Материал: А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Наиболее важными технологическими свойствами хладостойких сталей являются свариваемость и пластичность, столь необходимые для изготовления герметичной аппаратуры, труб и тонкостенных конструкций.

4.1.Никелевые низкоуглеродистые стали

Внизкотемпературной технике применяют низкоуглеродистые никелевые стали 0Н6 и 0Н9 (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Химический состав низкоуглеродистых никелевых сталей 0Н6 и 0Н9

Термическая обработка сталей 0Н6 и 0Н9 обычно производится в режиме двойной нормализации с нагревом: при первой – до 900 °С, при второй – до 790 °С, далее отпуск при 560–590 °С, с охлаждением на воздухе. Первая нормализация проводится в целях гомогенизации стали в области твердого γ-раствора, вторая – для получения мелкозернистой структуры. В некоторых случаях вторую нормализацию заменяют закалкой в воде, начиная с 830 °С. Увеличение скорости охлаждения аустенита повышает ударную вязкость при низких температурах.

Структура сталей после термообработки представляет собой легированный феррит с 10–15 % остаточного аустенита и небольшим количеством карбидов. Остаточный аустенит увеличивает вязкость стали. Максимум ударной вязкости стали 0Н9 (70–80 Дж/см2) соответствует отпуску при 575 °С. При правильно выбранной температуре отпуска остаточный аустенит не превращается в мартенсит, стабилизируется и не подвергается превращениям при охлаждении до рабочих температур. При появлении мартенсита в структуре снижается ударная вязкость при пониженных температурах.

Никелевые стали имеют хорошие технологические свойства.

146

Они удовлетворительно штампуются в горячем и холодном состояниях, хорошо свариваются и обрабатываются резанием. После сварки термообработка необязательна. Работоспособность сварных конструкций при низких температурах достигается применением присадочной проволоки, содержащей до 80 % никеля (типа инконель), проволоки Св-06Х15Н60М15, электродов из стали 10Х20Н70Г2Б2В на базе проволоки Св-ХН78Т. При сварке листов малой толщины (до 4 мм) допустимо применение проволоки, содержащей до 25 % никеля, например Св-Х16Н25АМ6.

Стали 0Н6 и 0Н9 по сравнению с аустенитными хромоникелевыми сталями имеют в 3–4 раза более высокую теплопроводность и меньший (на 30 %) коэффициент линейного расширения.

Никелевые низкоуглеродистые стали имеют недостаточную стойкость против атмосферной коррозии. Для защиты от коррозии на морском воздухе и в среде промышленных районов поверхности емкостей и трубопроводов покрывают хладостойкими эмалями ти-

па АС-730.

Сталь 0Н6 используется для изготовления обечаек, днищ, патрубков статически нагруженных аппаратов и сосудов, работающих под давлением при температуре до –160 °С. При динамическом характере нагружения необходимо повысить допустимую температуру эксплуатации в сварных соединениях до –120 °С. Сталь 0Н9 применяют для изготовления статически нагруженного оборудования, работающего при температуре до –196 °С. Из нее изготавливают емкости и резервуары, предназначенные для хранения и транспортировки сжиженных газов, а также системы воздухоразделительных установок.

4.2. Аустенитные стали

Аустенитные стали отличаются от обычных хладостойких сплавов и сталей особо высокими пластичностью и вязкостью, их используют до температур кипения жидкого гелия. Благодаря хорошим технологическим свойствам из этих сталей можно изготавливать оборудование с применением любых способов холодной обработки давлением и сварки. Получение аустенитной структуры и сохранение аустенита без фазовых превращений при низких температурах достигается легированием и термической обработкой.

147

Основными легирующими элементами аустенитных сталей являются хром и никель. При определенном соотношении между ними в сталях образуется и сохраняется аустенитная структура, например при массовых долях Сr = 18 % и Ni = 8…10 % (тип 18–8).

В низкотемпературной технике используют также аустенитные стали, в которых дорогостоящий никель полностью или частично заменен марганцем. Как правило, аустенитные стали применяют в закаленном состоянии. Закалка производится после нагрева до 1050–1150 °С с охлаждением металла в воде или на воздухе с интенсивным обдувом (тонкостенные изделия). Вследствие быстрого охлаждения фиксируется состояние твердого раствора, что препятствует выделению карбидов и других фаз. Закаленные аустенитные стали имеют наивысшие пластичность и вязкость, а также коррозионную стойкость. Из-за выделения карбидов и карбонитридов по границам зерен аустенита при замедленном охлаждении в процессе закалки или при последующем нагреве закаленной стали в процессе сварки или пайки может снизиться ударная вязкость. Это особенно нежелательно при низких температурах. Выделение карбидов может способствовать развитию межкристаллитной коррозии.

4.2.1. Хромоникелевые аустенитные стали

Широкое распространение в технике низких температур получили хромоникелевые аустенитные стали, содержащие 17–25 % хрома и 8–25 % никеля. Благодаря сохранению высокой пластичности и вязкости в широком температурном диапазоне, коррозионной стойкости в сочетании с хорошими технологическими свойствами в настоящее время они являются наиболее распространенными конструкционными материалами для низкотемпературной техники.

Хромоникелевые аустенитные стали применяются для изготовления сварных элементов аппаратов, емкостей, трубопроводов (обечаек, днищ, патрубков, фланцев), деталей арматуры (штоков, клапанов, седел) и т. д. Рекомендуемая температура эксплуатации сварных соединений составляет 4–870 К без ограничения давления.

К недостаткам данной группы сталей относятся низкая прочность при комнатной температуре, особенно по пределу теку-

148

чести (около 250 МПа), а также сравнительно высокая стоимость, обусловленная высоким содержанием дорогого никеля. В последние годы наблюдается тенденция к использованию аустенитных сталей, в которых никель полностью или частично заменен марганцем.

В табл. 4.2 приведены средние значения механических свойств наиболее часто применяемых аустенитных сталей.

Таблица 4.2

Средние значения механических свойств аустенитных сталей

Наиболее широко применяется сталь 12Х18Н10Т. Модуль упругости данной стали с понижением температуры увеличивается:

Анализ изломов сталей показал, что во всем низкотемпературном диапазоне от –70 до –269 °С включительно разрушение носит вязкий характер. Очагами разрушения являются включения. Разрушение происходит путем зарождения, роста и слияния микропор.

Сталь 12Х18Н10Т характеризуется относительно малой чувствительностью к многократно повторяемым сменам температуры

149

под нагрузкой. Термоциклирование с охлаждением до –196 °С и нагревом до 20 °С ненагруженных гладких образцов не вызывает сколько-нибудь значительной остаточной пластической деформации. Накопление деформации начинается при напряжении более 0,4 ζ0,2. Для статически нагруженных конструкций и принятого уровня рабочих напряжении ползучесть стали 12Х18Н10Т при низких температурах не препятствует нормальной эксплуатации. После длительного статического воздействия при напряжении ме-

нее 0,7 ζ0,2 изделия из стали 12Х18Н10Т пригодны для длительной эксплуатации с сохранением работоспособности и эксплуатацион-

ных показателей. Также она удовлетворительно сопротивляется малоцикловой усталости.

Хромоникелевые аустенитные стали типа 12Х18Н10Т и стали с более высоким содержанием никеля также применяются для изготовления сварных элементов аппаратов, емкостей, трубопроводов (обечаек, днищ, патрубков, фланцев), деталей арматуры (штоков, клапанов, седел и т. п.). Рекомендуемая температура эксплуатации сварных соединений составляет от –269 до 600 °С.

К недостаткам данных сталей относятся низкий предел текучести при 20 °С и сравнительно высокая стоимость изделий из них.

В зависимости от содержания основных легирующих элементов различают два типа хромоникелевых аустенитных сталей: метастабильные стали, претерпевающие заметное мартенситное превращение при охлаждении и деформации, содержащие 17–20 % Сr

и8–12 % Ni; стабильные стали, содержащие 17–25 % Сr и 14–25 % Ni, в которых мартенситное превращение подавлено и аустенитная структура сохраняется вплоть до самых низких температур.

Высокая стоимость никеля привела к созданию сталей, в которых никель полностью или частично заменен марганцем, также являющимся стабилизатором аустенита. В их состав дополнительно вводят азот, способствующий получению аустенитной структуры

идополнительному упрочнению. Азот, образуя твердый раствор внедрения, существенно меняет параметры кристаллической решетки аустенита и тем самым влияет на характеристики прочности.

Растворимость азота в γ-железе при температуре 830 °С составляет всего лишь 0,027 %. Присутствие хрома и, особенно, марганца способствует увеличению его растворимости в стали.

Эффективность влияния азота как элемента внедрения, бло-

150