I. Криогенные стали | Металлолом

241

К криогенным относятся стали, используемые в машинах и оборудовании для получения, хранения и транспортиро­вания сжиженных газов с температурой кипения от —80

Ie-970

До —269 °С. Криогенные стали следует отличать от сталей северного исполнения (до —70 °С).

Основным требованием, предъявляемым к криогенным сталям, является гарантированный запас пластичности и вязкости разрушения при рабочих температурах. Мате­риал в условиях низких температур не должен обладать склонностью к хрупкому разрушению, т. е. интервал ра­бочих температур должен находиться выше порога хлад­ноломкости стали. В общем случае, чем больше разница между температурой эксплуатации и порогом хладнолом­кости, тем выше запас вязкости материала.

В большинстве случаев в качестве криогенных матери­алов применяют аустенитные Cr—Ni, Cr—Mn, Cr—Ni— Mn стали, а также ферритные стали, легированные нике­лем.

Аустенитные хромоникелевые стали

Нержавеющие хромоникелевые стали, содержащие 18— 20 % Cr и 8—12 % Ni (гл. XXII, п. 2) сохраняют аустенит – ную структуру при охлаждении вплоть до криогенных температур, однако аустенит таких сталей нестабилен, т. е. способен претерпевать под влиянием пластической де­формации мартенситное превращение, в результате кото­рого в структуре могут возникать мартенситные фазы. Увеличение содержания хрома и никеля в сталях типа 18—8 приводит к снижению температурного интервала мартеиситного – превращения и уменьшает интенсивность мартенситных превращений при деформации. Аустенит­ные хромоникелевые стали имеют невысокую прочность при комнатной температуре. Хромоникелевые стали для службы при криогенных температурах упрочняют холод­ной пластической деформацией, однако повышение проч­ностных характеристик в результате деформации сопро­вождается снижением пластических свойств (рис. 143), особенно сильно у сталей с нестабильным аустенитом, со­держащих 8—10 % Ni.

В процессе холодной пластической деформации хромоникелевых аус – ] тенитных сталей наряду с образованием а-мартенсита возникает е-мар – ! тенсит с г. п. у. решеткой. ]

В тех случаях, когда требуется сохранить высокие механические \ свойства вплоть до температуры абсолютного нуля в отсутствие ферро­магнитных фаз, применяют хромоникелевые стали с содержанием 18— 25 % Cr и 14—25 % Ni. Высокое содержание хрома и никеля в этих сталях делает аустеннт стабильным, полностью подавляя мартенситные превращения в процессе холодной пластической деформации и при экс­плуатации.

Влияние температуры испытания на механические свойства хромо – никелевых аустеннтных сталей показано иа рис. 144. В стали 08Х18Н20 со стабильным аустеннтом наблюдается примерно одинаковый ‘темп возрастания значений а-превращение. Значения сг0,2 при понижении температуры изменяются в стали 08Х18Н10 примерно так же, как н в

image117-5161637

Рис. 143. Влияние степени холодной пластической деформации е на механические свойства стали 08Х18Н8 (А. В. Третьяков, В. И. Зюзин)

Рис. 144. Влияние температуры испытания на механические свойства хромонике – левых аустеннтных сталей:

16*

243

08Х18Н10 (а); 08Х18Н20 (б) (А. П. Гуляев)

Стали 08Х18Н20, а значение ав растет значительно быстрее в первой стали благодаря сильному упрочняющему влиянию а – и е-мартенситных фаз. Несмотря на монотонное снижение значений ударной вязкости хро – моникелевых аустеннтных сталей они сохраняют вязкий излом и значе­ния KCU не менее 1,0 МДж/м2 вплоть до температуры кипения жид­кого гелия (—269 °С). Вследствие высокого сопротивления хрупкому разрушению аустеиитиые хромоникелевые стали применяют до темпе­ратуры —269 °С.

Хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали

image118-7027752

Аустенитные хромоникелевые стали из-за высокого содержания дефи­цитного никеля (8—20%) достаточно дорогие. В последнее время в СССР и за рубежом интенсивно ведут исследования в целях создания криогенных аустенитиых сталей, в которых никель частично или полио­стью заменен марганцем. Марганец, как и никель, увеличивает стабиль­ность аустенита относительно мартенситного превращения при охлаж­дении и холодной пластической деформации, снижая температуры то­чек Mh И МЯ сталей. Поскольку марганец в определенных количествах в противоположность никелю снижает энергию дефектов упаковки аус­тенита и обладает более слабым аустенитообразующим действием, хро­момарганцевые стали более склонны к мартеиситным превращениям, чем хромоникелевые. При полной замене никеля марганцем возрастает опас­ность хрупкого разрушения, свойственная многим марганцевым сталям при низких температурах. По этой причине, а также для повышения прочностных свойств аустенитные стали на хромомарганцевой основе дополнительно легируют никелем или азотом, а часто обоими элемен­тами совместно. Хромоникельмарганцевые стали, содержащие азот, мож­но рассматривать как криогенные стали повышенной прочности, так как они имеют значительно более высокие значения предела текучести при комнатной температуре, чем аустенитные хромоникелевые стали. В табл. 28 приведены механические свойства некоторых из наиболее рас-

Таблица 28. Механические свойства (средние) хромоникельмарганцевых и хромомарганцевых аустенитных криогенных сталей

Марка стали

‘зак’ 0C

‘исп’ cC

Ст0,2

A I ч>

Кси,

МДж /ms

МПа

%

10Х14Г14Н4Т

1050

+20

900

290

50

69

2,7

(ЭИ711)

—196

1420

400

41

60

2,3

—253

1500

500

22

14

2,1

07Х21Г7АН5

1150

+20

720

410

49

72

3,0

(ЭП222)

—196

1420

800

49

63

2,0

—253

1570

1090

38

42

2,0

03Х13АГ19

1050

+20

830

370

74

71

2,4

(ЧС-36)

—196

1440

750

46 ¦

39

1,6

—253

1440

880

15

17

1,4

Пространенных Cr—Mn, Ст—Ni—Mn криогенных сталей. Аустенитные Cr—Mn, Cr—Ni—Mn стали по прочностным и пластическим свойствам не уступают хромоникелевой стали 08Х18Н10. Благодаря более низкой стоимости хромомарганцевые стали могут успешно конкурировать с хромоникелевыми сталями. При операциях, связанных с изготовлением или упрочнением деталей способом холодной пластической деформации, следует учитывать большую склонность хромомарганцевых аустенитных сталей к наклепу по сравнению с хромоникелевыми даже в отсутствие мартенситных превращений в процессе деформации.

Термическая обработка криогенных аустенитных сталей на основе системы Cr—Mn состоит обычно из закалки от 1050—1150 0C с охлаж­дением в воде для фиксации гомогенного твердого раствора.

Аустенитные хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали рекомендуется применять в криогенном машиностроении при температу­рах эксплуатации не ниже —196 0C.

Ферритные стали, легированные никелем

Широкое распространение в качестве конструкционного материала для службы при низких температурах получили низкоуглеродистые стали F—Ni, содержащие 3,5—9 % Ni. Никелевые стали обладают хорошей технологичностью и имеют более высокие прочностные свойства по сравнению с хромоникелевыми аустенитными сталями.

Как было показано ранее (см. гл. IV, п. 4), легирование никелем, уменьшая энергию взаимодействия дислокаций с атомами примесей внед­рения в кристаллической решетке железа, эффективно снижает порог хладноломкости железа и повышает работу развития трещины в усло­виях вязкого разрушения (1 % Ni снижает порог хладноломкости при­мерно на 20 °С). Экономнолегированные никелевые стали выбирают ис­ходя из температурных условий работы конструкций:

Содержание никеля, %………………………….. 3—4 5—6 6—9

Температурная область применения,

0C………………………………………………………. —120 —150 —196

Практическое применение для изготовления криогенного оборудо­вания получили стали с 6 (0Н6) и 9 % Ni(0H9) (табл. 29). Эти стали обычно подвергают нормализации (H) или двойной нормализации с от­пуском (ДНО).

Таблица 29. Состав и механические свойства ферритных криогенных сталей (А. П. Гуляев)

Марка стали

Содержание основных элементов, % (по массе)

Терми­ческая обработка

Температура порога хладноломкости, 0C

C0 2, МПа

KCU. МДж/м[19]

С

Ni

Удо

Тш,

0Н6

0,06

6—7

H

—100

—180

470/860

2,9/0,8

ДНО

—180

—196

500/900

3,0/1,2

0Н9

0,06

8,5-

H

—130

—196

550/960

2,0/1,2

9,5

ДНО

—180

—196

600/980

2,5/2,4

Примечание. В числителе приведены свойства прн 20°С, в знаменателе— прн —196 °С.

С твердыми частицами. В соответствии с условиями внешнего воздействия на поверхность различают следую­щие виды износа: абразивный, при трении, ударный, ка – витационный и др. В процессе износа происходит дефор­мирование и разрушение микрообъемов поверхности ме­талла с последующим их отделением в виде частиц. При

Наличии агрессивных сред, повышен­ных температур и действия других физических и химических факторов, снижающих прочность поверхности, сопротивление износу зависит от коррозионной стойкости материала, его жаростойкости и других свойств.

На рис. 145 показана относитель­ная износостойкость И при абра­зивном изнашивании сталей в зави­симости от их твердости, получен­ной отпуском при различных темпе­ратурах после закалки. Стойкость сталей против абразивного изнаши­вания возрастает с увеличением их твердости, причем, чем больше со­держание углерода и карбидообра – зующих элементов в стали, тем при одинаковой твердости износостой­кость выше.

Высокомарганцовистая сталь

Марганцевый аустенит обладает высокой способностью к наклепу в процессе холодной пластической деформации (см. гл. IV, п. 5). Это свойство ярко проявляется в наибо­лее распространенной износостойкой стали — высокомар­ганцовистой аустенитной стали 110Г13Л, или стали Гад – фильда.

Сталь 110Г13Л по ГОСТ 2176—77 содержит 0,9— 1,4% С; 11,5—15% Mn; 0,3—1,0 % Si; = 55 %.

Один из-новых путей повышения прочности немагнитных сталей состоит в использовании парамагнитного е-мартен – сита, образующегося в низкоуглеродистых сталях с,16— 22% Mn (см. рис. 71,б). Двухфазные (v+е) стали \ипа 05Г20 имеют после закалки более высокие прочностные свойства по сравнению с однофазными аустенитными ста­лями (ао,2=370—450 МПа;

Scroll to Top