НИСКОЛЕГИРАНИ ТОПЛОУСТОЙЧИВИ СТОМАНИ

1. Легиране, термична обработка, структура

Нисколегираните стомани са предназначени основно за паропроводни и 

паропрегревателни   тръби,   работещи   при   температури   до   600

°

С.   При   високи 

температури   необходимата   якост   на   тези   стомани   се   постига   за   сметка   на 

комплексното легиране с хром, ванадий, молибден, ниобий. Съдържанието на 

всеки един от легиращите елементи не превишава 1%, като най-често това е 

0,2-0,5%,   с   изключение   на   хрома,   съдържанието   на   който   достига   до   2%. 

Посочените елементи повишават силата на връзката на атомите в решетката 

на   желязото,   предизвикват   дисперсионно   втвърдяване,   способстват   за 

формирането   в   процеса   на   фазовите  

γ⇔α

  -   превръщания   на   тънката 

субструктура   и   стабилизират   карбидната   фаза.   Всички   тези   фактори 

способстват метала да работи при високи температури във вид на конструкции, 

намиращи се в сложно напрегнато състояние.

Колкото   е   по-висока   температурата,   толкова   е   по-сложен   състава   на 

стоманата   с   легиращи   добавки.   Оптималното   съдържание   на  

въглерода

  в 

нисколегираните стомани, работещи при температури до 600

°

С е 0,08-0,12%. 

Повишаването на съдържанието на въглерода над посоченото ниво води към 

ускоряване на коагулацията на карбидите и до обедняване на твърдия разтвор 

основно от молибден, което от своя страна води до загуба на якостни свойства 

на стоманата.

При създаването на стоманите, от които се изработват тръбите се отчита 

също и това, че те трябва добре да се заваряват, което означава, че трябва да 

имат ограничено съдържание на въглерод.

Като   основен   карбидообразуващ   елемент,   водещ   до   отделяне   на 

дисперсни   уякчаващи   матрицата   частици,   се   явява  

ванадия

.   Оптималното 

отношение  V/С   в   топлоустойчивите   нисколегирани   стомани   е   3,2-4.   От   тук 

съдържанието на ванадия в стоманата, изхождайки от средното съдържание на 

въглерод, не трябва да привешава 0,35%.

Доколкото  

молибдена

  се   добавя   за   уякчаване   основно   на   матрицата, 

съотношението   между   въглерода,   молибдена   и   другите   карбидообразуващи 

елементи   трябва   да   бъде   такова,   че   молибдена   в   минимална   степен   да 

преминава в процеса на стареене в карбидна фаза.

Практиката   показва,   че   най-благоприятната   структура,   отговаряща   на 

изискванията за висока термична стабилност на карбидните фази, се формира, 

когато   съдържанието   на   молибдена   в   стоманата   не   превишава   0,5%   /при 

съдържание на въглерод не повече от 0,12%/. 

Всички легирани топлоустойчиви стомани имат еднакви видове фазови 

превръщания,   обусловени   от   това,   че   за   тях   е   характерна   не   много   висока 

устойчивост   на   аустенита.   За   стомана   12Х1МФ,   например,   може   да   се 

отбележат   три   области   на   превръщания   на   аустенита   в   зависимост   от 

скоростта на охлаждане: 

ферито-перлитна, бейнитна и мартензитна.

Разпад   на   аустенита   в   ферито-перлитната   област   се   наблюдава   при 

скорости   на   охлаждане   до   6  

°

/min.   Превръщането   започва   с   отделянето   от 

аустенита на полигонален ферит, след което останалия аустенит се разпада с 

образуване на перлит. С повишаване на скоростта на охлаждане разпада на 

аустенита става все по-еднороден и при скорости около 250

°

/min

отделянето на 

полигонален   ферит   се   облекчава.   Целия   аустенит   се   разпада   на   ферит   и 

карбиди,   при   това   карбидите   са   разпределени   равномерно.   Образуваната 

структура наподобява зърнест перлит. Това е в резултат на т.нар. превръщане 

в междинна област.

При   скорости   на   охлаждане   при   температури   по-високи   от   1600

°

/min 

/закаляване   в   масло/   в   структурата   се   наблюдава   бейнит,   а   също   така   на 

отделни   участъци   от  мартензит   и  аустенит.  Закаляването  във  вода  води   до 

образуване на чисто мартензитна структура с най-голямо количество аустенит.

Легираната   с   повече   елементи   марка   стомана   12Х2МФСР   съдържа   в 

своя   състав   повишено   съдържание   на   молибден   и   бор.   Тези   два   елемента 

способстват   за   намаляване   на   ферито   -перлитната   област,   макар   и   при 

повишено съдържание на силиций. Затова за стомана 12Х2МФСР е характерно 

наличието   на   по-широк   интервал   на   скоростта   (от   5   до   2000

°

/min)   на 

междинното   превръщане   с   образуване   на   бейнит.   Аналогично   се   държи   и 

стомана 15Х1М1Ф. Повишаването на съдържанието на молибдена до 1% не 

изменя вида на термодинамичната диаграма. Обаче областта на междинните 

превръщания в тази стомана е по-широко, от колкото в стомана 12Х1МФ и това 

различие се проявява даже при охлаждане с малки скорости (  

∼

10

°

/min), при 

които количеството на бейнита в стомана 15Х1М1Ф е съществено по-голямо. 

Мартензитната   структура   в   стомана   15Х1М1Ф   може   да   се   получи   при 

закаляване   на   стоманата   в   масло.   Увеличеното   съдържание   на   молибдена 

повишава и общото ниво на твърдостта в стоманата.

Малко   се   отличава   по   системата   си   на   легиране   сравнително   новата 

стомана 12Х2МФБ. В тази стомана, наред с относително високото съдържание 

на хром и молибден е въведен ниобий, който съществено влияе на фазовите 

превръщания.

За стомана 12Х2МФБ е характерно наличието на две разтворени области 

в термодинамичната диаграма. Горната феритна област се простира до скорост 

на охлаждане 160

°

/min, а само при големи скорости в структурата се появява 

бейнит.   Закаляването   в   масло   запазва   напълно   бейнитната   структура   с 

участъци от мартензит. Закаляването във вода води до образуване напълно на 

мартензитна   структура   с   известно   съдържание   на   остатъчен   аустенит. 

Характерна  особеност   на  структурата   на  стоманата  се  явява  наличието  във 

всички   структури   на   карбонитридите   на   ниобия.  Карбонитридите   на   ниобия 

допълнително увеличават високотемпературната якост, затова за посочената 

стомана   се   наблюдава   не   така   рязко   изразено   спадане   на   механичните 

свойства с повишаване на температурата до 650

°

С.

При   по-висока   степен   на   легиране,   отколкото   при   стомана   12Х1МФ, 

стомана 12Х2МФБ има по-ниска топлоякост, което е свързано с наличието в 

стоманата на полу -феритна структура, която по своите свойства отстъпва на 

бейнитната.   Съпоставката   на   структурата   и   продължителната   якост   на 

нисколегираните   стомани   показва,   че   най-високите   стойности   на 

продължителната   якост   се   получава   след   закаляване   до   мартензит   и 

последващо отвръщане при температури по-високи от работните. Най-ниските 

стойности на якостта са характерни за структурата при отгряване Разликата в 

границите   на   продължителната   якост   за   тези   състояния   е   много   голяма. 

Стомана 12Х1МФ има граница на продължителна якост за 10

5

 часа при 580

°

С в 

състояние на отвърнат мартензит 10.10  MPa, а в състояние на груба ферито-

перлитна   структура   –   два   пъти   по-малко   –   5.10   МРа.   Обаче,   за   топлояките 

материали  е  важна  не само якостта,  но и  пластичността след разрушаване, 

което характеризира надеждността на работата на конструкциите в условия при 

които е възможно образуване на различни видове вътрешни и външни линейни 

и точкови дефекти.

Тук картината е друга. Металът, подложен на закаляване и отвръщане, 

се разрушава по границите на зърната и има ниско удължение. При образци с 

изходна   груба   ферито   -перлитна   структура,   получена   чрез   отгряване, 

разрушаването   е   транскристалитно,   и   образците   преди   разрушаването 

издържат значителна пластична деформация.

За метали със структура, получена в междинната област, са характерни 

два вида разрушения и междинни стойности на удължението. Тази термичната 

обработка се явява основна за нисколегираните  Cr-Mo-V  стомани. Структура, 

получена   в   резултат   на   междинни   превръщания  Cr-Mo-V  стомани   се 

характеризира с развита тънка субструктура и с равномерно разпределение на 

дисперсните   карбиди.   Отвръщането   е   втория   задължителен   стадий   на 

термичната обработка. Отвръщането на стоманата предизвиква допълнително 

отделяне на карбиди. При отвръщане при температури до 600

°

С в структурата 

се наблюдава само карбид от типа 

Ме

2

С със структура цементит. В този карбид 

може да влезе молибдена, особено след високотемпературно отвръщане.

При   отвръщане   при   600

°

С   се   наблюдава   непрекъснато   отделяне   на 

карбидите   на   ванадия,   дисперсията   на   които   зависи   от   температурата   и 

времето на отвръщане. Основните уякчаващи фази, наблюдавани в стоманите, 

са следните:12Х1М!Ф – 

Ме

3

С, VC, 

Ме

7

С

3

, преминаващи в 

Ме

23

С

6

; 12Х2МФСР – 

Ме

3

С,   Мо

2

С,  Nb(CN),  

Me

23

C

6

,  

Me

2

B;   12X2MФБ   –   Мо

2

С,  Nb(CN),  

Me

2

B,  

Me

23

C

6

; 

15Х1М1Ф – Мо

2

С, Nb(CN), 

Ме

2

В, 

Ме

23

С

6

; 15Х1М1Ф – Мо

2

С, VC, 

Me

23

C

6

.

В   началото,   отделените   карбиди   на   ванадия   намаляват   ударната 

жилавост,   удължението   и   напречното   свиване,   обаче   в   резултат   на 

повишаването   на   температурата   до   700-750

°

С   при   отвръщането,   има 

възможност да се получат много високи изходни стойности на пластичността на 

стоманата.

Стареенето   на   стоманите   в   лабораторни   условия   и   изучаването   на 

метала   показва   висока   стабилност   на   механичните   свойства,   макар,   че 

съдържанието на карбидната фаза в процеса на продължително стареене или