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

Основною характеристикою жаростійких сплавів для роботи в екстре-мальних умовах є їх окалиностійкість, тобто здатність матеріалу чинити опір утворенню окалини на поверхні виробу в умовах високих температур та аг-ресивних середовищ. Проте, практикою експлуатації жаростійких деталей установлено, що вибір сплаву з високою окалиностійкістю є необхідним, але недостатнім для забезпечення тривалої роботи виробів, оскільки більшість деталей в умовах високих температур працюють з періодичними нагрівання-ми та охолодженнями, тобто піддаються теплозмінам. Такі деталі виходять із ладу переважно через появу тріщин, які виникають внаслідок зміни темпера-тури виробу й накопичення термічних напружин, що перевищують допустимі для даних умов. Крім того, тривала експлуатація жаростійких деталей супро-воджується зміною розмірів останніх.
Отже за сучасними уявленнями жаростійкість необхідно розглядати як три властивості металу: окалиностійкість, термостійкість і ростостійкість, а тому розроблення нових жаростійких сталей і сплавів слід виконувати з ура-хуванням цих характеристик.
Жаростійкі сплави вміщують у своєму складі багато хімічних елемен-тів, кожний із яких по своєму впливає на процес окиснення. Такі фактори, як геометрія деталі, напружини в умовах експлуатації, фазові зміни сплаву, спричинені витримками за різних температур, ще більше ускладнюють про-цеси пошуку нових матеріалів. Процеси окиснення сплавів визначаються складністю як самих сплавів, так і робочого середовища. Ці ж фактори спра-вляють суттєвий вплив і на термостійкість.
Термостійкість сплавів, в основному, залежить від розмірів зерен [1]. Сплави, для яких характерне руйнування межами зерен, менш термостійкі, ніж сплави, в яких тріщини термічної утоми розвиваються в об’ємі зерен.
Характер руйнування деталей від термічної втоми дуже різноманітний і залежить від властивостей матеріалу та умов експлуатації.
Численні теоретичні та експериментальні роботи щодо термостійкості металів і сплавів, в яких наведено спроби зв’язати кількість циклів теплозмін до руйнування деталі з фізичними та механічними властивостями сплавів і параметрами теплового циклу, не дають однозначної відповіді на питання щодо закономірностей розроблення термостійких сплавів.
Типовим характером руйнування від термічної втоми є розтріскування. Він притаманний для деталей теплоенергетичного устатковання, особливо жаростійким вузлам котельних установок, що пов’язано з різким коливанням температур деталей під час зміни теплового режиму роботи котельного агре-гату, плановим та аварійним зупинкам теплоенергетичних блоків.
Таким чином під час розроблення нових жаростійких сплавів особливу увагу необхідно приділити забезпеченню матеріалу достатнього опору мета-лу розвитку термічній втомі.
У роботі досліджено вплив хрому, алюмінію та титану на термостій-кість хромистих сталей.
Хром підвищує термостійкість жаростійкої сталі внаслідок збільшення в її структурі феритної складової та зниження коефіцієнта лінійного розши-рення фериту. Крім того феритна структура сталей, які леговані хромом, зме-ншує негативний вплив на термостійкість напружин ІІ-го роду, які виника-ють під час γ перетвореннях [2]. Стабілізуванням фериту під час нагрі-вання-охолодження та низьким коефіцієнтом лінійного розширення і пояс-нюється краща термостійкість феритної хромистої сталі в порівнянні з хро-монікелевими сплавами на нікелевій та кобальтовій основах.
Залежність термостійкості (кількість циклів до руйнування зразка) сплавів від концентрації хрому можна описати фактично прямолінійною за-лежністю:

Погіршання технологічності сталі та економічні розрахунки обмежу-ють використання хрому на рівні 30…32%. Необхідно зауважити, що такий вміст хрому повною мірою забезпечує найважливішу характеристику сталі – окалиностійкість.
Установлено, що вміст алюмінію до 1,0% покращує термостійкість ста-лі внаслідок глибокого розкиснення сталі, збільшення стабільної феритної складової, очищення металу від газів і неметалевих вкраплин. Такий вміст алюмінію дещо покращує відносне подовження, що в свою чергу призводить до покращання термостійкості. Подальше підвищення вмісту алюмінію в сталі сприяє зниженню термостійкості приблизно на 10…12% на кожний від-соток алюмінію через збільшення зерен фериту і послаблення міжзеренного зв’язку.
Порівнянням характерів зміни термостійкості сталі та коефіцієнта лі-нійного розширення установлено, що термостійкість хромистої сталі з вміс-том алюмінію понад 1,0% майже повною мірою визначається величиною ко-ефіцієнта лінійного розширення. Отже для забезпечення високої термостій-кості хромоалюмінієвої сталі з 30…32% хрому, вміст алюмінію необхідно обмежувати на рівні 1,0…1,5%, але для виробів, які працюють за температур вищих 1200 °С вміст алюмінію необхідно підвищувати до 2% з метою по-кращання її окалиностійкості.
Подрібнення структури та покращання термостійкості хромоалюмініє-вої сталі можна досягти додатковим легуванням її титаном. Установлено, що за малих добавок титану (0,1…0,2%) спостерігається погіршання термостій-кості сталі (≈ 10%) внаслідок забруднення металу продуктами розкиснення і послаблення міжзеренних зв’язків. Високі стабільні властивості хромоалю-мінієва сталь набуває за вмісту титану в межах 0,3…0,5%, зберігаючи високу окалиностійкість металу.

Література:
1.    Лютый В.А. Хромоалюминиевая сталь для отливок, работающих при переменных температурах до 1200°С. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – К.: КПИ, 1969. – 320 с.
2.    Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. - М.: Металлургия, 1964. – 672 с.