Глава 11 ЛЕГИРОВАННЫЕ ТЕПЛОСТОЙКИЕ СТАЛИ

Назад: 10.2 Особенности сварки

11.1 Общая характеристика сталей

Теплостойкими или теплоустойчивыми называют стали, работающие при температурах до Т_эксп = 500...580 ⁰С в течение t = 10⁴...10⁶ ч. По степени легирования к теплоустойчивым сталям относятся низко- и среднелегированные перлитные стали, а также 5...13 % хромистые мартенситные и мартенситно-ферритные стали. Содержание углерода в этих сталях составляет 0,08...0,17 %. В соответствии с условиями эксплуатации теплоустойчивые стали должны обладать сопротивлением ползучести, длительной прочностью и жаростойкостью. Стабильность перечисленных свойств в указанном интервале температур достигается путем легирования сталей хромом (0,5...2,0 %), молибденом (0,2...1,0 %), ванадием (0,1...0,3 %), добавками W, Ti, Si и соответствующей термообработкой (улучшением).

Известны два направления достижения требуемого уровня теплостойкости.

Первый путь – обеспечение длительной прочности за счет структурного упрочнения твердого раствора хромом и молибденом, что увеличивает температуру рекристаллизации железоуглеродистого сплава и снижает интенсивность диффузионных процессов (разупрочнение) при высокотемпературной эксплуатации. Кроме того, в процессе длительной эксплуатации при Т = 450...600 ⁰С молибден образует с железом интерметаллид Fe₂Mo (фазу Лавеса), что также повышает длительную прочность стали, за счет дисперсионного твердения, т.е. созданием по границам зерен препятствий для движения дислокации. Оптимальным содержанием Мо в стали считается 0,4...1,3 %.

Второй путь структурного упрочнения стали – это введение в сталь карбидообразующих – ванадия и ниобия. Эти элементы, находясь в металле в виде высокодисперсных карбидов VС и NbC, растворенных в зернах, также повышают длительную прочность стали. Поэтому теплоустойчивые стали с карбидным упрочнением (содержащие Nb и V) подвергают полной термической обработке: закалке на мартенсит и высокому отпуску. Во время последнего и образуются мелкодисперсные карбиды VC и NbC. Однако длительная эксплуатация изделий при Т = 550...600 ⁰С приводит к коагуляции этих карбидов и их концентрации по границам зерен, что ведет к межзеренному разрушению (охрупчиванию) и снижению теплостойкости сталей. Поэтому для сварных конструкций предпочтительным является первый путь структурного упрочнения стали, так как он позволяет получать более пластичный металл по сравнению с карбидным упрочнением и обеспечивает большую стабильность структуры в процессе длительной эксплуатации.

Разработаны и используется большое число марок сталей, в которых для упрочнения применяются оба указанных механизма. Теплостойкие стали используются для изготовления сварных узлов парогенераторов, трубопроводных систем энергетических и нефтехимических установок, атомных реакторов и т.д. Наиболее известными являются марки сталей 12ХМ, 12МХ, 15ХМ, 20ХМЛ (Т_раб = 450...550 ⁰С) и 12Х1МФ, 15Х1МФ,20ХМФЛ, 12Х2МФЛ и др. (Т_раб = 550...580 ⁰С). Химический состав и свойства сталей регламентированы ГОСТ 20072-74 и указаны в литературе [12,16]. Оптимальные механические свойства и их стабильность в течение 100000 ч (10 лет) обеспечиваются структурой перлита, получаемой после закалки (нормализации) с последующим высоким отпуском.

Далее: 11.2 Характеристика свариваемости и рекомендации по сварке.