3. Стали криогенной техники

Сфера применения криогенной техники непрерывно расширя­ется. Криогенная техника применяется как в традиционных отрас­лях промышленности (металлургия, химия), так и в сравнительно новых (ракетостроение, энергетика, управление термоядерными процессами, освоение космоса, физика высоких энергий). В послед­ние десятилетия появились такие специальные отрасли знания, как криобиология, криомедицина, криоэнергетика и др.

Дальнейшее развитие криогенной техники обусловлено созда­нием материалов, пригодных для работы при низких температу- pax. В настоящее время и в ближайшем будущем сталь остается основным материалом для изготовления механизмов, машин и конструкций, работающих в этих условиях. Стали для криоген­ной техники должны обеспечивать необходимую прочность в со­четании с высокой вязкостью и пластичностью, обладать малой чувствительностью к концентрации напряжений и низкой склон­ностью к хрупкому разрушению. Учитывая технологию изготов­ления изделий, работающих при низких температурах, такие ста­ли должны обладать хорошей свариваемостью. Важной характе­ристикой сталей является их высокая коррозионная стойкость.

Стабильные 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 они в настоящее время являются наиболее распро­страненными конструкционными материалами криогенной 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 4-870 К без ограничения давления.

К недостаткам этой группы сталей относятся низкая проч­ность при комнатной температуре, особенно по пределу текучести (около 250 МПа), а также сравнительно высокая стоимость, обу­словленная высоким содержанием дорогого никеля. В последние годы наблюдается тенденция к использованию в криогенной тех­нике аустенитных сталей, в которых никель полностью или час­тично заменен марганцем.

В табл. 26.2 приведены средние значения механических свойств аустенитных сталей, обычно используемых в криогенной технике.

В зависимости от содержания основных легирующих элемен­тов различают два типа хромоникелевых аустенитных сталей. Это метастабильные стали, претерпевающие заметное мартенситное превращение при охлаждении и деформации, содержащие 17- 20 % Сг и 8-12 % Ni. Вторую группу образуют стабильные стали, содержащие 17-25 % Сг и 14-25 % Ni. В них мартенситное пре­вращение подавлено и аустенитная структура сохраняется вплоть до самых низких температур.

Средние значения механических свойств аустенитных сталей для криогенной техники

Система леги­рования	Марка стали	Г, К	ств, МПа	а0,2> МПа	5, %	KCV, Дж/см2
Cr-Ni	12X18H10T	293	660	280	65	360
		77	1520	450	36	300
		20	1550	510	37	280
Cr-Mn	03Х13АГ19	293	890	380	63	200
		77	1300	730	31	125
		20	1330	900	12	100
Cr-Ni-Mn	10Х14Г14Н4Т	293	820	270	62	280
		77	1350	430	40	280
		20	1410	450	31	220
Cr-Ni-Mn	03Х20Н16АГ6	293	780	410	52	160
		77	1550	900	48	100
		20	1930	1360	31	90
Cr-Ni-Mn	07Х13Н4АГ20	293	760	370	69	150
		77	1290	680	50	110
		20	1700	1120	18	80

Высокая стоимость никеля привела к созданию сталей (марки 03Х13АГ19, 10Х14Г14Н4Т), в которых никель полностью или частично заменен марганцем, также являющимся стабилизатором аустенита. В их состав дополнительно вводят азот, способствую­щий получению аустенитной структуры и дополнительному уп­рочнению (03Х20Н16АГ6, 07Х13Н4АГ20).

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

Растворимость азота в у-железе при температуре 830 °С состав­ляет всего лишь 0,027 %. Присутствие хрома и особенно марганца способствует увеличению растворимости азота в стали. Эффек­тивность влияния азота как элемента внедрения, блокирующего движение дислокаций и повышающего предел текучести, с пони­жением температуры возрастает. Повышая стабильность аустени­та, азот препятствует образованию 5-феррита при высоких темпе­ратурах.

Введение азота в хромоникельмарганцевые стали позволяет более чем в полтора раза поднять уровень предела текучести при комнатной температуре. С понижением температуры эффектив­ность влияния азота как элемента внедрения, блокирующего движение дислокаций, на величину предела текучести еще более возрастает. Хром, никель и марганец как элементы замещения оказывают меньшее влияние на прочностные свойства, их роль определяется необходимостью обеспечения заданной аустенитной структуры.

К недостаткам азота как легирующего элемента относятся его склонность к ликвации при кристаллизации стального слитка и некоторое осложнение процессов сварки. Присутствие азота в ста­ли требует определенного ограничения погонной энергии во избе­жание выпадения карбонитридов по границам зерен, что может приводить к снижению пластичности и вязкости сварного шва и повышению чувствительности к концентраторам напряжений.

В свариваемых сталях с азотом необходимо более строго огра­ничивать концентрацию углерода. Содержание углерода должно приближаться к пределу его растворимости в аустените, состав­ляя не более 0,03-0,04 % . Получение низкой концентрации угле­рода в стали создает определенные трудности при выплавке.

С целью исследования закономерностей влияния состава на свойства стабильных аустенитных хромоникельмарганцевых ста­лей с азотом проведена серия плавок с использованием методов планирования эксперимента и математико-статистической обра­боткой экспериментальных данных. Пределы варьирования основ­ных легирующих элементов охватывали практически весь спектр аустенитных сталей, используемых в криогенной технике.

За основу приняты малоуглеродистые (< 0,04 % С), коррози­онностойкие (> 13 % Сг), никельсодержащие (> 10 % Ni) стали, дополнительно легированные молибденом (от 0 до 2,5 %), мар­ганцем (от 0 до 10 %) и азотом (от 0,15 до 0,45 %). Металл опыт­ных плавок ковали при температуре 1000-1200 °С на прутки диа­метром 15 мм и подвергали аустенитизации при 1050 °С с охлаж­дением в воде.

Анализ уравнений регрессии позволил предложить состав стабильной аустенитной стали для работы при температуре до 4 К.

Состав стали выбирали с учетом следующих ограничений:

1. немагнитная аустенитная структура должна быть устойчи­вой в диапазоне температур до 4 К;

2. прочностные характеристики при комнатной температуре должны быть не ниже 500 МПа для предела текучести и 850 МПа для временного сопротивления;

3. прочность при температурах 20 и 4 К должна быть выше 1200 и 1800 МПа для предела текучести и временного сопротив­ления соответственно;

4. относительное удлинение при температуре 4 К должна со­ставлять не менее 20 %, а ударная вязкость на образцах Шарпи - 80 Дж/см;

5. материал должен обладать высокой коррозионной стойко­стью в воздушной среде при изменяющихся температурных усло­виях работы, быть технологичным и хорошо свариваться.

Решение этой многофакторной задачи проводили с использо­ванием графических интерпретаций уравнений регрессии в виде проекций поверхности отклика на оси с координатами никель - марганец для трех рассматриваемых характеристик при мини­мальном и максимальном содержании хрома (рис. 26.6, a-в). На рис. 26.6, г показана область составов, отвечающих заданным требованиям.

12 14 16 18 20 12 14 1S 18 Ni,%

Рис. 26.6. Оптимизация содержания марганца, никеля и хрома для стабильных аустенитных сталей с 0,4 % N и 2 % Мо:

а - структурная диаграмма после растяжения при температуре 77 К; б - ударная вязкость KCV при температуре 4 К; в - предел текучести при температуре 293 К; г - область составов с требуемыми свойствами; сплошные линии - стали с 12 % Сг, пунктирные линии - с 17 % Сг

Для сталей с максимальной концентрацией хрома диапазон легирования никелем и марганцем, позволяющий получить необхо­димые характеристики, более широк, чем для сталей с минимальной

в

6

*

2

О

в

6

«

2

О

Мп

концентрацией хрома. Более целесообразно использовать стали, относящиеся к центральной области оптимальных составов, рас­четы для которых характеризуются наибольшей достоверностью. В качестве одного из возможных составов была предложена сталь типа 04Х21Н16АГ8М2ФД. Для проверки свойств стали, получен­ной путем анализа уравнений регрессии, были выплавлены две плавки (1 и 2). Плавка № 1 содержала, %: 0,04 С, 22 Сг, 16,5 Ni,

9. Мп, 0,41 N, 0,004 S, 0,008 Р, 0,15 V и 0,8 Си; плавка № 2 — до­полнительно 2 % Мо. Дополнительное легирование молибденом по­высило стойкость против точечной коррозии. Благоприятное влия­ние молибдена объясняется подавлением им действия марганце- восодержащих сульфидов типа MnS и (Mn^FegCrJS. Из табл. 26.3 следует, что испытания образцов из выплавленных сталей пока­зали хорошее совпадение прогнозируемых и расчетных характе­ристик.

Аустенитные хромоникелевые стали такого типа с азотом, об­ладая почти вдвое более высокой прочностью по сравнению с обычными хромоникелевыми сталями, перспективны для изго­товления высоконагруженных деталей машин и конструкций криогенной техники. Они технологичны, хорошо свариваются, коррозионностойки, характеризуются высоким показателем вяз­кости и пластичности вплоть до температур жидкого гелия. Стали этой системы легирования сохраняют высокую стабильность ау- стенитной структуры в криогенных условиях.

Стабильноаустенитные стали высокой прочности находят при­менение при изготовлении сверхпроводящих магнитов, установок термоядерного синтеза, криогенных оболочек сверхпроводящих устройств, установок для специальных физических эксперимен­тов и т. д.

Таблица 26.3 Механические свойства стали 04Х21Н16АГ8М2ФД

Номер плавки	тю, к	Со.г- мПа	сгв, МПа	8„ %	KCV, Дж/см2
1	293	500/512	860/878	55/45	360/294
2		500/510	890/883	54/49	390/302
1	77	1180/1195	1995/1962	24/22	110/124
2		1205/1164	200/1980	24/23	160/120
Примечание. В числителе приведены фактические, в знаменателе - расчет­
ные данные.

Механические свойства и магнитная проницаемость Fe—Мп—Сг—А1

сплавов

Сплав	Т, К	Механические свойства (не менее)				Магнитная проницаемость в полях напряженностью (кА/м)
		ст„ МПа	а0,2> Mfta	5.-,, %	KCV, Дж/см2	40	300	900
120Г25Х5Ю7	293	1030	800	43	165*	1,0035	1,0022	1,0019
	4,2	1900	1650	19	60	1,0065	1,0038	1,0020
105Г25Х5Ю5	293	1000	800	42	185	1,0030	1,0024	1,0021
* При 20 К.	4,2	1850	1650	20	100	1,0038	1,0030	1,0021

В криогенном энергомашиностроении и прецизионной техни­ке требуются материалы, обладающие стабильной маломагнитной структурой, магнитная проницаемость которых не должна пре­вышать порог маломагнитности (ц < 1,01) в ходе длительной экс­плуатации в магнитных полях различной напряженности. Клас­сические хромоникелевые аустенитные стали непригодны для этих целей: их температурные зависимости очень сложны, а ве­личина магнитной проницаемости в зависимости от содержания никеля, напряженности магнитного поля и температуры может изменяться в пределах 1,008-2,150.

Для такого типа оборудования было рекомендовано использо­вать стабильные высокоуглеродистые стали системы Mn-Cr—А1. Этим условиям соответствуют высокоуглеродистые стали типа 120Г25Х5Ю7 и 105Г25Х5Ю5, механические свойства и магнит­ная проницаемость приведены в табл. 26.4.