Các vật liệu kim loại làm việc ở nhiệt độ cao có ý nghĩa quan trọng trong nền kinh tếquốc dân và quốc phòng, nó là vật liệu không thểthiếu được đểchếtạo các chi tiết của động cơ (đốt trong, phản lực), lò nung, thiết bị nhiệt điện, vũ khí, tên lửa, tàu vũ trụ, máy bay…
2.6.3.1. Yêu cầu đối với thép và hợp kim làm việcởnhiệt độcao
Các chi tiết máy làm việcởnhiệt độcao phải đạt được hai yêu cầu. - Có tínhổn định nóng (tính bền hóa họcởnhiệt độcao).
- Có tính bền nóng (giữ được độbền cơ họcở nhiệt độ cao).
Tínhổn định nóng là khả năng của kim loại chống lại sựphá hủy của môi trường ở nhiệt độ cao (không khí nóng, sản phẩm cháy của động cơ chứa các khí có hại như CO2, SO2, H2S,… muối nóng chảy và bốc hơi chứa nhiều ion Cl-,…). Trong đó dạng phá hủy nguy hiểm và thường gặp nhất là sự oxy hóa ở nhiệt độ cao, tức là tạo thành các vẩy oxyt kim loại. Đối với trường hợp cụ thể là sắt và thép, lớp vẩy oxyt đó là Fe2O3, Fe3O4,FeO, trong đó chủ yếu là FeO có cấu tạo mạng không sít chặt, quá trình oxy hóaởnhiệt độcao phát triển thuận lợi và thép bịphá hủy rất nhanh.
Để tăng khả năng chống oxy hóa cho thép ở nhiệt độ cao thường dùng các nguyên tố hợp kim Cr, Al và Si. Các nguyên tố này khi bị oxy hóa tạo ra các oxyt tương ứng là Cr2O3, Al2O3, SiO2, chúng có cấu tạo mạng sít chặt, tạo ra màng bảo vệ vững chắc trên bề mặt thép. Lượng Si và Al thường dùng trong giới hạn 1-2% mỗi nguyên tố vì nếu nhiều quá, lớp nhôm oxyt giòn, dễ bị bong, làm giảm khả năng bảo vệ thép. Riêng Cr là nguyên tốhợp kim chống oxy hóa quan trọng, có trong mọi thép làm việc ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ làm việc càng cao, thép càng phải chứa nhiều Cr hơn, ví dụ ở 600-6500C cần 9%Cr, ở 8000C cần 14%Cr, ở 10000C cần 26%Cr để bảo đảm sựoxy hóaởmức 1mg/cm2 trong 100h.
Tính chống oxy hóa không phụ thuộc vào tổchức của thép mà chỉ phụthuộc vào thành phần hóa học, chủ yếu là lượng Cr. Hai thép ferit loại Cr cao và austenite (loại Cr-Ni) nếu có cùng lượng chứa Cr thì khả năng chống oxy hóa của chúng là như nhau.
Tính bền nóng là khả năng của kim loại chịu được tải trọng (tức là giữ được độ bền) ở nhiệt độ cao. Như đã biết, khi kim loại làm việc ở nhiệt độ cao, dưới tác dụng của tải trọng không đổi và thấp hơn giới hạn chảy trong thời gian dài, kim loại vẫn bị biến dạng dẻo một cách chậm chạp, được gọi là dão,đó là sự nối tiếp nhau một cách liên tục của hai quá trình ngược nhau biến dạng dẻo gây ra hóa bền và kết tinh lại gây ra thải bền. Hiện tượng dão trở nên đặc biệt nguy hiểm khi nhiệt độlàm việc cao hơn nhiều so với nhiệt độ kết tinh lại, kim loại sẽbị biến dạng dẻo và dẫn tới phá hủy sau một thời gian nào đó. Để nâng cao tính bền nóng phải tìm mọi cách chống lại hiện tượng biến dạng dão kểtrên.
Kim loại có nhiệt độnóng chảy càng cao có tính bền nóng càng cao. Khi có cùng nhiệt độ nóng chảy, kim loại nào có nhiệt độkết tinh lại cao hơn sẽ có tính bền nóng cao hơn. Mọi yếu tốnâng cao nhiệt độkết tinh lại đều làm tăng tính bền nóng.
Tổchức của hợp kim cũng ảnh hưởng đến tính bền nóng, cụthể trường hợp của thép, thép có tổ chức austenite có tính bền nóng cao hơn so với thép có tổ chức ferit hay hỗn hợp ferit và cacbit do austenite có nhiệt độ kết tinh lại cao hơn.
Doở nhiệt độ cao biên giới hạt kém bền hơn so với bên trong hạt, quá trình biến dạng dão dẫn tới phá hủy thường xảy ra trước tiên ở biên hạt, do vậy hạt càng nhỏtức
biên giới hạt càng nhiều tính bền nóng càng kém. Điều này ngược lại so với độ bền ở trạng thái nguội. Thực nghiệm đã chứng minh rằng hợp kim có tổ chức một pha với hạt lớn có tính bền nóng cao hơn so với hạt nhỏ.
Đối với thép, các nguyên tốhợp kim nhưMo, W, Nb, Ti, Zr có tác dụng tạo ra các pha hóa cứng phân tán như cacbit, nitrit và có tác dụng chống dão, các nguyên tố như Ni, Mn có tác dụngổn định tổchức austenite,… đều có tác dụng nâng cao tính bền nóng.
2.6.3.2. Thép làm supap xả
Trong các động cơ đốt trong, supap xả là chi tiết làm việc trong các điều kiện nặng nhất, chịu tải trọng cao, chịu nhiệt độ cao tới 650-7000C, bị ăn mòn và mài mòn trong dòng sản phẩm cháy.
Đểchếtạo supap xả cho các động cơ ô tô, máy kéo loại nhỏvà vừa, thường dùng thép Cr-Si, như các số hiệu 40Cr9Si2, 40Cr10Si2Mo. Đây là loại thép mactenxit ở trạng thái thường hóa, sau khi tôiởnhiệt độ 1000-10500C trong dầu và ramở nhiệt độ 700-7500C cũng nguội trong dầu đểtránh giòn ram loại II, độcứng đạt được trên dưới 40HRC. Tính bền nóng cao của thép này là do Cr, Si và Mo chúng vừa có tác dụng chống oxy hóa, vừa có tác dụng chống ram, tránh sựkết tụcủa cacbit.
Để làm supap xả cho các động cơ công suất lớn hơn có thể dùng mác 30Cr13Ni7Si2 và tốt nhất là dùng thép bền nóng austenite với mác 45Cr14Ni14W2Mo, do độ cứng của nó thấp nên phải đem thấm nit ơ phần cần của supap, còn phần đĩa (nấm) và cạnh vát của supap được hàn đắp bằng hợp kim stelit (hợp kim cứng kiểu nấu chảy, có khoảng 35%Cr, 1-2%C, còn lại là Co).
Supap nạp có nhiệt độlàm việc không cao nên có thểchếtạo bằng thép 40CrNi.
2.6.3.3. Thép làm nồi hơi và tuôcbin hơi
Hiện nay các nồi hơi của các nhà máy nhiệt điện thường hoạt động với các thông số, nhiệt độ hơi nước 5400C với áp suất 250at hoặc nhiệt độ5600 với áp suất 160at. Sự hạn chếnày không phải do những khó khăn vềkỹthuật mà chủyếu do không có thép bền nóng tương đối rẻ đểcó thể đảm bảo cho nồi hơi làm việc lâu dài (hơn 100000h) ở nhiệt độ và áp suất cao hơn.
Vềcông dụng, các thép này lại được chia thành hai nhóm: nhóm thép nồi hơi và nhóm thép bắt chặt.
Nhóm thép nồi hơi, với nồi hơi áp suất thấp và trung bình (dướt 60at) với nhiệt độ làm việc không vượt quá 4500C có thể dùng thép cacbon thấp CT34, CT38, C15, C20. Các ống quá nung hơi, ống dẫn hơi làm việc ở nhiệt độ cao hơn (540-5600C) phải dùng thép hợp kim cacbon thấp loại peclit như 12CrMo, 12CrMoV. Đểlàm cánh tuôc bin hơi làm việc ở 540-5600C phải dùng thép hợp kim cao hơn, thuộc loại mactenxit như 15Cr12WNiMoV, 12Cr13, 15Cr11MoV. Các nồi hơi áp suất siêu cao phải dùng thép hợp kim cao loại austenite như 9Cr14Ni19W2NbB.
Nhóm thép bắt chặt, loại thép được dùng đểlàm các chi tiết bắt chặt trong thiết bị nồi hơi – tuôcbin như bulong, vít cấy,… chúng có tác dụng làm kín các mối nồi, mặt bích. Yêu cầu cơ bản của chúng là có giới hạn chảy cao. Thường dùng các mác sau 30CrMo, 35CrNi3MoA, 38CrMoAlA, 25Cr2MoVA, 40CrNi2MoA,… đôi khi dùng cả thép cacbon C30.
2.6.3.4. Hợp kim bền nóng
Thép bền nóng tốt nhất là loại thép hợp kim cao có tổ chức austenite cũng chỉ chịu được nhiệt độ 750-8000C dưới áp suất hàng trăm at, do bị hạn chế bởi nhiệt độ nóng chảy của Fe. Muốn đạt được tính bền nóng cao hơn phải dùng các hợp kim trên cơ sởNi, Cr và các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao hơn như W, Mo,…
Hợp kim bền nóng trên cơ sởNi gồm hai loại chính là nicrôm và nimiônic.
Nicrôm là hợp kim của Cr và Ni đôi khi còn có cả Fe nữa với lượng cacbon rất thấp, có tổchức một pha. Loại hợp kim này có cơ tính thấp nhưng chịu được nhiệt độ cao, thường được dùnglàm dây điện trở.
Nimônic là hợp kim bền nóng tốt gồm bốn nguyên tố Ni-Cr-Ti-Al khoảng 20%Cr, 1%Al, 2%Ti còn lại là Ni có ký hiệu là Ni77Cr20Ti2Al. Đây là loại hợp kim hóa bền tiết pha phân tán, sau khi tôiở 1050-11500C và hóa giàở700-7500C, tổchức gồmγ+γ’trong đó γ là dung dịch rắn của Ni hòa tan Cr, Ti, Al có mạng lập phương diện tâm như austenite, còn γ’ là các phần tử rắn siêu nhỏ được tiết ra trong quá trình hóa già có tác dụng hóa bền γ nếu nung tiếp tục lên trên 8500 thì chuyển biến thành σ tương ứng với công thức Ni3Ti và mất tác dụng hóa bền. Nếu hợp kim hóa nimônic bằng B, Ce, W, Mo, Co,… sẽ tăng tính bền nóng của nó lên rất nhiều. Chúng đượcứng dụng đểchếtạo các chi tiết làm việcởnhiệt độ cao trong các độ cơ phản lực, tuôcbin khí,…
Ngày nay kỹthuật chếtạo tên lửa, tầu vũ trụ và các máy bay siêu âm đặc biệt chú ý đến các kim loại khó chảy và hợp kim của chúng. Một sốbộphận trong các thiết bị kể trên phải chịu được nhiệt độ 1600-20000C, tức là vượt quá nhiệt độ nóng chảy của Fe, Ni. Trong các trường hợp này chỉ có thểdùng hợp kim khó chảy trên cơ sở Cr (Tnc = 18500C), Mo (Tnc= 26000C), W (Tnc=34100C).
Hợp kim bền nóng trên cơ sở Cr có thể làm việc ở nhiệt độ cao tới 11000C dài hạn và tới 15000C ngắn hạn, do Cr có nhiệt độkết tinh lại cao tới 8000C.
Hợp kim bền nóng trên cơ sởMo có thểlàm việc lâu dàiở15000C.
Hợp kim bền nóng trên cơ sởW có thểlàm việc lâu dàiởnhiệt độ2000-25000C. Hiện nay người ta chú ý nhiều đến các vật liệu chịu nhiệt trên cơ sở của các hợp chất khó chảy như cacbit, nitrit, oxyt, borit,… đó là loại vật liệu gốm.