Основными средствами повышения сопротивления ползучести сталей являются:
а) легирование их такими элементами, которые сообщают стали необходимые свойства, сохраняющиеся в течение длительных сроков службы детали;
б) термическая обработка.
Прочность стали и стабильность ее свойств при высоких температурах определяются степенью подвижности атомов в кристаллической решетке, поэтому легирование и термическая обработка должны быть направлены на подавление процессов диффузии.
Это достигается при легировании введением в сталь малоподвижных элементов, каковыми являются металлы с высокой температурой плавления: молибден, вольфрам, титан, ниобий, тантал. Кроме того, многие из элементов, вводимых в сталь (хром, молибден, кремний), затрудняют диффузию углерода и азота в стали, тем самым повышают стабильность ее свойств.
Выше отмечалось, что в решетках с более плотной упаковкой атомов диффузионные процессы протекают менее интенсивно, а следовательно, труднее развиваются такие разупрочняющие процессы, как рекристаллизация, сфероидизация и т. д. Уплотнение кристаллической решетки может быть достигнуто путем перехода от перлитных к аустенитным сталям, т. е. от α- к γ-решетке.
Для создания фазового упрочнения в сталь вводятся ванадий, ниобий, титан, тантал, дающие более стойкие карбиды, чем карбиды молибдена и вольфрама. Чем медленнее будет протекать процесс коагуляции выпавших мелкодисперсных частиц, тем дольше будет сохраняться прочность стали.
При высоких напряжениях, когда прочность при высоких температурах определяется развитием процесса ползучести в теле зерна, необходимо упрочнить последнее введением в сталь элементов, входящих в состав твердого раствора замещения. При низких напряжениях, когда определяющими являются межкристаллитные процессы, целесообразна присадка к стали карбидобразующих элементов. Карбиды наиболее легко образуются на границах зерен, и тем самым будет достигаться повышение сопротивления относительному перемещению зерен. Следует использовать сталь в том интервале температур, в котором выделившаяся в результате старения вторичная фаза сохраняет высокую дисперсность и стабильность. В противном случае будет увеличиваться расстояние между частицами вторичной фазы и они не смогут эффективно тормозить движение дислокаций.
Термическая обработка должна выбираться такой, чтобы стабилизировать выделение вторичных фаз при рабочей температуре. Исследования показывают, что термическая обработка, дающая максимальный предел прочности при комнатных температурах, не сообщает сплаву максимальной стабильности при рабочих температурах. Часто у обработанных таким образом сплавов в процессе их эксплуатации скорость ползучести возрастает в несколько раз по сравнению с металлами, имеющими более низкие характеристики прочности при комнатной температуре. Это в основном объясняется структурными изменениями выделившихся фаз и в первую очередь их коагуляцией.
Если термическая обработка производилась при температурах выше рабочей, то рабочая температура не сможет вызвать изменения свойств в течение длительного периода времени.
Двойная термическая обработка (например, нормализация с высоким отпуском) дает больший эффект по сравнению с отжигом. Высокий нагрев при первой термической обработке обеспечивает гомогенизацию структуры, т. е. равномерное распределение примесей во всему объему металла и переход выделившихся вторичных фаз в твердый раствор. Вторая термическая обработка при температуре, превышающей рабочую, вызывает дисперсионное твердение, и эффект упрочнения зависит от степени дисперсности выделившихся частиц, а также от скорости их коагуляции.
Скорость коагуляции частиц вторичной фазы зависит от ее состава и соотношения между нею и твердым раствором, регулируя которое, можно повысить температуру разупрочнения. Чем выше скорость растворения карбидов в основном твердом растворе, тем быстрее происходят коагуляции их, а поэтому быстро наступает разупрочнение. Температуру растворения карбидов одного элемента в основном твердом растворе можно изменить путем растворения в карбидах другого элемента.
Например, растворение вольфрама в карбидах хрома повышает температуру растворимости последних до 1300—1350 °С, т. е. практически при температурах термической обработки стали они нерастворимы. Растворение в этих карбидах кобальта снижает температуру растворения карбидов, и таким образом, достигается эффективное упрочнение стали.
В последнее время все шире внедряется выплавка стали в вакууме, благодаря которой значительно уменьшается содержание вредных примесей, обеспечивается однородность стали и существенно повышаются жаропрочность и пластические свойства, поэтому дополнительные затраты на производство вакуумной стали вполне оправдываются.
Обычно при длительной работе разрушение аустенитных сталей происходит по границам зерен. Прочность границ зерен можно повысить термопластической обработкой — пластическим деформированием при высоких температурах (1000—1100 °С), которое вызывает сильные искажения границ и прилегающих непосредственно к ним участков аустенитных зерен. Границы получают при этом «зубчатую» форму, которая увеличивает общее сопротивление деформированию. Однако повышение сопротивления ползучести и длительной прочности термопластической обработкой эффективно только в том случае, если эта обработка не вызвала частичной рекристаллизации. В противном случае рекристаллизационные явления в процессе работы металла при высоких температурах протекают с очень большой скоростью, что приводит к резкому разупрочнению. Этот метод упрочнения находится еще в стадии изучения.
Обучение ПТМ руководителей и работников в компании Гранит-Консалтинг. Обучение пожарно-техническому минимуму руководителей и специалистов в Москве в компании kg-gk.ru.
