Стали кріогенної техніки

Стали для кріогенної техніки повинні забезпечувати необхідну міцність в поєднанні з високою в’язкістю і пластичністю, володіти малою чутливістю до концентрації напружень і низькою схильністю до крихкого руйнування. З огляду на технологію виготовлення виробів, що працюють при низьких температурах, такі стали повинні мати гарну зварюваність. Важливою характеристикою сталей є їх висо-кая корозійна стійкість.

Стабільні аустенітні сталі. Широке поширення в техніці низьких температур отримали хромонікелеві аустенітні сталі, що містять 17 – 25% хрому і 8 – 25% нікелю. Завдяки збереженню високої пластичності і в’язкості в широкому температурному діапазоні, корозійної стійкості в поєднанні з хорошими технологічними властивостями вони в даний час є найбільш поширеними конструкційними матеріалами кріогенної техніки.

Хромонікелеві аустенітні стали застосовуються для виготовлення зварних елементів апаратів, ємностей, трубопроводів (обичайок, днищ, пат-рубки, фланців), деталей арматури (штоків, клапанів, сідел) і т. Д. Рекомендована температура експлуатації зварних з’єднань 4 – 870 К без обмеження тиску.

Залежно від змісту основних легуючих елементів розрізняють два типи хромонікелевих аустенітних сталей. Це метастабільні стали, претерпевающие помітне мартенситних перетворення при охолодженні і деформації, що містять 17 – 20% Сr і 8 – 12% Ni. Другу групу утворюють стабільні стали, містять 17 – 25% Сr і 14 – 25% Ni. У них мартенситних перетворення придушене і аустенитная структура зберігається аж до найнижчих температур.

До недоліків цієї групи сталей відносяться низька міцність при кімнатній температурі, особливо за межею текучості (близько 250 МПа), а також порівняно висока вартість, обумовлена високим вмістом дорогого нікелю.

Висока вартість нікелю привела до створення сталей, в яких нікель повністю або частково замінений марганцем, також є стабілізатором аустеніту (марки 03Х13АГ19, 10Х14Г14Н4Т). До їх складу додатково вводять азот, що сприяє отриманню аустенитной структури і додаткового зміцнення (03Х20Н16АГ6, 07Х13Н4АГ20).

Введення азоту в хромонікельмарганцевие стали дозволяє більш ніж в півтора рази підняти рівень межі текучості при кімнатній температурі. Зі зниженням температури ефективність впливу азоту як елемента впровадження, блокуючого рух дислокацій, на величину межі текучості ще більш зростає. Хром, нікель і марганець як елементи заміщення роблять менший вплив на властивості міцності, їх роль визначається необхідністю забезпечення заданої аустенитной структури.

До недоліків азоту як легуючого елемента відносяться його схильність до ліквації при кристалізації сталевого злитка і деяке ускладнення процесів зварювання. У зварювальних сталях з азотом необхідно більш строго обмежувати концентрацію вуглецю, яке повинно наближатися до межі його розчинності в аустените, складаючи не більше 0,03 – 0,04%.

Для роботи при температурах до 4 До аустенитная сталь повинна відповідати наступним вимогам:

немагнітна аустенитная структура повинна бути стійкою в діапазоні температур до 4 К;
міцності при кімнатній температурі повинні бути не нижче 500 МПа для межі текучості і 850 МПа для тимчасового опору;
міцність при температурах 20 і 4 До повинна бути понад 1200 і 1800 МПа для межі текучості і тимчасового опору відповідно;
відносне подовження при температурі 4 До має становити не менше 20%, а ударна в’язкість на зразках Шарпі – 80 Дж / см2;
матеріал повинен мати високу корозійну стійкість в повітряному середовищі при змінюються температурних умовах роботи, бути технологічним і добре зварюються.
Цим вимогам повніше інших відповідає сталь 04Х21Н16АГ8М2ФД.

Аустенітні хромонікелеві сталі такого типу з азотом, володіючи майже вдвічі вищою міцністю в порівнянні зі звичайними хромонікелеві сталі, перспективні для виготовлення високонавантажених деталей машин і конструкцій кріогенної техніки. Вони технологічні, добре зварюються, корозійностійких, характеризуються високим показником в’язкості і пластичності аж до температур рідкого гелію. Стали цієї системи легування зберігають високу стабільність аустенитной структури в кріогенних умовах.

Стабільні аустенітні сталі високої міцності знаходять застосування при виготовленні надпровідних магнітів, установок термоядерного синтезу, кріогенних оболонок надпровідних пристроїв, установок для спеціальних фізичних експериментів і т. Д.

У криогенном енергомашинобудування і прецизійної техніки потрібні матеріали, що володіють стабільною маломагнітні структурою, магнітна проникність яких не повинна перевищувати поріг маломагнітні (M <1,01) в ході тривалої експлуатації в магнітних полях різної напруженості. Цим вимогам відповідають стабільні високовуглецеві стали системи Мn – Сr – А1 типу 120Г25Х5Ю7 і 105Г25Х5Ю5.

Метастабільні аустенітні сталі. Існує цілий ряд деталей і вузлів кріогенної техніки, до металу яких не висуваються вимоги щодо стабільності аустенитной структури та магнітної проникності в процесі експлуатації. До них відносяться ємності для зберігання і транспортування зріджених газів, перспективні проекти паливних баків автомобілів, що працюють на зрідженому природному газі, а також паливних баків авіакосмічской техніки. Основними характеристиками металу для їх виготовлення є висока питома міцність і технологічність. Традиційно такі судини виготовляються з аустенітної сталі 12Х18Н10Т, однак питома міцність стали невисока, що довгий час стримувало широке поширення зрідженого природного газу в якості палива.

Необхідною міцністю в поєднанні з високим комплексом пластичних і в’язких властивостей при низьких температурах можуть володіти Cr – Ni – Mn метастабільні аустенітні стали, додатково леговані ванадієм і азотом. Старіння такого металу супроводжується зміцненням за рахунок виділення карбонітридним фаз V (C, N). В результаті цього тимчасовий опір і особливо межа плинності стали після старіння зростають.

Оптимальні механічні характеристики Cr – Ni – Mn сталей з азотом і ванадієм досягаються при дотриманні умови

V / (C + N) = 3,1 – (7.1)

Цим вимогам відповідає сталь 06Х15Н9Г8АФ для працюючих під тиском судин криогенного призначення, що містить не більше,%: 0,06 С, 14 – 16 Сr, 8,5 – 9,5 Ni, 7 – 9 Мn, 0,2 – 0,4 N, 1,0 – 1,5 V.

Високоміцні мартенситно-старіючі сталі. Відмінною особливістю цієї групи сталей є отримання при загартуванню практично безуглеродістого легованого мартенситу і його подальше старіння при температурі близько 500 ° С, що супроводжується виділенням інтерметалідних фаз. Це забезпечує поєднання високих характеристик міцності властивостей з достатньою пластичністю і в’язкістю. Небезпека тендітних руйнувань при низьких температурах на відміну від інших високоміцних сталей зменшується завдяки присутності нікелю і низькому вмісту вуглецю (не більше 0,03%). Висока концентрація легуючих елементів запобігає утворенню немартенситних продуктів перетворення аустеніту незалежно від швидкості охолодження при загартуванню.

Посилання на основну публікацію