6.4.6. Жаростойкие стали и сплавы

Жаростойкость  это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени. Если деталь или изделие работают в окислительной газовой среде при температурах выше 500…550 С без больших нагрузок, то иногда достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей, ящики для цементации и т.д.).

Процесс окисления  это сложный процесс. Здесь наблюдаются и чисто химическое взаимодействие металла с кислородом, и диффузия атомов кислорода и металла через слой окислов. Поэтому строение окисной пленки имеет большое значение для жаростойкости металлов. Чем плотнее и прочнее окисная пленка, тем меньше через нее скорость диффузии, тем выше жаростойкость сплава.

Основной способ повышения жаростойкости  легирование хромом, алюминием или кремнием, образующими на поверхности изделия плотные окислы Cr₂O₃, Al₂O₃ и SiО₂, затрудняющие процессы диффузии.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы применяют для деталей, работающих в газовых средах при температуре 550…900 С. Жаростойкие стали содержат алюминий, хром и кремний. Такие стали не образуют окалины при высоких температурах.

Сюда относят сталь 40Х9С2, используемую для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, теплообменников, работающих до 850 С, сталь 08Х17Т  для деталей, используемых в среде топочных газов с повышенным содержанием серы (рабочая температура не более 900 С), и сталь 36Х18Н25С2 (рабочая температура не более 1100 С)  для клапанов двигателей внутреннего сгорания большой мощности, печных конвейеров и т.п.

Жаростойкие сплавы на никелевой основе представляют собой малоуглеродистые NiCr, NiCrFe или NiCrWFe твердые растворы, легированные Si, Al, Ti. Эти сплавы, имея, в основном, структуру гомогенных твердых растворов, отличаются сочетанием высокой жаростойкости и значительным электрическим сопротивлением (1,05…1,40 Ом  мм²/м); их температура плавления составляет 1370…1420 С, предел прочности на растяжение  700…1000 МПа, относительное удлинение  20…40 %. Они имеют хорошие технологические свойства, что позволяет их сваривать, изготавливать из них проволоку, лист, ленту. Нихромы применяют для изготовления нагревательных элементов электрических печей и бытовых приборов, изделий, эксплуатируемых при высоких температурах и небольших механических нагрузках. В промышленности нашли применение нихромы типа Х10Н90, Х20Н80, Х40Н60, Х50Н50, а также нихромы с дополнительным легирование  Х20Н75БЕЮ, Х25Н60В15Т. Наибольшей жаростойкостью в окислительных средах обладают нихромы Х20Н80, Х30Н70.

Для агрессивных сред (продукты сгорания топлива, содержащие соединения серы и др.) используют нихромы Х50Н50 и Х40Н60.

Недостатком этих сплавов является их хрупкость, что не позволяет использовать их в качестве материалов для деталей, работающих в напряженном состоянии и при динамических нагрузках.