Жаростойкие стали
Жаростойкостью или окалиностойкостью называется способность металла сопротивляться химической коррозии в сухой газовой среде при высоких температурах.
Железо при взаимодействии с кислородом может образовать оксиды трех видов: FeO, Fe3O4, Fe2O3. До 560 – 600оС окалина состоит преимущественно из плотного слоя оксидов Fe2O3 и Fe3O4, что затрудняет диффузию атомов кислорода и металла. Выше 600оС происходит растрескивание этих оксидов и вместо них защита металла осуществляется лишь рыхлым оксидом FeO, что облегчает доступ кислорода к поверхности металла. Нагрев более 600оС приводит к интенсивному окислению сплавов на основе железа.
Основным фактором, влияющим на жаростойкость, является химический состав металла, определяющий защитные свойства оксидной пленки. В таблице 5.1 приведена сравнительная оценка жаростойкости ряда чистых металлов, определенная по 5-бальной шкале скорости окисления в воздушной среде в интервале рабочих температур.
Рыхлый оксид магния практически не защищает металл при нагреве. Магний не только быстро окисляется, но и легко воспламеняется при нагреве, благодаря чему используется в пиротехнике.
Оксиды металлов второй группы при нагреве разрушаются как за счет сублимации в случае Мо и W, так и благодаря растворению в металле входящего в них кислорода (Ti, Zr).
При повышении температуры сверх определенного предела возрастает дефектность оксидов металлов третьей группы. Для технического железа предельная рабочая температура нагрева в воздушной среде составляет 560оС.
Металлы четвертой группы, благодаря плотной оксидной пленке с высокими защитными свойствами при нагреве, имеют хорошую жаростойкость. Поэтому хром и алюминий, наряду с кремнием, широко используют для повышения жаростойкости легированных сталей. Для достижения высокой жаростойкости стали оксид легирующего элемента должен быть плотным, не подверженным растрескиванию при нагреве, иметь высокие температуры сублимации и плавления.
Учитывая, что высокое содержание алюминия и кремния способствует охрупчиванию и ухудшает технологическую пластичность при обработке давлением, основным легирующим элементом в жаростойких сталях является хром. Жаростойкие свойства растут с увеличением его содержания в стали. Сталь, содержащая 5 % Cr, сохраняет окалиностойкость до 600оС (15X5), 9 % (40Х9С2) – до 800оС, 17 % (08X17Т) – до 900оС. Хромистые марки сталей относятся к сталям ферритного класса.
Для изготовления деталей печного оборудования применяют стали 20Х23Н18, 20Х25Н20С2, имеющие окалиностойкость до 1100оС. Эти марки относятся к аустенитному классу и характеризуются не только высокой жаростойкостью, но и высокой жаропрочностью. Хотя уровень жаростойкости стали и ее максимальная рабочая температура в основном определяются содержанием хрома, повышение температуры эксплуатации обусловливает одновременный рост концентрации никеля, что связано с необходимостью стабилизации аустенитной структуры.