Влияние легирующих элементов на жаростойкость

Сопротивление окисляемости стали (жаростойкость), пред-назначенной для деталей стационарной паровой турбины, работающих длительное время в условиях высокой температуры, имеет большое значение и является важнейшей характеристикой материала. Высокие антикоррозионные свойства 12%-нон

• хромистой стали хорошо известны.

Для повышения жаропрочных свойств сталь этого класса легируют молибденом, вольфрамом, ниобием и др. В связи с этим представляют значительный интерес данные о влиянии указанных элементов на жаростойкость.

Литературных данных о влиянии легирующих элементов на скорость коррозии 12%-ной хромистой стали в паровой и воз-душной средах очень мало. Чаще всего исследования проводи-лись при очень высоких температурах (900 °С и выше) и малой длительности испытаний (не более 100 часов). Однако наибольший практический интерес представляют данные длительных испытаний, полученные при температурах, близких к рабочим, т. е. в интервале 570—650 °С. Результаты исследований часто противоречивы. По литературным данным, из исследованных легирующих элементов только титан оказывает положительное влияние на окалиностойкость 12%-ной хромистой стали при содержании его 0,3—0,5%. Относительно других элементов вопрос оставался неясным.

Технология изготовления лабораторных плавок опытных сплавов и режим термической обработки (закалка с высоким отпуском) описаны выше. В ЦНИИТМАШе испытания на жаростойкость проводили на металле лабораторных и промышленных плавок при 650 °С в атмосфере воздуха муфельной электропечи. Длительность испытания составляла 500 час. Степень жаростойкости оценивали по приросту веса образцов. Размер и методика подготовки образцов к испытаниям соответствовали требованиям ГОСТ 6130-52.

Результаты испытаний 12%-ной хромистой стали с различным содержанием вольфрама в среде перегретого пара при 570 °С свидетельствуют о том, что в первые 500 час. окисление стали с большим содержанием вольфрама протекает интенсивнее. Однако потерн металла за счет окисления в период 500— 1000 час. для металла с различным содержанием вольфрама близки между собой.

Средняя величина потери металла

разница в скорости коррозии для этих сталей

Более широкие и длительные испытания, проведенные на металле промышленных плавок стали марок вольфрама ЭИ756 и ЭИ757 при 610 °С, подтвердили отрицательное влияние вольфрама на жаростойкость 12%-ной хромистой стали только в первые 500 час. При увеличении длительности испытания скорость окисления стали ЭИ757 непрерывно уменьшается, а для стали ЭИ756 она практически остается на одном уровне. Это приводит к тому, что различие в скорости коррозии 12%-ных хромистых сталей с 4 и 2% W непрерывно уменьшается.

Средняя величина потери металла за последние 500 час. для стали ЭИ756 составила 2,65 мг/см2, для стали ЭИ757—2,7 мг/см2, разница в скорости коррозии для этих сталей в интервале испытания 1000—1500 час. находится в пределах точности эксперимента.

Отсюда следует, что для оценки влияния легирующих эле-ментов на жаростойкость стали необходимо проводить достаточно длительные испытания.

Проведение длительных испытаний особенно необходимо для материалов деталей стационарных паровых турбин, срок службы которых составляет не менее 100 000 час. В этих условиях особо важное значение приобретает скорость коррозии на длительном этапе испытаний. При недостаточной длительности испытаний (менее 1000—2000 час.) для таких материалов, как сталь ЭИ757, будут получены завышенные скорости коррозии.

Можно считать, что в условиях длительной работы при 610 °С исследуемые стали имеют одинаковую жаростойкость, разница в потере металла за первый сравнительно короткий период службы окажется несущественной.

При выяснении причин, приводящих к резкому снижению ско-рости коррозии стали ЭИ757 с увеличением длительности испытаний, была сделана попытка связать это явление с изменением содержания химически свободного вольфрама и других элементов в стали.

резкое увеличение содержания вольфрама

в электролитическом осадке, а следовательно, уменьшение количества

Результаты химического анализа электролитического осадка после различной выдержки при 600 °С. Из этих данных видно, что длительность выдержки особенно сказывается на содержании вольфрама, молибдена и железа в электролитическом осадке. Количество других легирующих элементов меняется в меньшей степени (Сг) или остается практически без изменения (V).

Наиболее резкое увеличение содержания вольфрама в электролитическом осадке, а следовательно, уменьшение количества этого элемента в твердом растворе наблюдается в первые 500 час. выдержки. За 1000 час. содержание в стали химически свободного вольфрама уменьшается до 1,8%. Поэтому понижение интенсивности окисления стали ЭИ757 в процессе длительной выдержки должно в какой-то мере происходить за счет снижения содержания в стали химически свободного вольфрама.

Для оценки влияния этого фактора на характер окисления на сталях ЭИ756 (2% W) и ЭИ757 (4% W) проведены дополнительные исследования. Испытывали две партии образцов, одна 104 из которых подвергалась испытанию в термически обработанном состоянии, а другая перед испытаниями на жаростойкость была выдержана при 750 °С в течение 300 час. для обеспечения образования вторичных фаз в стали и, следовательно, снижения количества вольфрама в твердом растворе. Испытания проводили при 600 °С в среде перегретого пара; длительность испытания— 2000 час. Из результатов эксперимента видно, что предварительная тепловая выдержка приводит к резкому снижению окисляемости исследованных материалов в первый период испытания длительностью около 500 час. и не оказывает заметного влияния на поведение металла в последующие этапы испытания.

испарения одного из составляющих окислов

пленка окислов будет рыхлая и осыпающаяся

В стали с большим содержанием вольфрама (ЭИ757) эффект тепловой выдержки, как и следовало ожидать, выражен в большей степени, что приводит практически к выравниванию антикоррозийных свойств исследованных сталей. Эти данные хорошо подтверждаются внешним видом образца. Состаренные образцы стали ЭИ757 имеют плотную окисную пленку и по внешнему виду не отличаются от образцов стали ЭИ756 с меньшим содержанием вольфрама. Образцы стали ЭИ757, подвергнутые испытанию без предварительной выдержки, имеют наружную отслаивающуюся тонкую пленку, которая образовалась за счет более интенсивного окисления в первые 500 час. Известно, что вольфрам, окисляясь при высоких температурах, в соединении с кислородом образует летучую триокись вольфрама W03, а при наличии паров воды летучие гидраты окисей.

Вследствие испарения одного из составляющих окислов, в данном случае — вольфрама, пленка окислов будет рыхлая и осыпающаяся. Хотя в испытанных сталях марок ЭИ756 и ЭИ757 содержание вольфрама не столь велико, этот процесс в какой-то мере все же происходит. При увеличении длительности испытания содержание химически свободного вольфрама уменьшается и под рыхлым слоем образуется плотная пленка окислов типа хромовой шпинели (FeCr204), обладающая защитными свойствами и тормозящая развитие диффузионных процессов в течение длительного времени.

Таким образом, можно считать экспериментально установленным тот факт, что повышенная окисляемость хромистой стали с содержанием до 4,0% W является временным явлением и связана со значительным содержанием этого элемента в твердом растворе. По мере увеличения длительности испытания (работы) содержание вольфрама в твердом растворе уменьшается и сталь приобретает высокие антикоррозионные свойства, присущие 12%-ной хромистой стали. Следовательно, содержание в хромистых сталях вольфрама, который является эффективным упрочняющим элементом, можно увеличивать до 4,0%, не опасаясь существенного снижения жаростойкости в процессе длительной работы в интервале температур 580—650 °С.