Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Объемное и поверхностное легирование железоуглеродистых сталей кремнием существенно повышает их окалиностойкость.
Введение в сталь кремния сильно замедляет образование на железе окисной пленки, причем процесс образования окисной пленки на поверхности стали, легированной кремнием, происходит с преимущественным окислением последнего в SiO2. В железокремнистых сталях с 4% Si слой окислов, образовавшихся после нагрева до 800 °C, имеет исключительно высокое содержание кремнекислоты — до 50%. Если отношение содержания кремния к содержанию железа в сплаве составляет 1:25, то в оксидном слое оно изменяется до 1:2. Этот богатый окисью кремния слой окалины и создает устойчивость против окисления при высоких температурах. He установлено лишь, образует ли кремний с железом, подобно хрому, плотную и прочно связанную с металлом пленку сложного окисла типа шпинели (а если образует, то в какой степени) или же влияет на распределение вакансий в оксидном слое.
В табл. 28 приведены данные о влиянии кремния на окалиностойкость различных групп сталей, которые свидетельствуют о перспективности применения силицирования с целью повышения окалиностойкости как углеродистых, так и легированных хромистых сталей. Благоприятное влияние добавок кремния на повышение стойкости против окисления хромоникелевых аустенитных сталей отмечается в работах Ф.Ф. Химушина. Данные, характеризующие влияние силицирования на жаростойкость указанных групп сталей при различных способах, силицирования, приведены в табл. 29—31.
В зависимости от способа и режима силицирования жаростойкость углеродистых и низколегированных сталей в интервале температур 700—900 °C увеличивается от 3 до 20 раз, высоколегированных нержавеющих сталей (типа 1X13 и 1Х18Н9Т) — от 2 до 4 раз. Положительные результаты по жаростойкости силицированных высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталей получены в работах.
Эти далеко не многочисленные исследования свидетельствуют о большой перспективности применения силицирования для повышения коррозионной стойкости высоколегированных сталей в различных агрессивных средах при высоких температурах. Например, в работе установлено, что силицирование хромоникелевой стали ЭИ417 оказалось эффективнее хромирования, алитирования и алюмосилицирования для защиты ее от воздействия сред, содержащих V2O5. Все покрытия, кроме силицированных, при испытании в течение 500 час в контакте с золой, содержащей 10 и 41,6% V2O5, при температуре 730 °C разрушились. Полученные результаты позволили авторам рекомендовать силицирование для защиты направляющих лопаток газотурбинных установок от коррозии в среде продуктов сжигания топлив с высоким содержанием ванадия.
Многочисленными исследованиями установлено, что углеродистые силицированные стали могут длительно работать в условиях окислительного нагрева при 800 °С, а высоколегированные нержавеющие стали — вплоть до 1000 °С.
Однако общепринятое мнение, что защитные свойства силицированного слоя резко падают при температурах выше 800 °С, по всей вероятности, является не совсем верным. Фазовый состав, строение, концентрация кремния в Диффузионном слое и т. д., а следовательно, и поведение силицированных сталей определяются прежде всего методом и режимом силицирования. На рис. 60 приведены сравнительные данные по жаростойкости силицированных различными методами сталей, полностью подтверждающие высказанное выше положение.
Установленная в работе весьма резкая тенденция к снижению защитных свойств силицированного слоя с повышением температуры испытания (табл. 31) оказалась нехарактерной для электролизного (см. табл. 29) и жидкостного (см. табл. 30) силицирования. Если степень повышения жаростойкости при электролизном силицировании остается примерно одинаковой (в 1,5—3 раза по сравнению с исходными) при всех исследованных температурах, то при жидкостном силицировании наблюдается обратная установленной в работе закономерность — степень повышения жаростойкости возрастает с повышением температуры испытания.
Анализ кинетики окисления высококремнистых сталей при температуре 1000°С, а также полученные авторами данные свидетельствуют о том, что силицированные углеродистые стали хотя бы кратковременно могут применяться вплоть до 1000°C.
Даже сравнительно малоперспективный с точки зрения повышения жаростойкости метод силицирования в расплаве на основе фтористых солей (рис. 61, режим IV) обеспечивает повышение окалиностойкости углеродистых сталей от 4 до 10 раз (привес несилицированных образцов сталей Э12, 20, 45 и У8 при тех же условиях испытания составляет соответственно 1450, 1310, 1400 и 1110 г/м2). Силицирование тех же сталей по оптимальным технологическим режимам (рис. 61, режим V) обеспечивает повышение жаростойкости при кратковременных выдержках (до 25 час) при температуре 1000°C в 50—60 раз.
Как видно из рис. 61, в случае кратковременных (а возможно, и длительных) выдержек при 1000 °C силицированные углеродистые стали по жаростойкости не уступают хромированным и алитированным.
К недостаткам силицированных углеродистых сталей следует отнести сравнительно низкую термостойкость образующейся окисной пленки. При работе силицированных сталей в условиях периодических нагревов и охлаждений окисная пленка растрескивается и теряет свои защитные свойства. Трещины, как правило, располагаются по образующей цилиндрических образцов.
Высоколегированные хромистые и хромоникелевые стали лишены указанного недостатка. Полученные в работе результаты свидетельствуют о высокой термостойкости защит, ной окисной пленки на стали ЭИ417. При периодическом нагреве и охлаждении силицированных образцов с температуры 730 до 20 °C в течение 15—20 мин (продолжительность испытания 40 циклов) растрескивания и отслаивания окисной пленки и силицированного слоя не наблюдалось. He было обнаружено растрескивания окисной пленки и слоя при охлаждении силицированных образцов в воде с температуры 1150 °С. К аналогичным выводам авторы пришли в результате наблюдения за поведением окисной пленки и слоя в условиях периодического нагрева и охлаждения силицированных сталей 1X13 и 1Х18Н9Т.
Приведенные выше результаты исследования жаростойкости силицированных сталей позволяют утверждать, что перспективно его применение с целью защиты от окисления нержавеющих и легированных сталей.
Применение углеродистых и низколегированных силицированных сталей при высоких температурах в промышленных условиях целесообразно в том случае, когда применение окалиностойких высоколегированных сталей по каким-либо соображениям невозможно или нецелесообразно с экономической точки зрения. Например, авторами силицирование использовано для повышения окалиностойкости оправок из стали 20 для отжига магнитопроводов. Изготовление оправок для отжига магнитопроводов из жаростойких хромоникелевых сталей нецелесообразно, а обычные углеродистые стали обладают недостаточной долговечностью. Производственные испытания показали увеличение стойкости оправок в результате силицирования более чем в 6 раз.