В зависимости от содержания хрома в сплаве

Хромистые стали с 4-6 % Сг считаются полужаростойкими. Вслед­ствие своей доступности и повышенной, по сравнению с углероди­стыми сталями, коррозионной устойчивостью они широко применя­ются для изготовления крекинг-установок, котлов паронагревателей. Отдельные марки этого типа сплавов, содержащие присадки Мо и V, обладают повышенной устойчивостью к водородной коррозии и применяются в установках для синтеза аммиака. В атмосфере топоч­ных газов с содержанием в них сернистых соединений эти сплавы могут работать при температурах 500-600 °С.

Добавление к хромистым сплавам молибдена (1-1,5 %), а также Ni и Ti повышает их жаропрочность, т.е. возможность работать в нагруженном состоянии при высоких температурах. Это является очень важным фактором, так как простые хромистые стали, обладая высокой жаростойкостью, имеют низкую жаропрочность (таблица 1.4).

Сильхромы — это железные сплавы, легированные хромом и кремнием. При добавлении кремния к хромистым сталям их жаростойкость и жаропрочность значительно повышаются [4].

Сильхромы с малым содержанием углерода (до 0,25 %) приме­няются реже из-за сравнительно невысокой жаропрочности. Если содержание хрома в сплаве более 20 %, то добавочное легирование кремнием не дает заметного эффекта. Наибольшее применение на­шли сильхромы с содержанием углерода 0,3-0,5 %.

Сильхромы широко применяются в химической промышленно­сти для установок, работа которых протекает при повышенных тем­пературах и сопровождается высокими требованиями к жаропроч­ности материалов. Это, например, рекуператоры, теплообменники, пароперегреватели, колосниковые решетки и т.д.

Хромали и фехрали — это хромистые стали дополнительно леги­рованные алюминием. Их состав:

хромали — (15-30%) Сг; (1-7%) А1; до 1 % Si; до 0,25 % С

фехрали — (4-14 %) Сг; (1-7 %) А1; до 1 % Si; до 0,25 % С

Таким образом хромали характеризуются более высоким содер­жанием хрома. Примесь алюминия более эффективно повышает жа­ростойкость железного сплава, чем добавка хрома (рисунок 1.10). Же­лезный сплав с 7-10% А1 (без хрома) уже устойчив к окислению на воздухе при температурах до 1100-1200 °С, приближаясь по жаро­стойкости к нихрому с 80 % Ni и 20 % Сг.

Как видно из рисунка 1.10 сильное снижение скорости газовой корро­зии на воздухе при 1200°С для системы Fe-Cr наблюдается при 30 % Сг, в то время как в системе Fe-Al — при 8 % А1. Однако железоалюминиевые сплавы очень хрупки, плохо куются и не технологичны.

В химической промышленности сплавы на основе железо-хром- алюминий нашли широкое применение и служат заменителями ни­хрома. Это одни их самых жаростойких сплавов. Хромаль стоек до 1200°С, фехраль, более дешевый — до 1000°С. Оба сплава хорошо противостоят разрушению в окислительной атмосфере, менее стой­ки в восстановительной атмосфере (Н₂, СО, Н₂О) и неустойчивы в газовой среде, содержащей хлор [4].

Добавка вольфрама до 1-3 % повышает жаропрочность, жаростойкость сохраняется до 900 °С. Дополнительное легиро­вание кобальтом повышает жа­ропрочность без снижения жа­ростойкости. Сплав канталъ (со­став: 30% Сг, 5% А1, 3% Со, (0,2-0,8)% С, остальное — же­лезо) имеет максимальную тем­пературу длительной эксплуата­ции— 1250 °С.

Рисунок 1.10 - Зависимость скорости окис­ления сплавов Fe-Cr и Fe—AI на возду­хе при 1200 °С от содержания в сплаве легирующего компонента

Хромоникелевые стали соче­тают высокую пластичность и вязкость с достаточной прочностью и коррозионной стойкостью при повышенных температурах и хорошей свариваемостью. Хромистые и хромоникелевые сплавы можно сочетать в одной конструкции.

Наибольшее распространение из хромоникелевых сталей полу­чили сплавы с содержанием 18 % Сг и 8-9 % Ni. Сопротивление га­зовой коррозии удовлетворительное до 800-900 °С. Их используют для изготовления печной арматуры, труб, теплообменников, рото­ров электронагревателей (марки 08Х18Н10,12Х18Н9, 08Х18Н10Т и др.).

В условиях работы с большой ударной нагрузкой эти сплавы должны содержать углерода не выше 0,1 %, а с более высоким леги­рованием по Сг и Ni — не более 0,15 %. Если необходимо обеспе­чить только повышенное сопротивление окислению, то допускается содержание углерода до 0,5 %. В газовых средах, содержащих серни­стые соединения, хромоникелевые сплавы неустойчивы и уже при 400 °С заметно окисляются.

Железные сплавы с содержанием 23% Сг и (13-18)% Ni жа­ростойки при температуре 1100°С. Представителями этого класса сталей являются 20Х23Н13 (22-25 % Сг и 12-15 % Ni) и 20Х23Н18 (22-25% Сг и 17-20% Ni). Содержание углерода до 0,20-0,25%. Для получения повышенной коррозионной стойкости этих сталей отношение процентного содержания углерода к хрому не должно превышать 0,01. Обе марки являются жаропрочными и жаростойки­ми аустенитными сталями и применяются в наиболее ответственных случаях.

Дополнительное введение кремния в количестве 2-3 % еще боль­ше увеличивает сопротивляемость окислению при повышенных тем­пературах. Состав двух марок этого типа сталей приведен ниже:

· 20Х20Н14С2 — (19-22)% Сг; (12-15)% Ni; 2,3 % Si; С≤ 0,2%; Мn≤1,5%,

· 20Х25Н20С2 — (23-27)% Сг; (18-21)% Ni; 2,3% Si; С≤0,2%; Мn≤1,5%.

Сталь 20Х20Н14С2 применяется для изготовления котлов, нефте­очистительной аппаратуры. Сталь 20Х25Н20С2 используется в хи­мическом машиностроении для изготовления деталей, работающих в агрессивных средах и при повышенных температурах в нагружен­ном состоянии: печные конвейеры, крепежные соединения, ящики для цементации.

Введение в сплавы дополнительно вольфрама повышает сопро­тивление ползучести (марка 45Х14Н14В2М).

Введение марганца повышает устойчивость к высокотемпера­турному окислению в средах, содержащих сернистые соединения, до 900 °С.

К жаростойким чугунам относятся хромистые, никелевые, алю­миниевые и кремнистые чугуны.

Хромистые чугуны приобретают коррозионную стойкость только при условии содержания хрома в твердом растворе в количестве, до­статочном для достижения устойчивости по правилу Таммана. Пер­вый порог устойчивости соответствует содержанию 11,7 масс.% Сг. Первоначально хром вступает в реакцию с углеродом, содержащемся в чугуне, и образует карбиды типа Сr₇С₃. При этом 1 % С связывает около 10 % Сг, что вызывает сильное обеднение твердого раствора хромом. Основные марки хромистых чугунов Х28 и Х34 содержат (26-30)% Сг и (32-36)% Сг соответственно. Хромистые чугуны хо­рошо сопротивляются механическому износу, прочны на изгиб и растяжение, обладают удовлетворительными литейными свойства­ми. Они устойчивы к газовой коррозии до температуры 1100°С, жаропрочность до 600 °С. Из них готовят печную арматуру, части барабанных сушилок, плавильные горшки, реакторы, автоклавы [5].

Никелевые чугуны — СЧЩ-1 и СЧЩ-2 — устойчивы к воздей­ствию расплавов щелочей. Чем больше содержится в чугуне никеля, тем выше его стойкость. Никелевые чугуны жаропрочны и жаро­стойки.

Никеле-хромо-кремнистый чугун — нихросилаль — имеет состав: 1,8-3,0% Сг, 13-20% Ni, 5-7% Si, 1,7-2,0% С и 0,6-0,8% Мn. Он характеризуется повышенной жаростойкостью, жаропрочностью и вязкостью.

Никеле-медно-кремнистый чугун — нирезист — отвечает соста­ву: 2-4% Сг, 11-16% Ni, 1,5-2,5% Si, 2,8% С, 6-7% Си и 2% Мn. Он жаростоек до 600 °С и жаропрочен до 550 °С. Применяется при повышенных нагрузках.

Алюминиевые чугуны жаростойки. Чугун марки «Чуголь» имеет состав: 5,5-7,0% А1, 1,0-2,3% Si, 2,5-3,2% С и 0,6-0,8% Мn. Он имеет хорошую жаростойкость — 900 °С, но пониженную жаропроч­ность — 400 °С. Применяется при малых механических нагрузках, но высоких температурах. Из алюминиевых чугунов готовят тигли для расплавленных солей, цементационные ящики.

Кремнистые сплавы — ферросилиды — содержат до 14-18% кремния и до 0,4-0,8 % углерода. Они обладают низкими прочност­ными свойствами, высокой твердостью и хрупкостью, чувствитель­ны к перепадам температур. Изделия из таких сплавов получают обычно методом литья.

Кремнистый чугун — силаль (С-21-40) состава: 5-10% Si, 2,4- 2,5 % С, 0,5-0,6 % Мn является доступным жаростойким (до 850 °С) и достаточно жаропрочным материалом. Он используется для изго­товления колосников и деталей печной аппаратуры [5].