Цветные металы и сплавы

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Цветная металлургия – отрасль металлургии, которая включает добычу, обогащение руд цветных металлов и выплавку цветных металлов и их сплавов. По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно можно разделить на благородные, тяжелые, легкие и редкие.

К благородным металлам относят металлы с высокой коррозионной стойкостью: золото, платина, палладий, серебро, иридий, родий, рутений и осмий. Их используют в виде сплавов в электротехнике, электровакуумной технике, приборостроении, медицине и т.д.

К тяжелым относят металлы с большой плотностью: свинец, медь, хром, кобальт и т.д. Тяжелые металлы применяют главным образом как легирующие элементы, а такие металлы, как медь, свинец, цинк, отчасти кобальт, используются и в чистом виде.

К легким металлам относятся металлы с плотностью менее 5 грамм на кубический сантиметр: литий, калий, натрий, алюминий и т.д. Их применяют в качестве раскислителей металлов и сплавов, для легирования, в пиротехнике, фотографии, медицине и т.д.

К редким металлам относят металлы с особыми свойствами: вольфрам, молибден, селен, уран и т.д.

К группе широко применяемых цветных металлов относятся алюминий, титан, магний, медь, свинец, олово.

Цветные металлы обладают целым рядом весьма ценных свойств. Например, высокой теплопроводностью (алюминий, медь), очень малой плотностью (алюминий, магний), высокой коррозионной стойкостью (титан, алюминий). По технологии изготовления заготовок и изделий цветные сплавы делятся на деформируемые и литые (иногда спеченые).

На основании этого деления различают металлургию легких металлов и металлургию тяжелых металлов.  

1 МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ

 

Медь – металл красного, в изломе розового цвета. Медь относится к металлам, известным с глубокой древности.

Технически чистая медь обладает высокой пластичностью и коррозийной стойкостью, высокой электропроводностью и теплопроводностью (100% чистая медь-эталон, то 65%-алюминий, 17% железо), а также стойкостью против атмосферной коррозии. Позволяет использовать ее в качестве кровельного материала ответственных зданий.

Температура плавления меди 1083°С. Кристаллическая решетка ГЦК. Плотность меди 8,94 г/см3 . Благодаря высокой пластичности медь хорошо обрабатывается давлением (из меди можно сделать фольгу толщиной 0,02 мм), плохо резанием.

Литейные свойства низкие из-за большой усадки.

На свойства меди большое влияние оказывают примеси: все, кроме серебра и бериллия ухудшают электропроводность.

Стоимость чистой меди постоянно повышается, а мировые запасы медной руды, по различным оценкам, истощатся в ближайшие 10-30 лет.

Медь маркируют буквой М, после которой стоит цифра. Чем больше цифра, тем больше в ней примесей. Наивысшая марка М00 – 99,99% меди, М4 – 99% меди.

В таблице 1 содержится информация по маркам меди в зависимости от чистоты согласно ГОСТ 859-78.

 

Таблица 1 - Марка меди в зависимости от чистоты

Марка	МВЧк	M00	М0	Ml	М2	МЗ
Содержание	99,993	99,99	99,95	99,9	99,7	99,5

 

После обозначения марки указывают способ изготовления меди: к –катодная, б – бескислородная, р – раскисленная. Медь огневого рафинирования не обозначается.

М00к – технически чистая катодная медь, содержащая не менее 99,99% меди и серебра.

МЗ – технически чистая медь огневого рафинирования, содержит не менее 99,5% меди.

 

1.1 Сплавы меди

 

В технике применяют 2 большие группы медных сплавов: латуни и бронзы.

 

1.1.1 Латуни

Латуни – сплавы меди с цинком (до 50% Zn) и небольшими добавками алюминия, кремния, свинца, никеля, марганца (ГОСТ 15527-70, ГОСТ 17711-80). Медные сплавы, предназначенные для изготовления деталей методами литья, называют литейными, а сплавы, предназначенные для изготовления деталей пластическим деформированием – сплавами, обрабатываемыми давлением.

Латуни дешевле меди и превосходят ее по прочности, вязкости и коррозионной стойкости. Обладают хорошими литейными свойствами.

Латуни, применяются в основном для изготовления деталей штамповкой, вытяжкой, раскаткой, вальцовкой, т.е. процессами, требующими высокой пластичности материала заготовки. Из латуни изготавливаются гильзы различных боеприпасов.

В зависимости от числа компонентов различают простые (двойные) и специальные (многокомпонентные) латуни.

Простые латуни содержат только Cu и Zn.

Специальные латуни содержат от 1 до 8% различных легирующих элементов (Л.Э.), повышающих механические свойства и коррозионную стойкость.

Al, Mn, Ni повышают  механические свойства и коррозионную стойкость латуней. Свинец улучшает обрабатываемость резанием. Кремнистые латуни обладают хорошей жидкотекучестью и свариваемостью.

 

1.1.2 Бронзы

Бронзы – это сплавы меди с оловом (4-33% Sn), свинцом (до 30% Pb), алюминием (5-11% AL), кремнием (4-5% Si), сурьмой, фосфором и другими элементами.

Бронзы – это всякий медный сплав, кроме латуни. Это сплавы меди, в которых цинк не является основным легирующим элементом. Общей характеристикой бронз является высокая коррозионная стойкость и антифрикционность (от анти- и лат. frictio- трение). Бронзы отличаются высокой коррозионной устойчивостью и антифрикционными свойствами. Из них изготавливают вкладыши подшипников скольжения, венцы червячных зубчатых колес и другие детали.

Высокие литейные свойства некоторых бронз позволяют использовать их для изготовления художественных изделий, памятников, колоколов.

По химическому составу делятся на оловянные бронзы и без оловянные (специальные).

Оловянные бронзы обладают высокими механическими, литейными, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, обрабатываемостью резанием, но имеют ограниченное применение из-за дефицитности и дороговизны олова.

Специальные бронзы не только служат заменителями оловянных бронз, но и в ряде случаев превосходят их по своим механическим, антикоррозионным и технологическим свойствам:

Алюминиевые бронзы – 5-11% алюминия. Имеют более высокие механические и антифрикционные свойства, чем у оловянных бронз, но литейные свойства – ниже. Для повышения механических и антикоррозионных свойств вводят железо, марганец, никель (например, БрАЖ9-4). Из этих бронз изготовляют различные втулки, направляющие, мелкие ответственные детали.

Бериллиевые бронзы содержат 1,8-2,3% бериллия отличаются высокой твердостью, износоустойчивостью и упругостью (например, БрБ2, БрБМН1,7). Их применяют для пружин в приборах, которые работают в агрессивной среде.

Кремнистые бронзы – 3-4% кремния, легированные никелем, марганцем, цинком по механическим свойствам приближаются к сталям.

Свинцовистые бронзы содержат 30% свинца, являются хорошими антифрикционными сплавами и идут на изготовление подшипников скольжения.

Медные сплавы обозначают начальными буквами их названия (Бр или Л), после чего следуют первые буквы названий основных элементов, образующих сплав, и цифры, указывающие количество элемента в процентах.

Примеры:

• БрА9Мц2Л – бронза, содержащая 9% алюминия, 2% Mn, остальное Cu («Л» указывает, что сплав литейный);
• ЛЦ40Мц3Ж – латунь, содержащая 40% Zn, 3% Mn, ~l% Fe, остальное Cu;
• Бр0Ф8,0-0,3 – бронза содержащая 8% олова и 0,3% фосфора;
• ЛАМш77-2-0,05 – латунь содержащая 77% Cu, 2% Al, 0,055 мышьяка, остальное Zn (в обозначении латуни, предназначенной для обработки давлением, первое число указывает на содержание меди).

В несложных по составу латунях указывают только содержание в сплаве меди:

• Л96 – латунь содержащая 96% Cu и ~4% Zn (томпак);
• Лб3 – латунь содержащая 63% Cu и 37% Zn.

Высокая стоимость меди и сплавов на ее основе привела в 20 веке к поиску материалов для их замены. В настоящее время их успешно заменяют пластиками, композиционными материалами.  

2 АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

 

Алюминий – металл серебристо-белого цвета. Температура плавления 650°С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку. Алюминий обладает электрической проводимостью, составляющей 65% электрической проводимости меди. Алюминий занимает 3 место по распространению в земной коре после кислорода и кремния. Алюминий устойчив против атмосферной коррозии благодаря образованию на его поверхности плотной окисной пленки. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность – 2,7г/см3 против 7,8г/см3 для железа и 8,94г/см3 для меди. Имеет хорошую тепло- и электропроводность. Хорошо обрабатывается давлением.

Маркируется буквой А и цифрой, указывающей на содержание алюминия. Алюминий особой чистоты имеет марку А999 – содержание Al в этой марке 99,999%. Алюминий высокой чистоты – А99, А95 содержат Al 99,99% и 99,95% соответственно. Технический алюминий – А85, А8, А7 и др.

Применяется в электропромышленности для изготовления проводников тока, в пищевой и химической промышленности. Алюминий не стоек в кислой и щелочной среде, поэтому алюминиевая посуда не используется для маринадов, солений, кисломолочных продуктов. Применяется в качестве раскислителя при производстве стали, для алитирования деталей с целью повышения их жаростойкости. В чистом виде применяется редко из-за низкой прочности – 50 МПа.

 

2.1 Деформируемые алюминиевые  сплавы

 

В зависимости от возможности термического упрочнения деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

К сплавам, неупрочняемым т/о относятся сплавы Al c Mn (АМц1), и сплавы Al c Mg (AМг 2, АМг3). Цифра – условный номер марки.

Эти сплавы хорошо свариваются, обладают высокими пластическими свойствами и коррозионной стойкостью, но невысокой прочностью, Упрочняются эти сплавы нагартовкой. Сплавы данной группы нашли применение в качестве листового материала, используемого для изготовления сложных по форме изделий, получаемых холодной и горячей штамповкой и прокаткой. Изделия, получаемые глубокой вытяжкой, заклепки, рамы и т.д.

Сплавы, упрочняемые т/о, широко применяются в машиностроении, особенно в самолетостроении, т.к. обладают малым удельным весом при достаточно высоких механических свойствах. К ним относятся:

Дуралюмины – основные легирующие компоненты - медь и магний:

Д1 – лопасти воздушных винтов, Д16 – обшивки, шпангоуты, лонжероны самолетов, Д17 – основной заклепочный сплав.

Высокопрочные сплавы – В95, В96 наряду с медью и магнием содержат еще значительное количество цинка. Применяют для высоконагруженных конструкций.

Сплавы повышенной пластичности и коррозионной стойкости – АВ, АД31, АД33. Лопасти вертолетов, штампованные и кованые детали сложной конфигурации.

 

2.2 Литейные алюминиевые  сплавы

 

Наиболее широко распространены сплавы системы Al-Si- силумины.

Силумин имеет сочетание высоких литейных и механических свойств, малый удельный вес. Типичный силумин сплав АЛ2 (АК12) содержит 10-13% Si, Подвергается закалке и старению (АК7 (АЛ9), АК9 (АЛ4).

 

3 ЦИНК И ЕГО СПЛАВЫ

 

Цинк – вязкий металл голубовато-серого цвета. Металл с небольшой температурой плавления (419 градусов С) и высокой плотностью (7,1 г/см3). Прочность цинка низкая (150 МПа) при высокой пластичности.

Цинк применяют для горячего и гальванического оцинкования стальных листов, в полиграфической промышленности, для изготовления гальванических элементов. Его используют как добавку в сплавы, в первую очередь в сплавы меди (латуни и т.д.), и как основу для цинковых сплавов, а также как типографский металл.

В зависимости от чистоты цинк делится на марки ЦВ00 (99,997% Zn), ЦВ0 (99,995% Zn), ЦВ (99,99% Zn), Ц0А (99,98% Zn), Ц0 (99,975% Zn), Ц1 (99,95% Zn), Ц2 (98,7% Zn), ЦЗ (97,5% Zn).

Цинковые сплавы широко применяются в машиностроении и разделяются на сплавы для литья под давлением, в кокиль, для центробежного литья и на антифрикционные сплавы. Основными легирующими компонентами цинковых сплавов являются алюминий, медь и магний. Отливки из цинковых сплавов легко полируются и воспринимают гальванические покрытия.

Состав, свойства и применение некоторых цинковых сплавов:

• ЦА4 содержит 3.9-4.3%Al, 0,03-0,06% Mg, временное сопротивление 250-300 МПа, пластичность 3-6%, твердость 70-90HB). Применяется при литье под давлением деталей, к которым предъявляются требования стабильности размеров и механических свойств.
• ЦАМ10-5Л содержит 9,0-12,4%Al, 4,0-5,5% Cu, 0,03-0,06% Mg, временное сопротивление не менее 250 МПа, пластичность не менее 0,4%, твердость – не менее 100HB. Из сплава изготавливают подшипники и втулки металлообрабатывающих станков, прессов, работающих под давлением до 200-10000 Па.
• ЦАМ9-1.5 содержит 9,0-11,0%Al, 1,0-2,0%Cu, 0,03-0,06% Mg, временное сопротивление не менее 250 МПа, пластичность не менее 1%, твердость не менее 90HB. Сплав применяют для изготовления разных узлов трения и подшипников подвижного состава.  
  

4 МАГНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

 

Магний – металл серебристо-белого цвета. Температура плавления магния 650°С. Кристаллическая решетка гексагональная. Отличается низкой плотностью (1,74 г/см3), хорошей обрабатываемостью резанием, способностью воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки.

В зависимости от содержания примесей установлены следующие марки магния: Мг96 (99,96% Mg), Мг95 (99,95% Mg), Мг90 (99,90% Mg), магний высокой чистоты (99,9999% Mg).

Магний химически активный металл, легко окисляется на воздухе. Чистый магний из-за низких механических свойств (временное сопротивление 100-190 МПа, относительное удлинение 6-17%, твердость 30-40НВ) как конструкционный материал практически не применяют. Его используют в пиротехнике, в химической промышленности для синтеза органических соединений, в металлургии различных металлов и сплавов как раскислитель, восстановитель и легирующий элемент.

 

4.1 Сплавы на основе магния

 

Достоинством магниевых сплавов является высокая удельная прочность. Предел прочности магниевых сплавов достигает 250-400 МПа при плотности менее 2 грамм на кубический сантиметр. Сплавы в горячем состоянии хорошо куются, прокатываются и прессуются. Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием (лучше, чем стали, алюминиевые и медные сплавы), хорошо шлифуются и полируются. Удовлетворительно свариваются контактной и дуговой сваркой в среде защитных газов.

К недостаткам магниевых сплавов наряду с низкой коррозионной стойкостью и малым модулем упругости следует отнести плохие литейные свойства, склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению при их приготовлении.

По механическим свойствам магниевые сплавы подразделяют на сплавы невысокой и средней прочности, высокопрочные и жаропрочные, по склонности к упрочнению с помощью термической обработки – на упрочняемые и неупрочняемые.

Деформируемые магниевые сплавы. В сплавах МА1 и МА8 основным легирующим элементом является марганец. Термической обработкой эти сплавы не упрочняются, обладают хорошей коррозионной стойкостью и свариваемостью. Сплавы МА2-1 и МА5 относятся к системе Mg-Al-Zn-Mn. Алюминий и цинк повышают прочность сплавов, придают хорошую технологическую пластичность, что позволяет изготовлять из них кованные и штампованные детали сложной формы (крыльчатки и жалюзи капота самолета). Сплавы системы Mg-Zn, дополнительно легированные цирконием (МА14), кадмием, редкоземельными металлами (МА15, МА19 и др.) относят к высокопрочным магниевым сплавам. Их применяют для несвариваемых сильно нагруженных деталей (обшивки самолетов, деталей грузоподъемных машин, автомобилей, ткацких станков и др.).

Литейные магниевые сплавы. Наибольшее применение нашли сплавы системы Mg-Al-Zn (МЛ5, МЛ6). Они широко применяются в самолетостроении (корпуса приборов, насосов, коробок передач, фонари и двери кабин и т.д.), ракетной технике (корпуса ракет, обтекатели, топливные и кислородные баки, стабилизаторы), конструкциях автомобилей, особенно гоночных (корпуса, колеса, помпы и др.), в приборостроении (корпуса и детали приборов). Вследствие малой способности к поглощению тепловых нейтронов магниевые сплавы используют в атомной технике, а благодаря высокой демпфирующей способности – при производстве кожухов для электронной аппаратуры.

Более высокими технологическими и механическими свойствами обладают сплавы магния с цинком и цирконием (МЛ 12), а также сплавы, дополнительно легированные кадмием (МЛ8), редкоземельными металлами (МЛ9, МЛ10). Данные сплавы применяют для нагруженных деталей самолетов и авиадвигателей (корпусов компрессоров, картеров, ферм шасси, колонок управления и др.).

Магниевые сплавы подвергаются следующим видам термической обработки: Т1 – старение, Т2 – отжиг, Т4 – гомогенизация и закалка на воздухе, Т6 – гомогенизация, закалка на воздухе и старение, Т61 – гомогенизация, закалка в воду и старение.  

5 СТАЛИ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В КОТЛАХ И ТУРБИНАХ

 

Температура очень сильно влияет на механические свойства стали, определяемые при кратковременных испытаниях, например растяжением.

Сталь для барабанов паровых котлов работает при температуре не выше 370° С. Температура стенки барабана практически равна температуре насыщенного пара, находящегося в нем. До 370° С ползучесть в стали не наблюдается. Основное требование к материалу при расчете барабана на прочность — высокий предел текучести при рабочей температуре. Этому требованию удовлетворяет сталь 16ГНМ. Она хорошо сваривается электродуговой и электрошлаковой сваркой, поддается вальцовке и штамповке в холодном и горячем состояниях. К недостаткам этой стали можно отнести сильную зависимость предела прочности и предела текучести от условий охлаждения при нормализации; кроме того, сталь содержит дефицитные добавки молибдена и никеля.

Многие детали котлов, турбин и арматуры работают при высоких температурах. Металл этих деталей подвергается ползучести.

Ползучесть — свойство металла, нагруженного при постоянной высокой температуре, медленно и непрерывно пластически деформироваться под воздействием напряжений.

Повышение температуры и напряжения приводит к увеличению скорости ползучести. В углеродистой стали ползучесть заметна при температурах выше 350—400° С.

В результате развития ползучести увеличивается диаметр и уменьшается толщина стенок труб. Деталь, проработавшая определенное время в условиях ползучести, разрушается при пластической деформации, во много раз меньшей, чем при разрушении от кратковременной перегрузки при той же температуре.

Повышение рабочих температур на тепловых электрических станциях привело к тому, что большое количество деталей работает в области температур, при которых проявляется процесс ползучести.

Сопротивляемость металла ползучести оценивается суммарной деформацией за срок службы и скоростью ползучести.

За предел ползучести в теплотехнике принимают напряжение, которое вызывает остаточную деформацию в 1% за 100 000 ч эксплуатации.

Предел длительной прочности — напряжение, приводящее металл к разрушению при данной температуре через определенный промежуток времени. За расчетный срок службы котла принимаю 100 000 ч работы при номинальных параметрах пара. Путем соответствующей обработки экспериментальных данных в логарифмических координатах ограничиваются испытаниями значительно меньшей длительности и при помощи экстраполяции получаю достаточно надежные результаты. Однако экстраполяция при обработке данных в логарифмических координатах не всегда оказывается возможной. Прямая для многих сталей имеет перелом на графике длительной прочности. Он наступает через 1000 или более часов испытаний. Поэтому для надежной экстраполяции предела длительной прочности на 100 000 ч желательно иметь данные испытаний длительностью не менее 4000—5000 ч.

Прочность металлов определяется межатомными связями внутри самого зерна и силами сцепления, действующими по границам зерен. Разрыв связей между атомами в самом кристалле вызывает разрушение при низких температурах. При высокой температуре менее прочными оказываются границы зерен. Длительность испытания также влияет на характер разрушения. Чем длительнее испытание при высокой температуре, тем вероятнее межкристаллитный характер разрушения.

В металле вследствие флуктуации энергии колебаний ионов некоторые узлы кристаллической решетки оказываются свободными (свободный узел называется вакансией). Вакансии в металле до начала эксплуатации или нагружения распределены хаотически. В процессе эксплуатации при ползучести зарождаются новые вакансии в результате взаимодействия дислокаций друг с другом или с препятствиями (неметаллическими включениями, карбидами). При высоких рабочих температурах вакансии имеют возможность перемещаться вследствие теплового движения атомов. Они хаотически перемещаются из узла в узел так же, как и атомы металла.

Когда к металлу приложено напряжение, вакансии и дислокации начинают перемещаться направленно и образуют скопления около дефектов обработки поверхности, по границам зерен, около микродефектов структуры. Постепенно в этих местах вакансий и дислокаций становится так много, что образуется микро-трещина, которая в дальнейшем является концентратором напряжений и разрастается. В результате происходит разрушение.

Накопление повреждаемости стали в процессе ползучести до определенной стадии является обратимым. Если в металле не образовались микротрещины, то повреждаемость типа колоний вакансий может быть устранена нормализацией или нормализацией с отпуском. Восстановительная термическая обработка может принести большую пользу, например при восстановлении паропроводных труб, отработавших расчетный срок службы. Но пока она изучена еще недостаточно.

Предел длительной прочности зависит от температуры.

Основными способами повышения предела длительной прочности стали является рациональное легирование и применение оптимальных режимов термической обработки.

Рассмотрим назначение отдельных элементов, вводимых в жаропрочные и жаростойкие стали.

Молибден вводится в состав жаропрочных сталей только с целью повышения жаропрочности; на жаростойкость он не влияет. В сталях перлитного класса содержится 0,20—0,60% Мо. Это Дорогой и дефицитный легирующий элемент.

Хром в количестве 0,5—2,5% вводят в низколегированные котельные стали для повышения устойчивости карбидов (против графитизации) и окалиностойкости. Хром повышает прокаливаемость. Это важно для турбинных и крепежных сталей, которые не сваривают. В котельных же сталях повышенная прокаливаемость, вследствие добавки хрома способствует образованию трещин в сварных швах. Сварка этих сталей в ряде случаев требует предварительного и сопутствующего подогревов, а также последующей термической обработки для получения стабильной структуры. Хром не дорог и не дефицитен.

Стали с большим содержанием хрома (более 12%) при очень малом содержании углерода в отличие от углеродистых и низко-легированных сталей при нагреве вплоть до температуры плавления не изменяют своей ферритной структуры, так как хром делает устойчивой объёмно-центрированную решетку ос-железа.

Такие стали относятся к ферритному классу. Для измельчения зерна они не могут быть подвергнуты перекристаллизации. При работе конструкций, изготовленных из этих сталей, в условиях очень высоких температур наблюдается интенсивный рост зерь в результате чего снижаются пластичность и способность воспринимать динамические нагрузки. Первоначальные механические свойства не могут быть установлены термической обработкой. Стали ферритного класса нельзя закалить на мартенсит.

Никель в количестве не менее 9% вводят в жаропрочные стали для получения аустенитной структуры. Обычно вместе с никелем вводят хром. Никель — дорогой и дефицитный легирующий элемент. Для стабилизации структуры и снижения склонности к межкристаллитной коррозии в аустенитные стали вводят титан и ниобия, которые связывают практически весь углерод в тугоплавкие карбиды. Избыточное содержание титана и ниобия приводит к образованию интерметаллических соединений и, как следствие к охрупчиванию стали.

Ванадий способствует повышению прочности в условиях длительной эксплуатации при высоких температурах. Он измельчая зерно стали и образует очень устойчивые карбиды. Присадка ванадия более 0,2—0,4% снижает жаростойкость.

Кремний и алюминий обычно вводят совместно или раздельно для повышения жаростойкости хромистых сталей. На поверхности детали образуется очень прочная пленка сложного окисла железа, хрома, кремния и алюминия, обладающая хорошими защитными свойствами.

Бор вводят в сталь в очень небольшом количестве для повышения прочности при высоких температурах. Присадка бора ухудшает свариваемость сталей.

Титан и ниобий в малоуглеродистых сталях снижают склонность к подкалке, так как связывают углерод в труднорастворимые карбиды. Тем самым они понижают содержание углерода в аустените.

Основной способ увеличения сопротивления ползучести и придела длительной прочности сталей — легирование. Углеродистые стали эксплуатируют при температурах до 450—475° С. При боле высоких температурах сопротивление ползучести и длительная прочность углеродистых сталей резко снижаются, поэтому следует применять легированные стали.

Для пароперегревателей, паропроводов и камер широко используют хромомолибденованадиевую сталь 12Х1МФ. Из нее изготовляют трубы с рабочей температурой стенки до 570—585° С. В период внедрения стали 12Х1МФ значительные неприятности доставляли частые случаи выпада ударной вязкости металла паропроводных труб ниже требований МРТУ 14-4-21—67 50 дж/см2 (5 кГ-м/см2). После корректировки режима термической обработки брак по ударной вязкости сильно сократился. Но отдельные случаи снижения ударной вязкости ниже нормы в некоторых плавках этой стали встречаются и в настоящее время, так как отдельные плавки стали 12Х1МФ склонны к отпускной хрупкости после нагрева в интервале 600—650° С. Низкая ударная вязкость может быть исправлена высоким отпуском с последующим охлаждением на воздухе.

Паропроводы и коллекторы, работающие при 570—575° С, изготавливают из стали 15Х1М1Ф. Она немного дороже стали 12Х1МФ, содержит больше дефицитного молибдена, но обладает несколько большей жаропрочностью. На свойствах стали 15Х1М1Ф меньше сказывается скорость охлаждения. Если для обеспечения высокой жаропрочности труб с толщиной стенки более 45 мм из стали 12Х1МФ необходима закалка, то толстостенные трубы из стали 15Х1М1Ф имеют высокую жаропрочность при охлаждении на воздухе после нагрева выше Ас3.

Перлитные стали для дисков и роторов паровых турбин содержат больше углерода, чем стали для труб. Для них важна высокая прокаливаемость, которая достигается при относительно высоком содержании углерода. Рассмотрим здесь две стали для дисков и роторов: 25Х1М1Ф (Р2) и 20ХЗМВФ (ЭИ415).

Сталь 25Х1М1Ф — конструкционная хромомолибденованадиевая. Ее применяют для изготовления дисков и роторов, работающих при температуре до 540° С. Она обладает высокой жаропрочностью. Крупные поковки из этой стали имеют оптимальные механические свойства после двойной нормализации с высоким отпуском: первую нормализацию проводят от температуры 970— 990° С с последующим отпуском при 710—730° С; вторую — от 930—950° С с последующим отпуском при 690—700° С. Длительность отпуска от 2 до 3 ч.

Сталь 20ХЗМВФ — сложнолегированная. Она содержит хром, молибден, вольфрам и ванадий. Эта самая жаропрочная перлитная сталь. Предназначена для работы при 550—560° С в течение 100 000 ч. Рекомендуемый режим термической обработки: отжиг при 950—960° С с последующей закалкой от 1020—1050° С и отпуском при 680—700° С длительностью от 2 до 3 ч. Прокаливается насквозь в сечениях до 900 мм. Для сварки стали 20ХЗМВФ Разработаны электроды ЦЛЗО.

Низколегированные стали для котлов и турбин, содержащие незначительное количество легирующих элементов, имеют такую же структуру, как малоуглеродистые стали: феррит с перлитом. Однако этот перлит отличается по структуре от перлита обычных малоуглеродистых сталей. Эти стали относятся к перлитному классу. Их аустенит не очень устойчив и при охлаждении на воздухе распадается с образованием ферритокарбидной смеси — перлита. В качестве примера можно привести стали 15ХМ, 12МХ и 12Х1МФ.

При комнатной температуре наибольшей прочностью обладает закаленная и низкоотпущенная сталь. Но при высоких температурах такая нестабильная структура приводит к значительной деформации деталей и быстрому разрушению. Отпуск мартенсита и коагуляция карбидов при высоких температурах под напряжением приводят к ускорению ползучести и подготавливают разрушение. Поэтому стремятся к тому, чтобы в деталях котлов и турбин структура была стабильной.

Величина зерна стали также влияет на сопротивление ползучести и предел длительной прочности. Как правило, при температурах не выше 350° С стали с мелкозернистой структурой имеют лучший комплекс механических свойств, чем крупнозернистая сталь того же химического состава. Все легирующие элементы, кроме марганца, способствуют измельчению зерна. При высокой температуре крупнозернистая сталь лучше сопротивляется ползучести и имеет более высокий предел длительной прочности. Причем у каждой стали при данной температуре существует свой оптимальный размер зерна.