Отливки из коррозионно-стойких сталей

Высоколегированные хромистые, хромоникелевые и никельхромистые стали часто (для улучшения их свойств и экономии дефицитного никеля) дополнительно легируют Mo, V, Mn, Cu, Ti, N, В, W. Химические свойства металлов зависят от их сродства к кислороду и способности пассивироваться.

Хром сообщает высоколегированным сталям свойство пассивироваться в окислительных средах. Повышение коррозионной стойкости стали при легировании хромом происходит скачкообразно при концентрации хрома в феррите 1/8 моля (11,7%). Дальнейшее заметное повышение коррозионной стойкости отмечается при содержании в феррите 2/8, 3/8 и т. д. моля хрома (что соответствует 23,4 и 35,1 %). При таких концентрациях хрома электродный потенциал повышается скачкообразно, резко меняются химические свойства сплава, и на поверхности стали вместо рыхлого слоя оксидов железа появляется плотная тонкая пленка оксидов хрома. Эта пленка и обеспечивает высокую коррозионную стойкость хромосодержащих сталей в окислительных средах.

Никель имеет более высокий электродный потенциал, т. е. меньшее сродство к кислороду, чем железо. При сплавлении никеля с железом кислотостойкость передается сплаву.

На основании изложенного выше, а также с учетом требований, предъявляемых к структуре, механическим свойствам, условиям производства, выбирают оптимальный состав стали. Минимальное общее содержание основного легирующего элемента (хрома) в стали назначают с учетом концентрации углерода и возможности образования карбидной фазы (Cr, Fe)7C3 или (Cr, Fe)4C. По ГОСТ 2176 отливки из коррозионно-стойких сталей подразделяют по структуре на шесть классов.

Стали мартенситного класса (20Х13Л, 10Х14НДЛ, 09Х16Н4БЛ, 09Х17Н3СЛ и др.) применяют для изготовления отливок, работающих в малоагрессивной среде и одновременно в условиях умеренных ударных и статических нагрузок (детали повышенной прочности для авиационной, химической и других отраслей промышленности, литые детали турбин с рабочей температурой до 600 °С).

Сталь мартенситно-ферритного класса (15Х13Л) обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и пресной воде. Из нее можно изготовлять отливки, подверженные ударным нагрузкам.

Сталь ферритного класса (15Х25ТЛ) является кислотостойкой и одновременно жаростойкой, предназначена для производства отливок химического машиностроения, не подвергающихся большим механическим нагрузкам. Низкие механические свойства обусловлены крупнозернистой структурой, а повышение концентрации хрома в феррите снижает пластичность последнего.

Стали аустенитного класса (07Х18Н9Л, 10Х18Н9Л, 12Х18Н9ТЛ, 10Х18Н11БЛ, 12Х18Н12М3ТЛ, 10Х17Н10Г4МБЛ) обладают максимальной коррозионной стойкостью. Аустенитная хромоникелевая сталь является кислотостойкой и применяется для изготовления различной арматуры в химической промышленности, коллекторов выхлопных систем, печной арматуры, работающей в среде агрессивных газов, деталей паровых и газовых турбин и т. д. Аустенитная структура стали, содержащей 18 % Cr, получается при введении не менее 8 % Ni. Иногда часть никеля может быть заменена другими, менее дефицитными аустеннтизирующими элементами, например, азотом, марганцем.

Предельное равновесное количество углеродов, растворимое в аустените хромоникелевой коррозионно-стойкой стали, составляет 0,02—0,03 %.  Избыточный углерод может быть переведен в твердый раствор при закалке (1000—1050 °С). Для предотвращения выделения карбидов хрома сталь стабилизируют сильными карбидообразующими элементами (Ti, Та или Nb). Хром в этом случае полностью остается в твердом растворе, а сопротивляемость межкристаллитной коррозии возрастает.

Стали аустенитно-мартенситного класса (08Х14Н7МЛ, 14Х18Н4Г4Л) применяются как коррозионно-стойкие для деталей, работающих при нормальных и низких температурах, и рекомендуются для замены стали 10Х18Н9Л в целях экономии никеля.

Стали аустенитно-ферритного класса (12Х25Н5ТМФЛ, 16Х18Н12С4ТЮЛ) имеют структуру, состоящую из зерен феррита, окаймленного аустенитом, что обусловливает высокие прочностные свойства, удовлетворительную пластичность после соответствующей термической обработки. Эти стали, обладающие одновременно кислотостойкостью и жаростойкостью при температурах 600—1000 ºС, используют для изготовления деталей химического оборудования, оборудования нефтеперегонных заводов, лопаток компрессоров и других деталей.

Большая часть сталей приведенных марок является одновременно коррозионно-стойкой и жаростойкой. Жаростойкость, как и коррозионная стойкость, определяется главным образом прочностью и плотностью, образуемой на поверхности изделия оксидной пленки.

Гораздо меньше сталей являются жаропрочными, т. е. способными сопротивляться пластической деформации и разрушению при температурах выше 550 °С. Более высокой жаропрочностью обладают сплавы, соответствующие по составу насыщенному твердому раствору, способному к дисперсионному твердению. В результате дисперсионного твердения выделяющиеся по границам зерен мелкие интерметаллические и карбидные фазы замедляют диффузионные процессы и затрудняют сдвиг кристаллов относительно друг друга.

Максимальной жаропрочностью обладают сложнолегированные стали, в которых твердый раствор имеет высокие температуры плавления и рекристаллизации, а дополнительные элементы образуют мелкодисперсные фазы внедрения или вызывают дисперсионное твердение за счет частичного распада твердого раствора.

Выплавка высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталей осуществляется в печах с основной футеровкой (преимущественно дуговых и индукционных). В дуговых печах сталь получают как из свежей шихты с окислением, так и методом переплава, а в индукционных печах только вторым методом. Основные технико-экономические проблемы, связанные с подготовкой качественного литейного расплава, заключаются в предупреждении чрезмерного угара хрома и других легирующих элементов; получении в стали возможно низкой концентрации углерода (0,02—0,03 %) при использовании дешевых шихтовых материалов, рафинировании стали от неметаллических включений и газов. Технологию выплавки стали из свежей шихты с окислением применяют для особо ответственных отливок. По данным Ю. А. Шульте оптимальной является следующая последовательность операций. В завалку вместе с низкоуглеродистым ломом задают руду и известь. После расплавления шихты шлак частично или полностью скачивают и наводят новый. С целью обезуглероживания ванны, дегазации, удаления неметаллических включений в хорошо нагретый металл добавляют руду или продувают его кислородом. После удаления окислительного шлака проводят раскисление ферросилицием, силикохромом, алюминием, наводят восстановительный шлак и в два—четыре приема вводят нагретый низкоуглеродистый феррохром. В процессе расплавления феррохрома шлак раскисляют смесями порошков ферросилиция, алюминия и силикокальция. Титан в виде ферротитана вводят в ванну перед выпуском. Губку или металлические отходы титана присаживают в ковш.

Переплав высоколегированных отходов можно вести как с применением газообразного кислорода, так и без него. Если наличие отходов позволяет получить содержание углерода в ванне по расплавлению на 0,05—0,1 % меньше заданного нижнего предела, то применять кислород не следует (по данным Ф. И. Еднерала). Если состав металла по расплавлению близок к расчетному, то проводят раскисление шлака молотым коксом, ферросилицием и алюминием; легирующие элементы при этом восстанавливаются из оксидов шлака. Чаще применяют технологию, предусматривающую кратковременную продувку ванны газообразным кислородом.

Обезуглероживание высокохромистой ванны базируется на избирательном окислении углерода при высокой температуре в присутствии хрома. Благодаря экзотермическим реакциям продуваемый кислородом металл нагревается значительно быстрее, чем от электрических дуг. Барботаж ванны обеспечивает снижение в стали азота и водорода.

После раскисления силикохромом и ферросилицием состав корректируют присадкой феррохрома и других легирующих элементов, шлак раскисляют порошкообразными смесями алюминия и ферросилиция.

Выплавка экономнолегированных азотосодержащих коррозионно-стойких литейных сталей связана с решением по крайней мере двух проблем: обеспечением стабильного усвоения азота и использованием недефицитных, дешевых материалов и методов. Одним из перспективных решений этих проблем является азотокислородная продувка ванны. Эта технология предусматривает получение в печи полупродукта из легированных отходов и лома, дешевых марок углеродистого феррохрома и его продувку в печи кислородом для снижения концентрации углерода до 0,1 %.

Этот полупродукт, температура которого 1750 °С, сливают в ковш вместе со шлаком и  продувают через пористые пробки последовательно осушенным воздухом и азотом. После раскисления силикокальцием сталь переливают в разливочный ковш.

Выплавленная таким образом экономнолегированная никелем азотосодержащая сталь содержала 0,12—0,16 % азота и обладала более высокими технологическими и служебными свойствами, чем сталь 10Х18Н9ТЛ.

Высоколегированные хромистые и хромоникелевые стали различных марок мало отличаются друг от друга по литейным свойствам, поэтому технологические процессы изготовления отливок имеют много общего. Жидкотекучесть хромистых и хромоникелевых высоколегированных сталей выше, чем углеродистых с соответствующим содержанием углерода. Увеличение жидкотекучести связано с более низкой температурой солидуса (на 50—20 °С) и ликвидуса (на 70—30 °С) легированных сталей по сравнению с углеродистыми сталями. Особенно высокой жидкотекучестью характеризуются экономнолегированные азотосодержащие стали, не стабилизированные титаном. Существенному повышению жидкотекучести способствует продувка стали инертным газом в ковше.  Однако, несмотря на хорошую жидкотекучесть, формы необходимо заливать сталью с большим перегревом и быстро. Увеличение температуры и скорости заливки вызвано склонностью этих сталей к пленообразованию. Наличие плен, состоящих главным образом из оксидов хрома и железа, не только ухудшает условия заполнения полости формы, но может быть причиной резкого снижения качества отливки из-за нарушения ее сплошности и повышенной склонности к пригару. Чтобы предупредить получение плен и включений в отливках со средней толщиной стенок, сталь разливают быстро при 1580—1600 °С. Конструкция литниковой системы, выбор места и способа подвода металла должны обеспечивать его плавное движение, исключать образование встречных потоков.

С целью уменьшения окисления в период заливки и пригара на поверхность формы целесообразно наносить противопригарные покрытия, облицовочные смеси на основе хромистого железняка, хромомагнезита и циркония, проводить разливку в среде аргона, применять фильтровальные устройства в литниковой системе. Особо следует подчеркнуть недопустимость применения углеродосодержащих крепителей и добавок. В этом случае углеродом насыщается поверхностный слой отливки глубиной ~2 мм, содержание углерода в нем достигает 0,3 %, что резко снижает сопротивление межкристаллитной коррозии. Повышенная температура заливки вызывает формирование грубой первичной структуры, которую часто невозможно изменить термической обработкой вследствие отсутствия у ряда сталей фазовых превращений. Измельчение первичного зерна достигается дополнительным легированием и модифицированием стали Mg, N, В, Се, Ti, Zr.

Высокая температура заливаемой стали, пониженная ее теплопроводностью, быстрое заполнение формы способствуют образованию больших (по сравнению с углеродистой сталью) усадочных раковин, что требует увеличения размеров прибылей. В целях уменьшения расхода жидкого металла при производстве отливок из высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталей особенно эффективны дополнительный разогрев металла в прибыли, использование повышенного воздушного и газового давления и др. Большая растворимость газов и трудность их удаления из затвердевающей отливки вследствие повышенной вязкости стали часто являются причинами образования в отливках газовых раковин.

Линейная усадка коррозионно-стойких жаростойких и жаропрочных сталей изменяется в широких пределах в зависимости от их структуры. Максимальную усадку имеют стали аустенитного класса, а минимальную — стали мартенситного класса. Низкая теплопроводность, крупнозернистая структура, недостаточная пластичность и прочность при высоких температурах вызывают повышенную склонность сталей, высоколегированных хромом и никелем, к образованию горячих трещин, поэтому литейная форма должна обладать максимально достижимой податливостью. Хромистые стали почти всех классов (по структуре) склонны к образованию холодных трещин. Причиной этого является повышенная хрупкость из-за наличия карбидов, σ-фазы. Значительно меньше опасность образования холодных трещин в хромосодержащих сталях аустенитного класса из-за низкого предела упругости и сравнительно хорошей пластичности. Многие отливки подвергают различным видам термической обработки, режим которых определяется химическим составом стали и назначением отливки.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector