Жаростойкость сплавов.

Основным требованием ко всем элементам при жаростойком легировании является большее химическое сродство к кислороду, нежели сродство основного металла. Только в этом случае легирующий элемент может влиять на жаростойкость. В связи с этим металлы пятой группы (см. табл. 14.4) нельзя использовать при жаростойком легировании.

Повышенная жаростойкость низколегированных сталей и сплавов вызвана тем, что легирующий элемент В входит в решетку оксида основного металла А, уменьшая тем самым его дефектность. Образуется легированный оксид Металлы, у которых оксид имеет избыток ионов в межузлиях (рис. 14.11, а), следует легировать элементами большей валентности. Для сохранения электронейтральности произойдет замена и уменьшится число межузельных ионов металла. Металлы, у которых оксиды имеют недостаток ионов металла в узлах решетки (рис. 14.11,б), следует легировать элементами меньшей валентности. При этом произойдет замена и уменьшится число катионных вакансий.

Хорошую жаростойкость высоколегированных сталей и сплавов объясняют тем, что легирующий элемент образует собственный оксид обладающий лучшими защитными свойствами, нежели оксид основного металла Для образования оксида легирующего элемента последний должен не

Рис. 14.11. Схема изменения концентрации дефектов оксидов при легировании: а — с избытком ионов металла: б — с недостатком ионов металла

только иметь большее химическое сродство к кислороду, а его количество и диффузионная подвижность должны обеспечить образование оксида на всей окисляемой поверхности. Сам оксид легирующего элемента должен быть плотным, не растрескиваться, иметь малую электрическую проводимость, но высокие температуры сублимации и плавления, не образовывать легкоплавких эвтектик и собственных фаз.

Высокая жаростойкость высоколегированных сталей и сплавов на основе переходных металлов связана с образованием двойных оксидов которые имеют кристаллическую решетку типа шпинели (см. п. 1.3). В узлах решетки расположены ионы кислорода; ионы двух- и трехвалентного металлов, имеющие меньший ионный радиус, занимают межузельные поры. Переменный состав оксида объясняется наличием вакантных межузельных пор, по которым и идет диффузия ионов металлов. Высокие защитные свойства двойных оксидов связывают с большой плотностью упаковки и малым параметром кристаллической решетки. Ионы легирующего элемента частично или полностью заменяют ионы металла. Такая замена уменьшает коэффициент диффузии и электрическую проводимость, тем самым улучшая защитные свойства оксида.

Жаростойкость промышленных алюминиевых сплавов, за исключением сплавов с магнием , практически такая же хорошая, как у чистого алюминия, так как химическое сродство к кислороду алюминия больше, чем элементов Си, входящих в эти сплавы. Некоторое ухудшение жаростойкости в сплавах, структура которых неоднофазная, вызвано неоднородностью оксида по составу и толщине. Алюминиевые сплавы типа содержащие магний, уступают чистому алюминию, так как в этих сплавах магний образует на внешней поверхности собственный рыхлый оксид

Жаростойкость магния удается повысить легированием. Небольшие добавки бериллия улучшают жаростойкость и устраняют самовозгорание при технологической обработке. Сплавы магния с также более жаростойкие, чем магний.

Жаростойкость промышленных медных сплавов-латуней и бронз - выше жаростойкости чистой меди. Легирующие элементы в медных сплавах - элементы четвертой группы (см. табл. 14.4) имеют большее химическое сродство к кислороду, чем медь, и при достаточном их количестве образуют при нагреве собственные оксиды, обладающие лучшими защитными свойствами, чем оксид Сплавы меди с отличаются высокой жаростойкостью; несколько уступают им сплавы с

Титановые сплавы поглощают кислород более активно, чем иодидный титан, поэтому защитные оксиды на поверхности не образуются, и жаростойкость титана при легировании не улучшается ни для а-сплавов, ни для -сплавов. Повысить жаростойкость удается лишь применением жаростойких покрытий.

Жаростойкость железа и стали можно повысить легированием хромом, алюминием и кремнием. Наибольшее распространение при объемном и поверхностном легировании железа и сталей получил хром, содержание которого доходит до 30%. С увеличением содержания хрома в стали, а также с ростом температуры, выдержки и уменьшением парциального давления окислителя содержание хрома в оксиде растет. Легированные оксиды железа заменяются оксидами хрома, что ведет к повышению жаростойкости. Низкоуглеродистая сталь при большом содержании хрома приобретает однофазную ферритную структуру. В процессе длительной работы при высоких температурах кристаллы феррита растут, что сопровождается понижением сопротивления ударным нагрузкам - снижается ударная вязкость. Для предотвращения такого охрупчивания сталь дополнительно легируют карбидообразующими элементами (например, титаном). Карбиды затрудняют рост зерна феррита. Химический состав и свойства жаростойких сталей приведены в табл. 14.5.

ТАБЛИЦА 14.5. (см. скан) Свойства жаростойких сталей и сплавов

Следует отметить, что стали ферритного класса (в структуре преобладает феррит) нежаропрочны, поэтому их используют в изделиях, которые не испытывают больших нагрузок, особенно ударных. Свойства сталей приведены для отожженного состояния. Сплавы аустенитного класса не только жаростойки, но и жаропрочны. Свойства их даны для закаленного состояния. Области применения жаростойких сталей и сплавов указаны в табл. 14.6.

В сталях содержание алюминия и кремния в отличие от хрома ограничено, так как эти элементы охрупчивают сталь и ухудшают технологические свойства при обработке давлением. Этот недостаток можно исключить, если их вводить совместно с хромом или использовать при поверхностном легировании. Жаростойкие стали легированные хромом и алюминием, так же как и сплав используют как материалы с повышенным электрическим сопротивлением (см. п. 17.1).

Низкая жаростойкость тугоплавких металлов создает большие затруднения при использовании их в качестве жаропрочных материалов. Применение вакуума и защитных сред при технологической обработке и эксплуатации тугоплавких металлов вызывает в некоторых случаях большие технические трудности. Объемное легирование тугоплавких металлов не приводит к повышению жаростойкости, хотя для повышения жаропрочности оно может быть эффективным. Высокой жаростойкости можно добиться, используя жаростойкие тугоплавкие покрытия.

ТАБЛИЦА 14.6. (см. скан) Жаростойкие стали и сплавы, применяемые в электропечах