Материал: А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Таблица 4.6

Химический состав хромоникельмарганцевых сталей с азотом

Сталь 07Х13Н4АГ20 используют для изготовления сварных элементов сосудов и аппаратов: обечаек, днищ, патрубков. Рекомендуемая температура эксплуатации до –196 °С. Применяется для изготовления сосудов, работающих под давлением. Сталь удовлетворительно деформируется в горячем и холодном состояниях, удовлетворительно обрабатывается резанием и хорошо сваривается. Рекомендуемый режим термообработки – нагрев до температуры 1000 °С, затем охлаждение в воде или на воздухе при интенсивном обдуве. Во время выдержки более 30 мин при температуре 650–850 °С происходит выделение карбонитридов по границам зерен и снижение вязкости стали при низких температурах. В связи с этим охлаждение следует производить достаточно быстро.

Сталь 03Х20Н16АГ6 применяется для изготовления сосудов, работающих под давлением, оболочек теплообменных аппаратов, трубопроводов, арматуры. Минимальная температура эксплуатации и максимальное давление не ограничены. Сталь удовлетворительно обрабатывается давлением и резанием, хорошо сваривается с применением всех видов сварки.

Механические свойства сталей данной группы и сварных соединений из них приведены в табл. 4.7.

Сварные соединения получены автоматической сваркой под слоем флюса: для стали 07Х13Н4АГ20 – с использованием проволоки Св-05Х15Н9Г6АМ; для стали 03Х20Н16АГ6 – проволоки Св-03Х19Н15Г6М2АВ2. Ударная вязкость даже при предельных температурах эксплуатации остается на допустимом уровне.

156

Таблица 4.7

Механические свойства хромоникельмарганцевых сталей с азотом и сварных соединений из них

4.3. Метастабильные аустенитные стали

Существует целый ряд деталей и узлов, к металлу которых не предъявляются требования по стабильности аустенитной структуры и магнитной проницаемости в процессе эксплуатации. К ним относятся емкости для хранения и транспортировки сжиженных газов, перспективные проекты топливных баков автомобилей, работающих на сжиженном природном газе, а также топливных баков авиакосмической техники. Основными характеристиками металла для их изготовления являются высокая удельная прочность и технологичность.

Традиционно такие сосуды изготавливаются из аустенитной стали 12Х18Н10Т, однако удельная прочность стали невысока, что долгое время сдерживало широкое распространение этого вида топлива. Необходимой прочностью в сочетании с высоким комплексом пластических и вязких свойств при низких температурах могут обладать Сr–Ni–Мn-метастабильные аустенитные стали, дополнительно легированные ванадием и азотом. Совместное легирование стали азотом и ванадием с последующим дисперсионным твердением позволяет повысить уровень предела текучести при

157

комнатной температуре. Высокие характеристики относительного удлинения и ударной вязкости при низких температурах могут быть сохранены благодаря деформационному мартенситному превращению («эффект бегущей шейки»).

Широкому использованию аустенитных метастабильных сталей препятствует то, что образующийся в процессе низкотемпературного деформирования мартенсит может оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на механические свойства.

На мартенситное превращение в стали большое влияние оказывает ее химический состав. Оптимальным сочетанием прочностных и пластических характеристик обладает метастабильная аустенитная сталь 06Х15Н9Г8АФ. Массовая доля (в процентах) ее основных элементов: С ≤ 0,03; Сr = 14…16; Ni = 8…10; Мn = 6…8; N = 0,2…0,4; V = 0,9…1,5. Механические свойства этой стали приведены в табл. 4.8.

Таблица 4.8

Механические свойства метастабильной стали 06Х15Н9Г8АФ

Сталь применяют для изготовления топливных баков для природного газа. Термообработка состоит из горячей прокатки при температуре 1200–900 °С и аустенитизации при температуре 1150 °С с охлаждением в масле. Сталь обладает хорошей свариваемостью: механические свойства сварных соединений близки к свойствам основного металла.

4.4. Литейные стали

Стальные отливки сравнительно редко применяют в низкотемпературной технике. Однако существует ряд изделий, для которых их применение целесообразно. К ним, например, относится за-

158

порно-регулирующая арматура. Изготовление корпусов вентилей из кованых, штампованных заготовок или проката путем механической обработки и сварки связано с большими трудозатратами. Применение литья позволяет уменьшить трудоемкость.

Помимо хладостойкости стали этого назначения должны иметь высокий комплекс литейных свойств, обеспечивать плотность и герметичность материала отливки. Они должны обладать высоким сопротивлением механической и термической усталости, выдерживая до 5000 циклов захолаживания–отогрева в диапазоне температур перекачиваемого продукта и окружающей среды. По условиям эксплуатации корпус арматуры может испытывать как статические, так и динамические нагрузки. Статические нагрузки действуют на корпус при непрерывном прохождении продуктов под давлением. Кратковременные динамические нагрузки происходят на переходных режимах, а также в случае гидравлического удара, связанного с резким торможением потока жидкости при подходе к местным сопротивлениям.

Обычно применяемые хромоникелевые стали хорошо сопротивляются динамическим нагрузкам, но имеют низкую прочность при комнатной температуре. Кроме того, они не обеспечивают высокую герметичность изделий из-за высокой склонности к пористости, пленообразованию, дополнительно снижающих жидкотекучесть. Они склонны к образованию развитой литой дендритной структуры, оказывающей отрицательное влияние на хладостойкость отливок.

Более высокая растворимость газов в расплаве и твердом растворе хромомарганцевых сталей позволяет получать беспористую плотную структуру отливок. Максимальные значения деформации и разрушения имеют литые стали, содержащие 13 % хрома и 28 % марганца без дополнительного легирования или стали с 8 % хрома и 20 % марганца с повышенным содержанием никеля до 3 %.

Введение ванадия совместно с азотом приводит к измельчению дендритной структуры, упрочнению сталей дисперсными частицами и снижению охрупчивающего влияния азота. Стали с содержанием 5–13 % хрома и до 28 % марганца имеют хорошие литейные свойства.

Оптимальное сочетание прочностных, пластических и вязких свойств, высоких литейных свойств и коррозионной стойкости

159

обеспечивают стали типа 07Х13Г28АНФЛ, содержащие (в про-

центах) не более 0,7 C; 27–29 Мn; 12–14 Сr; 0,5–1,5 Ni; 0,1–0,2 V; 0,2–0,3 N. Механические и литейные свойства этой стали в сопоставлении с такими же характеристиками стали 12Х18Н10Т приведены в табл. 4.9.

Таблица 4.9

Механические свойства сталей и результаты испытаний литых корпусов внутренним давлением

Из табл. 4.9 следует, что корпуса из стали 07Х13Г28АНФЛ имеют более высокие свойства и выдерживают более высокое внутреннее давление по сравнению с корпусами из литой и даже деформированной стали 12Х18Н10Т. Разрушение корпусов из стали 07Х13Г28АНФЛ происходило с образованием вязкого излома. Низкие свойства литой стали I2X18H10TJI обусловлены разрушением сколом из-за наличия пленки и грубой литой структуры. Сталь 07Х13Г28АНФЛ хорошо сваривается без горячих и холодных трещин. Отношение прочности металла сварного соединения к прочности основного металла находится в пределах 0,95–0,98.

4.5. Железоникелевые сплавы

Для изготовления некоторых узлов низкотемпературных установок, размеры которых не должны меняться с изменением температуры, используют высоколегированные инвары – сплавы железа с никелем. Из инваров изготавливают жесткозакрепленные трубопроводы сложной пространственной формы, например трубопроводы жидкостных ракетных двигателей, некоторые элементы

160