Цветные металы и сплавы

К недостаткам магниевых сплавов наряду с низкой коррозионной стойкостью и малым модулем упругости следует отнести плохие литейные свойства, склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению при их приготовлении.

По механическим свойствам магниевые сплавы подразделяют на сплавы невысокой и средней прочности, высокопрочные и жаропрочные, по склонности к упрочнению с помощью термической обработки – на упрочняемые и неупрочняемые.

Деформируемые магниевые сплавы. В сплавах МА1 и МА8 основным легирующим элементом является марганец. Термической обработкой эти сплавы не упрочняются, обладают хорошей коррозионной стойкостью и свариваемостью. Сплавы МА2-1 и МА5 относятся к системе Mg-Al-Zn-Mn. Алюминий и цинк повышают прочность сплавов, придают хорошую технологическую пластичность, что позволяет изготовлять из них кованные и штампованные детали сложной формы (крыльчатки и жалюзи капота самолета). Сплавы системы Mg-Zn, дополнительно легированные цирконием (МА14), кадмием, редкоземельными металлами (МА15, МА19 и др.) относят к высокопрочным магниевым сплавам. Их применяют для несвариваемых сильно нагруженных деталей (обшивки самолетов, деталей грузоподъемных машин, автомобилей, ткацких станков и др.).

Литейные магниевые сплавы. Наибольшее применение нашли сплавы системы Mg-Al-Zn (МЛ5, МЛ6). Они широко применяются в самолетостроении (корпуса приборов, насосов, коробок передач, фонари и двери кабин и т.д.), ракетной технике (корпуса ракет, обтекатели, топливные и кислородные баки, стабилизаторы), конструкциях автомобилей, особенно гоночных (корпуса, колеса, помпы и др.), в приборостроении (корпуса и детали приборов). Вследствие малой способности к поглощению тепловых нейтронов магниевые сплавы используют в атомной технике, а благодаря высокой демпфирующей способности – при производстве кожухов для электронной аппаратуры.

Более высокими технологическими и механическими свойствами обладают сплавы магния с цинком и цирконием (МЛ 12), а также сплавы, дополнительно легированные кадмием (МЛ8), редкоземельными металлами (МЛ9, МЛ10). Данные сплавы применяют для нагруженных деталей самолетов и авиадвигателей (корпусов компрессоров, картеров, ферм шасси, колонок управления и др.).

Магниевые сплавы подвергаются следующим видам термической обработки: Т1 – старение, Т2 – отжиг, Т4 – гомогенизация и закалка на воздухе, Т6 – гомогенизация, закалка на воздухе и старение, Т61 – гомогенизация, закалка в воду и старение.  

5 СТАЛИ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В КОТЛАХ И ТУРБИНАХ

Температура очень сильно влияет на механические свойства стали, определяемые при кратковременных испытаниях, например растяжением.

Сталь для барабанов паровых котлов работает при температуре не выше 370° С. Температура стенки барабана практически равна температуре насыщенного пара, находящегося в нем. До 370° С ползучесть в стали не наблюдается. Основное требование к материалу при расчете барабана на прочность — высокий предел текучести при рабочей температуре. Этому требованию удовлетворяет сталь 16ГНМ. Она хорошо сваривается электродуговой и электрошлаковой сваркой, поддается вальцовке и штамповке в холодном и горячем состояниях. К недостаткам этой стали можно отнести сильную зависимость предела прочности и предела текучести от условий охлаждения при нормализации; кроме того, сталь содержит дефицитные добавки молибдена и никеля.

Многие детали котлов, турбин и арматуры работают при высоких температурах. Металл этих деталей подвергается ползучести.

Ползучесть — свойство металла, нагруженного при постоянной высокой температуре, медленно и непрерывно пластически деформироваться под воздействием напряжений.

Повышение температуры и напряжения приводит к увеличению скорости ползучести. В углеродистой стали ползучесть заметна при температурах выше 350—400° С.

В результате развития ползучести увеличивается диаметр и уменьшается толщина стенок труб. Деталь, проработавшая определенное время в условиях ползучести, разрушается при пластической деформации, во много раз меньшей, чем при разрушении от кратковременной перегрузки при той же температуре.

Повышение рабочих температур на тепловых электрических станциях привело к тому, что большое количество деталей работает в области температур, при которых проявляется процесс ползучести.

Сопротивляемость металла ползучести оценивается суммарной деформацией за срок службы и скоростью ползучести.

За предел ползучести в теплотехнике принимают напряжение, которое вызывает остаточную деформацию в 1% за 100 000 ч эксплуатации.

Предел длительной прочности — напряжение, приводящее металл к разрушению при данной температуре через определенный промежуток времени. За расчетный срок службы котла принимаю 100 000 ч работы при номинальных параметрах пара. Путем соответствующей обработки экспериментальных данных в логарифмических координатах ограничиваются испытаниями значительно меньшей длительности и при помощи экстраполяции получаю достаточно надежные результаты. Однако экстраполяция при обработке данных в логарифмических координатах не всегда оказывается возможной. Прямая для многих сталей имеет перелом на графике длительной прочности. Он наступает через 1000 или более часов испытаний. Поэтому для надежной экстраполяции предела длительной прочности на 100 000 ч желательно иметь данные испытаний длительностью не менее 4000—5000 ч.

Прочность металлов определяется межатомными связями внутри самого зерна и силами сцепления, действующими по границам зерен. Разрыв связей между атомами в самом кристалле вызывает разрушение при низких температурах. При высокой температуре менее прочными оказываются границы зерен. Длительность испытания также влияет на характер разрушения. Чем длительнее испытание при высокой температуре, тем вероятнее межкристаллитный характер разрушения.

В металле вследствие флуктуации энергии колебаний ионов некоторые узлы кристаллической решетки оказываются свободными (свободный узел называется вакансией). Вакансии в металле до начала эксплуатации или нагружения распределены хаотически. В процессе эксплуатации при ползучести зарождаются новые вакансии в результате взаимодействия дислокаций друг с другом или с препятствиями (неметаллическими включениями, карбидами). При высоких рабочих температурах вакансии имеют возможность перемещаться вследствие теплового движения атомов. Они хаотически перемещаются из узла в узел так же, как и атомы металла.

Когда к металлу приложено напряжение, вакансии и дислокации начинают перемещаться направленно и образуют скопления около дефектов обработки поверхности, по границам зерен, около микродефектов структуры. Постепенно в этих местах вакансий и дислокаций становится так много, что образуется микро-трещина, которая в дальнейшем является концентратором напряжений и разрастается. В результате происходит разрушение.

Накопление повреждаемости стали в процессе ползучести до определенной стадии является обратимым. Если в металле не образовались микротрещины, то повреждаемость типа колоний вакансий может быть устранена нормализацией или нормализацией с отпуском. Восстановительная термическая обработка может принести большую пользу, например при восстановлении паропроводных труб, отработавших расчетный срок службы. Но пока она изучена еще недостаточно.

Предел длительной прочности зависит от температуры.

Основными способами повышения предела длительной прочности стали является рациональное легирование и применение оптимальных режимов термической обработки.

Рассмотрим назначение отдельных элементов, вводимых в жаропрочные и жаростойкие стали.

Молибден вводится в состав жаропрочных сталей только с целью повышения жаропрочности; на жаростойкость он не влияет. В сталях перлитного класса содержится 0,20—0,60% Мо. Это Дорогой и дефицитный легирующий элемент.

Хром в количестве 0,5—2,5% вводят в низколегированные котельные стали для повышения устойчивости карбидов (против графитизации) и окалиностойкости. Хром повышает прокаливаемость. Это важно для турбинных и крепежных сталей, которые не сваривают. В котельных же сталях повышенная прокаливаемость, вследствие добавки хрома способствует образованию трещин в сварных швах. Сварка этих сталей в ряде случаев требует предварительного и сопутствующего подогревов, а также последующей термической обработки для получения стабильной структуры. Хром не дорог и не дефицитен.

Стали с большим содержанием хрома (более 12%) при очень малом содержании углерода в отличие от углеродистых и низко-легированных сталей при нагреве вплоть до температуры плавления не изменяют своей ферритной структуры, так как хром делает устойчивой объёмно-центрированную решетку ос-железа.

Такие стали относятся к ферритному классу. Для измельчения зерна они не могут быть подвергнуты перекристаллизации. При работе конструкций, изготовленных из этих сталей, в условиях очень высоких температур наблюдается интенсивный рост зерь в результате чего снижаются пластичность и способность воспринимать динамические нагрузки. Первоначальные механические свойства не могут быть установлены термической обработкой. Стали ферритного класса нельзя закалить на мартенсит.

Никель в количестве не менее 9% вводят в жаропрочные стали для получения аустенитной структуры. Обычно вместе с никелем вводят хром. Никель — дорогой и дефицитный легирующий элемент. Для стабилизации структуры и снижения склонности к межкристаллитной коррозии в аустенитные стали вводят титан и ниобия, которые связывают практически весь углерод в тугоплавкие карбиды. Избыточное содержание титана и ниобия приводит к образованию интерметаллических соединений и, как следствие к охрупчиванию стали.

Ванадий способствует повышению прочности в условиях длительной эксплуатации при высоких температурах. Он измельчая зерно стали и образует очень устойчивые карбиды. Присадка ванадия более 0,2—0,4% снижает жаростойкость.

Кремний и алюминий обычно вводят совместно или раздельно для повышения жаростойкости хромистых сталей. На поверхности детали образуется очень прочная пленка сложного окисла железа, хрома, кремния и алюминия, обладающая хорошими защитными свойствами.

Бор вводят в сталь в очень небольшом количестве для повышения прочности при высоких температурах. Присадка бора ухудшает свариваемость сталей.

Титан и ниобий в малоуглеродистых сталях снижают склонность к подкалке, так как связывают углерод в труднорастворимые карбиды. Тем самым они понижают содержание углерода в аустените.

Основной способ увеличения сопротивления ползучести и придела длительной прочности сталей — легирование. Углеродистые стали эксплуатируют при температурах до 450—475° С. При боле высоких температурах сопротивление ползучести и длительная прочность углеродистых сталей резко снижаются, поэтому следует применять легированные стали.

Для пароперегревателей, паропроводов и камер широко используют хромомолибденованадиевую сталь 12Х1МФ. Из нее изготовляют трубы с рабочей температурой стенки до 570—585° С. В период внедрения стали 12Х1МФ значительные неприятности доставляли частые случаи выпада ударной вязкости металла паропроводных труб ниже требований МРТУ 14-4-21—67 50 дж/см2 (5 кГ-м/см2). После корректировки режима термической обработки брак по ударной вязкости сильно сократился. Но отдельные случаи снижения ударной вязкости ниже нормы в некоторых плавках этой стали встречаются и в настоящее время, так как отдельные плавки стали 12Х1МФ склонны к отпускной хрупкости после нагрева в интервале 600—650° С. Низкая ударная вязкость может быть исправлена высоким отпуском с последующим охлаждением на воздухе.

Паропроводы и коллекторы, работающие при 570—575° С, изготавливают из стали 15Х1М1Ф. Она немного дороже стали 12Х1МФ, содержит больше дефицитного молибдена, но обладает несколько большей жаропрочностью. На свойствах стали 15Х1М1Ф меньше сказывается скорость охлаждения. Если для обеспечения высокой жаропрочности труб с толщиной стенки более 45 мм из стали 12Х1МФ необходима закалка, то толстостенные трубы из стали 15Х1М1Ф имеют высокую жаропрочность при охлаждении на воздухе после нагрева выше Ас3.

Перлитные стали для дисков и роторов паровых турбин содержат больше углерода, чем стали для труб. Для них важна высокая прокаливаемость, которая достигается при относительно высоком содержании углерода. Рассмотрим здесь две стали для дисков и роторов: 25Х1М1Ф (Р2) и 20ХЗМВФ (ЭИ415).

Сталь 25Х1М1Ф — конструкционная хромомолибденованадиевая. Ее применяют для изготовления дисков и роторов, работающих при температуре до 540° С. Она обладает высокой жаропрочностью. Крупные поковки из этой стали имеют оптимальные механические свойства после двойной нормализации с высоким отпуском: первую нормализацию проводят от температуры 970— 990° С с последующим отпуском при 710—730° С; вторую — от 930—950° С с последующим отпуском при 690—700° С. Длительность отпуска от 2 до 3 ч.

Сталь 20ХЗМВФ — сложнолегированная. Она содержит хром, молибден, вольфрам и ванадий. Эта самая жаропрочная перлитная сталь. Предназначена для работы при 550—560° С в течение 100 000 ч. Рекомендуемый режим термической обработки: отжиг при 950—960° С с последующей закалкой от 1020—1050° С и отпуском при 680—700° С длительностью от 2 до 3 ч. Прокаливается насквозь в сечениях до 900 мм. Для сварки стали 20ХЗМВФ Разработаны электроды ЦЛЗО.

Низколегированные стали для котлов и турбин, содержащие незначительное количество легирующих элементов, имеют такую же структуру, как малоуглеродистые стали: феррит с перлитом. Однако этот перлит отличается по структуре от перлита обычных малоуглеродистых сталей. Эти стали относятся к перлитному классу. Их аустенит не очень устойчив и при охлаждении на воздухе распадается с образованием ферритокарбидной смеси — перлита. В качестве примера можно привести стали 15ХМ, 12МХ и 12Х1МФ.

При комнатной температуре наибольшей прочностью обладает закаленная и низкоотпущенная сталь. Но при высоких температурах такая нестабильная структура приводит к значительной деформации деталей и быстрому разрушению. Отпуск мартенсита и коагуляция карбидов при высоких температурах под напряжением приводят к ускорению ползучести и подготавливают разрушение. Поэтому стремятся к тому, чтобы в деталях котлов и турбин структура была стабильной.

Величина зерна стали также влияет на сопротивление ползучести и предел длительной прочности. Как правило, при температурах не выше 350° С стали с мелкозернистой структурой имеют лучший комплекс механических свойств, чем крупнозернистая сталь того же химического состава. Все легирующие элементы, кроме марганца, способствуют измельчению зерна. При высокой температуре крупнозернистая сталь лучше сопротивляется ползучести и имеет более высокий предел длительной прочности. Причем у каждой стали при данной температуре существует свой оптимальный размер зерна.