3.5.2.Жаростойкое легирование

При осуществлении жаростойкого легирования легирующие добавки вводят в защищаемый материал на этапе его выплавки, в результате чего происходит более или менее равномерное распределение последних в объеме защищаемого материала.

Известны различные теоретические положения, определяющие выбор легирующего элемента при создании жаростойких сплавов.

Следует указать три наиболее обоснованные теории, отличающиеся предполагаемым механизмом действия легирующей добавки:

1. ионы легирующего элемента, входя в решетку оксида основного металла, уменьшают ее дефектность и соответственно скорость массопереноса в ней;
2. легирующий элемент на поверхности защищаемого материала образует специальный защитный оксид, препятствующий окислению основного металла;
3. легирующий элемент с основным металлом образуют двойной оксид типа шпинели, обладающий повышенными защитными свойствами.

Авторами первой теории жаростойкого легирования (Вагнер, Хауффе и др.) высказан ряд требований, предъявляемых к легирующему элементу. Основные из них таковы:

• легирующий элемент должен иметь большее сродство к кислороду, чем основной металл;
• легирующий элемент должен хорошо растворяться в оксиде основного металла.

Данная теория, в частности, позволила предсказать пригодность малых количеств легирующих элементов, вводимых в состав железоуглеродистых сплавов, с целью повышения их жаростойкости.

Согласно основной идее, высказанной авторами второй теории жаростойкого легирования (Смирнов А.А.,Томашов Н.Д.), легирующий элемент должен образовывать на поверхности защищаемого металла специальный оксид, затрудняющий диффузию реагентов и окисление основного металла.

Данная теория предъявляет следующие основные требования к легирующим элементам:

• оксид легирующего элемента должен удовлетворять условию сплошности, т.е. Vok/ VMe* >1, где  Ме*− легирующий элемент;
• легирующий элемент должен обладать большим, чем у основного металла сродством к кислороду;
• размер ионов легирующего элемента должен быть меньше, чем у основного металла (rи* < rи);
• оксид легирующего элемента должен обладать высоким электросопротивлением, высокой температурой плавления и кипения и не образовывать эвтектик  с другими оксидами.

Изложенная теория находится в хорошем соответствии с практикой и позволяет оценить пригодность различных легирующих элементов для осуществления средней и высокой степени легирования материала для повышения его жаростойкости.

Основная идея третьей теории жаростойкого легирования сводится к тому, что легирующий элемент для повышения жаростойкости основного металла должен образовывать с ним двойные оксиды типа шпинели (МеМе*2О4).Авторы теории – Данков П.Д., Архаров В.И. и др. Шпинели обладают повышенными защитными свойствами по сравнению с простыми оксидами. Эта теория  наиболее полно сформулирована Архаровым В.И. для сплавов на основе железа. Оптимальными с позиций этой теории являются такие легирующие элементы, которые уменьшают вероятность образования вюститной фазы (FeO) , являющейся наиболее диффузионно-проницаемой. Повышение жаростойкости с позиций теории двойных оксидов, достигается легированием стали хромом, алюминием или кремнием. Эти элементы, находящиеся в состоянии твердых растворов, при нагреве образуют защитные пленки двойных оксидов (FeCr2O4,FeAl2O3,FeSiO4 и др.).

В настоящее время, основываясь на изложенных теоретических позициях, созданы жаропрочные стали и сплавы, обладающие при этом и достаточно высокой жаростойкостью.