Перспективные материалы для нефтегазовых объектов (стр. 10 )

Таблица 1.7

Химический состав и пределы длительной прочности σ100 некоторых жаропрочных сталей

Сталь	Содержание элементов, %	σ100, МПа, при температуре, °С	Рабочая температура, °С; назначение
С	Сr	Ni	Si	Mn	Другие элементы	600	700	800
Стали с карбидным упрочнением
45Х14Н14В2М	0,4–0,5	13–15	13–15	-	-	2–2,75 W; 0,25–0,4 Мо	220	-	-	До 600; диски газовых турбин, выпускные клапаны.
40Х15Н7Г7Ф2МС	0,38–0,47	14–16	6–8	0,9–1,4	6,0-8,0	1,5–1,9V; 0,65–0,85 Мо	420	240	125	650; корпуса газовых турбин, лопатки, крепежные детали.
37Х12Н8Г8МФБ	0,34–0,4	11,5-13,5	7–9	-	7,5-9,5	1,1-1,4 Мо; 0,25-0,45 Nb; 1,25-1,55V	450	300	150
То же
Стали с интерметаллидным упрочнением
10Х11Н20Т3Р	До 0,1	10–12,5	18–21	-	-	2,3–2,8 Ti; до 0,5 А1; 0,008–0,02 В	-	300	100	500–750; камеры сгорания, кольца соплового аппарaта, сварные детали.
10Х11Н23Т3МР	До 0,1	10–12,5	21–25	-	-	2,5–3 Ti; до 0,8 А1; 1–1,6Мо; 0,08–0,02 В	580	400	200	До 750; диски и лопатки газовых турбин.
Сплавы на железоникелевой основе
ХН35ВТЮ	До 0,08	12–15	33–37	-	-	2,4-3,2 Ti; 2-4 W; 0,7-1,7 А1; 0,02В	600	380	220	650–750; то же и прутки, полосы, поковки.
ХН38ВТ	0,06–0,12	20–23	33–39	-	-	0,7–1,2 Ti; 2,8–3,5 W	-	-	80–90	До 1100; детали из листа, работающего ограниченно при умеренных напряжениях.

Таблица 1.8

Химический состав и механические свойства некоторых жаропрочных никелевых сплавов при температуре 800 °С

Сплав	Содержание элементов1 (основа – никель), %	Механические свойства
Сr	Ti	A1	W	Другие элементы	σв, МПа	, МПа	δ, %
ХН77ТЮР	19–22	2,4–2,8	0,60–1,0	5–7	-	550	200	10
ХН70ВМТЮ	13–16	1,8–2,3	1,7–2,3	5–7	2–4 Мо; 0,1–0,5V	680	230–270	8
ХН55ВМТКЮ	9–12	1,4–2,0	3,6–4,5	4,5–6,5	4–6 Mo; 0,2–0,8 V	850	450	10
ХН65ВМТЮ	15–17	2,0–2,8	1,0-1,5	8,5–10	3,5–4,5 Mo	-	300	-
1 Содержание углерода в сплавах составляет 0,02 – 0,025 %, бора – 0,01 – 0,02 %.

Никелевые сплавы широко применяют в литом виде (табл.1.9).

Литые сплавы получают при литье с обычной равноосной кристаллизацией, направленной кристаллизацией, позволяющей уменьшить роль границ зерен в разрушении (зерна располагаются параллельно приложенному усилию) и при выращивании монокристалла. Направленная кристаллизация и особенно монокристаллическая структура повышают жаропрочность, однако технология получения деталей сильно усложняется. Поэтому они применяются только в особо ответственных случаях. Литейные сплавы иногда подвергают закалке от высоких температур и старению. Применяют сплавы и без термической обработки, тогда старение протекает в процессе эксплуатации при высоких температурах.

Таблица 1.9

Химический состав (по легирующим элементам) и предел длительной прочности литых никелевых сплавов

Сплав	Содержание элементов 1, %	, МПа
Сr	Ti	Al	Mo	другие элементы
ЖСЗ ЖС6К ВЖЛ12У	14–18 10,5-12,5 8,5–10,5	1,6–23 2,5–3,0 5,0–5,7	1,6–22 5,0–6,0 4,2–4,7	3,0–4,0 3,5–4,5 2,7–3,4	4,5-6,5 W 4,5–6,5 W; 4,5 Со 1,0–1,8 W; 12–15 Со; 0,5–1,0 V; 0,015 В	300 520 520
1 Содержание углерода 0,1 - 0,2 %

Никелевые сплавы для повышения их жаростойкости подвергают алитированию.

1.4.5. Тугоплавкие металлы и сплавы

К тугоплавким обычно относят металлы, у которых температура плавления превышает 1700°С.

Наибольшее применение получили металлы VA подгруппы: ванадий, ниобий, тантал - и металлы VIA подгруппы: хром, молибден, вольфрам. Тугоплавкие металлы имеют прочные межатомные связи и отличаются высокими температурами плавления, малым тепловым расширением, небольшой теплопроводностью, повышенной жесткостью.

Однако при высоких температурах все важнейшие тугоплавкие металлы (за исключением хрома) быстро окисляются. Низкая жаростойкость - большой недостаток тугоплавких металлов.

По совокупности технологических свойств тугоплавкие металлы и их сплавы относят к труднообрабатываемым материалам. Все виды горячей обработки затруднены большим сопротивлением пластическому деформированию, недостатком технологической пластичности у ряда металлов и сплавов, опасностью загрязнения примесями внедрения. Во избежание загрязнения нагрев и обработку заготовок проводят в защитных средах или вакууме и применяют для этих целей специальное, более сложное и дорогое, чем обычное оборудование.

Тугоплавкие металлы активно взаимодействуют с примесями внедрения: кислородом, азотом, углеродом, а металлы VA подгруппы - еще и с водородом, с которым они легко образуют гидриды.

Примеси внедрения охрупчивают тугоплавкие металлы с ОЦК решеткой. В металлах технической чистоты допускается несколько сотых процента примесей. Этого достаточно, чтобы металлы VIA подгруппы при 25 °С оказались хрупкими. Температурный порог хладноломкости у вольфрама находится около 300 °С, а у молибдена и хрома - в пределах 90-250 °С в зависимости от марки металла.

Металлы VA подгруппы имеют более высокую растворимость примесей внедрения, поэтому при допустимом уровне примесей технически чистые металлы остаются пластичными и вязкими от 25 °С вплоть до -196 °С. При увеличении содержания примесей охрупчиваются и эти металлы. Так, тантал после нагрева на воздухе при 400-600 °С становится хрупким. Когда содержание примесей внедрения превышает пределы их растворимости, рекристаллизация увеличивает хрупкость металла. Избыток примесей внедрения сверх предела растворимости при рекристаллизации выделяется в виде хрупких прослоек второй фазы по границам зерен. Этот недостаток проявляется у молибдена и вольфрама, имеющих низкую растворимость примесей внедрения, при горячей обработке давлением выше температуры рекристаллизации и при сварке.

Механические свойства тугоплавких металлов зависят от способа производства и содержания примесей. Повышение пластичности вольфрама, молибдена и хрома является актуальной задачей. Добавки титана и циркония, а также редкоземельных металлов используются как основная мера повышения пластичности тугоплавких сплавов. Эти добавки активно соединяются с примесями внедрения и выводят их из твердого раствора. Образовавшиеся частицы соединений вредного влияния на пластичность не оказывают. Легирование молибдена или вольфрама рением резко понижает температуру хрупкости, сплавы вольфрама с рением пластичны при температуре 25 °С. Однако рений - очень дефицитный металл.

Наклеп понижает температуру перехода в хрупкое состояние благодаря изменению тонкой структуры и характера взаимодействия примесей с кристаллической решеткой в наклепанном металле. По сравнению с хрупкими отожженными металлами – молибденом и вольфрамом - высокопрочные наклепанные проволоки и ленты из этих металлов не хрупки и при 25 °С сохраняют пластичность, достаточную для их успешной навивки и гибки при изготовлении изделий.

В табл.1.10 приведены свойства отожженных тугоплавких металлов. Разброс значений вызван изменением содержания примесей и различием в размерах зерен.

Таблица 1.10

Механические свойства тугоплавких металлов

Металл	При 25 °С	При 1100 °С
σв, МПа	σ0,2 , МПа	δ , %	ψ , %	НВ	σв, МПа	σ0,2 , МПа	δ , %
Ванадий	200-220	100-115	25	75	80	60	30	35-40
Ниобий	200-350	120-260	25-50	60-100	50-80	70	57	35-42
Тантал	200-400	180	50-70	95	90- 125	120	57	43
Хром	270	190	0-3	0	90-100	25-85	-	-
Молибден	800-900	420-450	10-15	-	150-170	175	110	70
Вольфрам	600-1100	-	0	0	360-400	235	200	52
Примечания: 1. Значения приведены для металлов технической чистоты в рекристаллизованном состоянии. 2. Механические свойства ванадия приведены для температуры 1000°С.

Сплавы на основе тугоплавких металлов подразделяют на две группы: сплавы со структурой твердого раствора и сплавы, упрочняемые закалкой и старением.