4.3.2.2 Сталі для кріогенної техніки

Такі сталі широко використовуються як в традиційних галузях промисловості (металургія, хімія), так і в порівняно нових (ракетобудування, енергетика, керування термоядерними процесами, фізика високих енергій). В останні десятиріччя з’явилися такі спеціальні галузі використання, як кріобіологія, кріомедицина, кріоенергетика та ін.

З урахуванням вимог до матеріалів, найкращими холодостійкими сталями для кріогенної техніки можна вважати аустенітні, мартенсито-старіючі та низьковуглецеві нікелеві сталі. Ці сталі зберігають достатню в’язкість при робочих температурах до −253…−269 °С. Для менш в’язких сталей нижня границя робочих температур може складати −120 °С [6].

4.3.2.2.1 Аустенітні сталі

Такі сталі відрізняються від звичайних холодостійких сплавів та сталей особливо високими пластичністю та в’язкістю, їх використовують до температур кипіння рідинного гелію (−269 °С). Завдяки їх задовільним технологічним властивостям з них можна виготовляти корозійностійке кріогенне обладнання із використанням будь-яких засобів холодної обробки тиском та зварюванням [6].

Перехід аустеніту в мартенсит при низьких температурах є небажаним: збільшуються розміри деталей, з’являється схильність до крихкого руйнування. Отримання стабільної аустенітної структури при низьких температурах досягається легуванням (вміст аустенітостабілізаторів (Ni, N, Mn) повинен бути більшим за 15 %) та термічною обробкою [5].

Основними легувальними елементами аустенітних сталей є хром та нікель. При певному співвідношенні між ними в сталях утворюється та зберігається аустенітна структура, наприклад, при масових частках Cr=18 % та Ni=8…10 % (сталь типу 18-8). Можна застосовувати також аустенітні сталі, в яких коштовний нікель повністю або частково замінений марганцем.

Як правило, аустенітні сталі використовують в загартованому стані. Гартування сталей здійснюється після нагрівання до 1050…1150 °С із охолодженням у воді або на повітрі з інтенсивним обдуванням (тонкостінні вироби), внаслідок чого фіксується пересичений твердий розчин. У загартованому стані аустенітні сталі мають максимальні показники пластичності та в’язкості, а також корозійну стійкість. Через виділення карбідів та карбонітридів по межах зерен аустеніту при уповільненому охолодженні (в процесі гартування або подальшому нагріванні загартованої сталі при зварюванні або паянні) може знизитися ударна в’язкість, що є особливо небажаним при низьких температурах. Виділення карбідів може сприяти розвитку міжкристалітної корозії [6].

Недоліком аустенітних сталей є низька границя плинності. Тому крім сталей типу 12Х18Н10Т використовують більш міцні хромомарганцеві (03Х13АГ19) та спеціальні дисперсійно-твердіючі сталі (10Х11Н23Т3МР, 10Х11Н20Т3Р) [5].

Хромонікелеві аустенітні сталі. Широке використання в техніці низьких температур отримали хромонікелеві аустенітні сталі, що містять 17…25 % Сr та 8…25 % Ni (наприклад, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т,03Х18Н11, 12Х18Н23).

Завдяки збереженню високої пластичності та в’язкості в широкому діапазоні температур, корозійної стійкості в поєднанні із задовільними технологічними властивостями вони на теперішній час є найбільш розповсюдженими конструкційними матеріалами кріогенної техніки.

До недоліків цієї групи сталей відносяться низька міцність при кімнатній температурі, особливо границя плинності (близько 250 МПа), а також порівняно висока вартість через вміст коштовного нікелю. В останні роки спостерігається тенденція до використання в кріогенній техніці аустенітних сталей, в яких нікель повністю або частково замінений марганцем.

Хромомарганцеві та хромонікельмарганцеві сталі. За комплексом механічних властивостей оптимальними є хромомарганцеві сталі з вмістом 12…14 % Cr та 17…20 % Мn (наприклад, 03Х13АГ19). Додаткове зміцнення досягається за рахунок введення азоту, який також сприяє отриманню аустенітної структури.

Азот, що утворює твердий розчин втілення, суттєво змінює параметри кристалічної ґратки аустеніту й тим самим впливає на характеристики міцності.

Розчинність азоту в γ-залізі при температурі 830 °С складає лише 0,027 %. Присутність хрому та особливо марганцю збільшує розчинність азоту в сталі.

Ефективність впливу азоту як елемента втілення, що блокує рух дислокацій та підвищує границю плинності, зі зниженням температури зростає. Збільшуючи стабільність аустеніту, азот перешкоджає утворенню δ-фериту при високих температурах. Однак його масова частка не повинна перевищувати границі розчинності при температурах аустенітизації через небезпечність виділення нітридів по межах зерен при нагріванні під час зварювання та паяння, оскільки вони окрихчують сталь. Через наявність азоту в сталі додатково обмежують допустиму масову частку вуглецю до мінімально можливих значень, що наближені до межі його розчинності в аустеніті.

До недоліків хромомарганцевих сталей відносяться недостатня надійність при динамічних навантаженнях в кріогенних умовах.

Більш перспективними для використання в таких умовах є хромонікельмарганцеві аустенітні сталі; необхідна працездатність цих сталей досягається вже при 4…5 % Ni: 10Х14Г14Н4Т, 07Х21Г7АН5.

Сталі аустенітного класу (хромонікелеві, хромомарганцеві та хромонікельмарганцеві) використовуються переважно для виготовлення зварних елементів апаратів, ємностей, трубопроводів (оболонок, днищ, патрубків, фланців), деталей арматури (штоків, клапанів, сідел) і таке інше. Рекомендована температура експлуатації зварних з’єднань 4…870 К без обмеження тиску. В табл. 4.18 зазначено використання та властивості деяких хромонікелевих, хромомарганцевих та хромонікельмарганцевих сталей.

Холодостійкі матеріали з мінімальною магнітною проникністю. В кріогенному машинобудуванні та прецизійній техніці необхідно використовувати матеріали із стабільною маломагнітною структурою, їх магнітна проникність не повинна перевищувати поріг маломагнітності (≤1,01) при тривалій експлуатації в магнітних полях різної напруженості. Класичні хромонікелеві аустенітні сталі є непридатними для цього, оскільки їх температурні залежності є дуже складними, а величина магнітної проникності може змінюватися в межах 1,008…2,150 в залежності від вмісту нікелю, напруженості магнітного поля та температури.

Для такого типу обладнання рекомендовано використовувати стабільні високовуглецеві сталі системи Mn-Cr-Al, наприклад, 120Г25Х5Ю7 та 105Г25Х5Ю5; їх механічні властивості та магнітна проникність наведені в табл. 4.19 [6].

Таблиця 4.18 – Використання та механічні властивості аустенітних сталей для кріогенної техніки [6]

Система легування	Марка сталі	Використання	Т, К	σв, МПа	σ0,2,МПа	δ, %	КСV, Дж/см2
1	2	3	4	5	6	7	8
Cr-Ni	12Х18Н10Т	Зварні апарати, що працюють при під тиском в агресивних середовищах при температурі від −196 до +600 °С	293 77 20	660 1520 1550	280 450 510	65 36 37	360 300 280
Cr-Mn	03Х13АГ19	Для зварних конструкцій, що працюють до −196 °С в умовах статичних навантажень, в умовах динамічних навантажень до −120 °С	293 77 20	890 1300 1330	380 730 900	63 31 12	200 125 100
Продовження табл. 4.18
1	2	3	4	5	6	7	8
Cr-Ni-Mn	10Х14Г14Н4Т	Для зварних елементів та трубопроводів, що працюють при температурі −196…500 °С; для виробів, що працюють під тиском	293 77 20	820 1350 1410	270 430 450	62 40 31	280 280 220
Cr-Ni-Mn-N	07Х13Н4АГ20	Те ж саме	293 77 20	680 1370 −	300 840 −	69 40 −	120 60 50
Cr-Ni-Mn-N	07Х21Г7АН5	Для виготовлення незварних деталей кріплення ти-пу підвісок, шпильок, гайок, болтів, що працюють до –253 °С	293 77 20	770 1300 1500	430 1000 1300	45 35 25	150 100 90
Cr-Ni-Mn-N	03Х20Н16АГ6	Для виготовлення виробів, що працюють під тис-ком, оболонок теплообмінних апаратів, трубопро-водів, арматури, мінімальна температура експлуатації та максимальний тиск не обмежені	293 77 20 4	680 1250 1470 1500	370 800 950 1000	60 32 30 25	150 120 100 60

Таблиця 4.19 – Механічні властивості та магнітна проникність Fe-Mn-Cr-Al-cплавів [6]

Сплав	Т, К	Механічні властивості (не менш)				Магнітна проникність в полях напруженістю, кА/м
		σВ, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	КСV, Дж/см2	40	300	900
120Г25Х5Ю7	293 4	1030 1900	800 1650	43 19	165* 60	1,0035 1,0065	1,0022 1,0038	1,0019 1,0020
105Г25Х5Ю5	293 4	1000 1850	800 1650	42 20	185 100	1,0030 1,0038	1,0024 1,0030	1,0021 1,0021

Примітка. ^*При 20К.

Метастабільні аустенітні сталі. Існує ціла низка деталей та вузлів техніки, до матеріалу яких не висуваються вимоги щодо стабільності аустенітної структури та магнітної проникності в процесі низькотемпературної експлуатації. До них відносяться ємності для зберігання та транспортування зріджених газів, паливні баки автомобілів, що працюють на зрідженому природному газі, а також паливні баки авіакосмічної техніки. Основними характеристиками металу для їх виготовлення є висока питома міцність та технологічність.

Традиційно вироби, що контактують із зрідженими газами, виготовляються з аустенітної сталі 12Х18Н10Т, однак її питома міцність є невисокою, тому тривалий час такий вид палива не мав широкого розповсюдження. Необхідною міцністю в поєднанні із високим комплексом властивостей пластичності та в’язкості при низьких температурах можуть володіти Cr-Ni-Mn-метастабільні аустенітні сталі, додатково леговані ванадієм та азотом.

Сумісне легування сталі азотом та ванадієм з подальшим дисперсійним твердінням надає можливість підвищити рівень границі плинності при кімнатній температурі. Високі характеристики відносного видовження та ударної в’язкості при кріогенних температурах можуть бути збережені завдяки деформаційному мартенситному перетворенню.

Широкому застосуванню аустенітних метастабільних сталей в кріогенній техніці перешкоджає те, що мартенсит, який утворюється в процесі низькотемпературного деформування, може впливати як позитивно, так і негативно на механічні властивості.

Залежності пластичності та особливо ударної в’язкості від інтенсивності мартенситного перетворення мають максимуми. Максимуми ударної в’язкості КСV відповідають оптимальній кількості мартенситу (рис. 4.14), що утворюється в зоні рівномірного подовження зразка. Оптимальна кількість мартенситу, при якому спостерігається максимальний рівень ударної в’язкості, при −196 °С для метастабільних хромонікельмарганцевих сталей з азотом складає 20 %, а при −253 °С – 23 %. Відхилення від цих оптимальних значень призводить до зниження КСV.

Рисунок 4.14 – Залежність ударної в’язкості КСV сталі 03Х15Н9АГ4 з метастабільним аустенітом від вмісту мартенситу М [6]

На мартенситне перетворення в сталі значного впливу завдає її хімічний склад. Оптимальне поєднання характеристик міцності та пластичності має метастабільна аустенітна сталь 06Х15Н9Г8АФ. Механічні властивості цієї сталі наведено в табл. 4.20.

Таблиця 4.20 – Механічні властивості метастабільної сталі 06Х15Н9Г8АФ [6]

Т, °С	σВ, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	ψ, %	КСV, Дж/см2
20 −173 −196	725 1120 1600	375 540 800	61 60 58	77 75 75	275 240 210

Цю сталь використовують для виготовлення паливних баків для рідинного водню та природного газу. Термообробка складається з гарячої прокатки при температурі 1200…900 °С та аустенітизації при температурі 1150 °С із охолодженням у маслі. Сталь має задовільну зварюваність: механічні властивості зварних з’єднань наближаються до властивостей основного металу. Тиск в момент руйнування при −196 °С зварних баків зі сталі 06Х15Н9Г8АФ із товщиною стінки 2,5мм складає 18…21 МПа, а зі сталі 12Х18Н10Т – 9,8…13,2 МПа (табл. 4.21).

Таблиця 4.21 – Механічні властивості та результати випробувань ємностей внутрішнім тиском, виготовлених зі сталей 12Х18Н10Т та 06Х15Н9Г8АФ [6]

Сталь	σВ, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	КСV, Дж/см2			Питома міцність, (σ0,2/g), км	Тиск руйнування, МПа	Напруження в стінці в момент руйнування, МПа	Місце руйнування
	При температурі, К
	293	293	77	20	77	20
12Х18Н10Т	660	260	37	32	300	280	3,0	9,8–13,2	490–660	Зона термі-чного впливу поздовж-нього шва
06Х15Н9Г8АФ	900	500	46	36	242	220	6,4	18,0–21,0	1038–1240	Кільце-вий шов

Високоміцні мартенсито-старіючі сталі. Характерною рисою цієї групи сталей (03Х9К14Н6М3Д (ЭП921); 03Х14К14Н4М3 (ЭП767), 03Х12Н7К6М4Б) є отримання при гартуванні майже безвуглецевого легованого мартенситу та його подальше старіння при температурі близько 500 °С, що супроводжується виділенням інтерметалідних фаз. Така обробка забезпечує поєднання високих властивостей міцності із достатньою пластичністю та в’язкістю. Небезпека крихких руйнувань при низьких температурах на відміну від інших високоміцних сталей зменшується завдяки присутності нікелю та низькому вмісту вуглецю (не більше 0,03 %). Висока концентрація легувальних елементів запобігає утворенню немартенситних продуктів перетворення аустеніту незалежно від швидкості охолодження при гартуванні.

На рис. 4.15 на прикладі сталі 03Х9К14Н6М3Д (ЭП921) розглянуто механічні властивості мартенсито-старіючих сталей при низьких температурах.

1 – σ_0,2; 2 – σ_В; 3 – δ; 4 – КСV

Рисунок 4.15 – Вплив температури на механічні властивості мартенсито-старіючої сталі 03Х9К14Н6М3Д (ЭП921) [6]

Мартенсито-старіючі сталі широко використовуються в ракетно-космічній техніці для виготовлення тонколистових конструкцій складної конфігурації та деталей арматури, що працюють при температурі до 77 К (золотники, втулки, опори, стакани, клапани, тарілки та ін.), а також для деталей холодильних машин (підп’ятники, валики, клапани та ін.), якщо необхідною є підвищена міцність та висока твердість.

Недоліком розглянутих мартенсито-старіючих сталей є підвищений вміст коштовного та дефіцитного кобальту, а також обмеження нижньої границі використання температурою 77 К [6].