Загальновідомо, що основний елемент будь-якої сталі – вуглець – справляє суттєвий вплив не тільки на ливарні та механічні властивості, але й на спеціальні. Наприклад, з підвищенням вмісту вуглецю в жароміцних сталях їх експлуатаційні властивості (тривала міцність, повзучість, допустима робоча температура тощо) знижуються. Невипадково такі сталі вміщують у своєму складі мінімальну для ливарного сплаву кількість вуглецю. Очевидно, що й в жаростійких сталях вміст вуглецю має бути оптимальним з урахуванням усіх їх властивостей і призначення. Особливо це стосується сталей з високим вмістом хрому та алюмінію. Визначення оптимального вмісту вуглецю залежно від умов експлуатації жаростійких деталей є завданням досить актуальним.

Шкідливий вплив вуглецю на окалиностійкість жаростійких сталей можна частково або повністю нейтралізувати додаванням у розплав активних карбідоутворювальних елементів, які мають вищу спорідненість до вуглецю, ніж хром. Найперспективнішим для цього хімічним елементом є титан. Він утворює міцний і дуже тугоплавкий карбід ТіС. Температура утворення карбіду знаходиться на рівні температури плавлення сталі, а температура його плавлення досягає 3140 °С.

Крім того, здатність титану утворювати тугоплавкі сполуки (карбіди, нітриди, карбонітриди) використовують для подрібнення первинного зерна високолегованих сталей, внаслідок чого суттєво підвищуються їх механічні властивості. Проте в літературі відсутні дані щодо впливу титану на окалиностійкість сталей з високим вмістом хрому та алюмінію. Отже, визначення оптимальної концентрації титану за відомим вмістом вуглецю для досягнення високої окалиностійкості хромоалюмінієвих сталей є також актуальним завданням.

Досліджено зміну окалиностійкості рекомендованих для роботи в екстремальних умовах хромоалюмінієвих сталей залежно від вмісту вуглецю та титану, при цьому максимально зберігали сталість вмісту інших елементів (марганцю, кремнію, фосфору та сірки). Випробовуванню піддавали зразки діаметром 10 мм і довжиною 20 мм за температур 1200 та 1300 ºС протягом 100 й 500 год. Оцінку окалиностійкості здійснювали за збільшенням маси зразків за час випробовувань.

Досліджено вплив вуглецю на окалиностійкість жаростійких сталей в діапазоні його концентрацій від 0,09 до 0,88%. Результати досліджень за температури 1200 ºС протягом 100 та 500 год показано на рис. 1.

Рис. 1. Окалиностійкість хромоалюмінієвих сталей залежно від вмісту в них вуглецю: (а) – 25% хрому та 3,2% алюмінію (сталь Х25Ю3Л); (б) – 30,2% хрому та 2,2% алюмінію (сталь Х30Ю2Л): 1 – 100 год; 2 – 500 год

Установлено, що із збільшенням вмісту вуглецю в сталях з різним вмістом хрому та алюмінію їх окалиностійкість знижується, тобто витрати металу на утворення окалини підвищуються.

Характер зміни окалиностійкості для обох сталей однаковий, різниця полягає тільки в значеннях витрат металу – сталь Х30Ю2Л має вищу окалиностійкість. Зміну окалиностійкості можна пояснити тим, що з підвищенням вмісту вуглецю збільшуються й витрати хрому на формування карбідів хрому різного складу. У той же час твердий розчин основи металу – легований ферит – збіднюється хромом. Структура сталей стає неоднорідною, змінюється й склад окалини: в ній зменшується кількість оксидів Cr₂O₃, що й призводить до зниження її захисних властивостей. Основним компонентом окалини є оксид алюмінію Al₂O₃.

Разом з тим слід відзначити, що за вмісту вуглецю до 0,25...0,30% окалиностійкість сталей змінюється мало (див. рис. 1), оскільки витрати хрому на утворення карбідів невеликі й склад захисної плівки залишається практично без змін.

З підвищенням до 0,45% вуглецю на поверхні зразків утворюється порувата окалина, яка легко відшаровується, особливо в місцях виходу на поверхню карбідних груп, які порушують однорідність окалини, зменшують міцність її зчеплення з поверхнею металу та знижують рівень її захисних властивостей, не дивлячись на деяке підвищення оксидів хрому.

Подальше підвищення вмісту вуглецю в сталях призводить до зменшення жаростійкості через зниження температури плавлення, тобто до зменшення різниці між температурами плавлення металу та експлуатації виробу. Одночасно інтенсивно окиснюється вуглець на поверхні розділу «метал-оксид», що сприяє утворенню поруватої окалини під впливом газів СО та СО₂. Основною ж причиною зниження окалиностійкості є зростання оксидів заліза з підвищенням вмісту вуглецю в сталях і зменшення оксидів алюмінію. Такі ж залежності щодо окалиностійкості цих же сталей, але з вищими витратами металу на утворення окалини, одержано після випробовувань зразків за температури 1300 °С.

На підставі аналізу результатів цих досліджень установлено, що з підвищенням температури випробовувань окалиностійкість хромоалюмінієвої сталі дещо знижується, але вона залишається досить високою (зберігається задовільна окалиностійкість – збільшення маси на 4...6 мг/см² за 100 год). З таких сталей можна виготовляти деталі, які будуть надійно працювати тривалий час за температур до 1300 °С за умови, що вміст вуглецю знаходитиметься в межах 0,20…0,30%.

Подальше збільшення вмісту вуглецю знижує окалиностійкість сталей, підвищує їх крихкість і погіршує оброблюваність заготовок із таких сталей. Крім того, вміст вуглецю в хромоалюмінієвих сталях на рівні 0,25...0,35% дає можливість не тільки зберігати високу окалиностійкість сталей, але й застосовувати для їх виплавляння звичайні середньовуглецеві шихтові матеріали та феросплави.