовувань за температури 1300 °С.
На підставі аналізу результатів проведених досліджень установлено, що з підвищен-ням температури випробовувань окалиностійкість хромоалюмінієвої сталі дещо знижується, але вона залишається досить високою. З таких сталей можна виготовляти литі деталі, які бу-дуть надійно працювати тривалий час за температур до 1300 °С за умови, що вміст титану буде знаходитися в межах 0,2…0,4%, а вуглецю – в межах 0,25…0,30%.
Рідкісноземельні метали (РЗМ) відомі як активні розкиснювачі, дегазатори, дефосфо-ратори та десульфуратори сталі. Крім того, вони можуть зміцнювати й ущільнювати оксидну плівку, роблячи її стійкішою до процесів відшаровування під час теплозмін поверхні виробу. Оскільки РЗМ суттєво покращують ливарні та механічні властивості хромоалюмінієвих ста-лей й враховуючи різні тлумачення в технічній літературі щодо їх впливу на жаростійкість сталей, нами вивчено їх дію на основну експлуатаційну характеристику – окалиностійкість – сталі 30Х30Ю2ТЛ з невеликою різницею вмісту хрому. Присадку РЗМ здійснювали дода-ванням фероцерію до 1,0% за розрахунком.
Установлено, що присадки РЗМ до 0,30…0,35% дещо покращують окалиностійкість сталей, причому для сталі з вищим вмістом хрому таке покращання зберігається до присадки РЗМ 0,45%. Подальше підвищення вмісту РЗМ призводить до різкого погіршання окалинос-тійкості й за вмісту 1,0% РЗМ ця характеристика майже вдвічі гірша, ніж сталі без РЗМ.
Візуальним аналізом поверхні зразків, які вміщують різну кількість РЗМ, установле-но, що в середовищі перегрітого повітря за температури 1200 °С утворюється щільна світла плівка на зразках з невисоким вмістом (до 0,25%) РЗМ.
З підвищенням вмісту РЗМ плівка темнішає внаслідок збіднення її оксидами алюмі-нію та утворення дрібних (для сталей з вмістом РЗМ 0,3…0,6%) й крупних і малих виразок.
Такий вплив РЗМ можна пояснити великим об’ємом їх атомів, а також утвореними фазами за участю РЗМ, які різко гальмують, а в деяких місцях блокують окремі ділянки по-верхні, на яких можливе утворення  дрібних виразок.
Результати досліджень дають можливість зробити висновок, що збільшення присадки РЗМ понад 0,3% зменшує вміст Al2O3 в оксиді, а це, в свою чергу, впливає на зниження захи-сних властивостей оксидної плівки й призводить до зниження окалиностійкості. Такий вплив РЗМ можна пояснити більшим об’ємом атомів, які заповнюють пустоти кристалевої гратки оксидів і протидіють таким чином дифузії алюмінію до поверхні зразка. За вмісту РЗМ понад 0,6% на межі метал-оксид утворюється оксид СеО2, який ще більшою мірою протидіє дифу-зії алюмінію до поверхні розділу оксид-газове середовище.
Зміна кольору з підвищенням вмісту РЗМ дає змогу встановити зменшення кількості Al2O3 в окалині й появі в ній оксидів хрому та навіть заліза.
Підвищення вмісту РЗМ з 0,25 до 1,0% сприяє укрупненню феритного зерна, а понад 0,5% погіршує механічні властивості.
Виокремлення на межах зерен сполук РЗМ призводить до різкого погіршання окали-ностійкості внаслідок розвитку міжкристалевої корозії. Окиснення металу починається в то-му місці зразка, де знаходиться межа зерен або дефекти гратки. Подальше окиснення відбу-вається вглиб зразка межами зерен з утворенням численних крупних і дрібних виразок.
Виокремлення тонких часточок оксиду в металевій фазі під час внутрішнього окис-нення призводить до поверхневого зміцнення сплаву, утруднює рекристалізацію й ріст крис-талів металу. Надзразкова окалина підвищує зчеплення із сплавом і цим сприяє покращанню термостійкості сплаву під час теплозмін виробу. Особливо ефективно діють у цьому напрям-ку церій та ітрій після додавання їх до хромоалюмінієвих сталей.
Таким чином установлено, що хромоалюмінієві сталі з урахуванням ливарних та ме-ханічних властивостей доцільно оброблювати РЗМ у кількості 0,15…0,25%, оскільки пода-льше підвищення його вмісту помітно знижує окалиностійкість сталей.