Теоретическое введение. Стали с особыми свойствами объединяют большую группу высоколегированных сталей общим для всех является наличие какого либо специального качества

Стали с особыми свойствами объединяют большую группу высоколегированных сталей общим для всех является наличие какого либо специального качества, отличающего от других.

Классификация и основные свойства. К сталям с особыми свойствами относятся:

а) нержавеющие (коррозионностойкие);

б) жаропрочные, окалиностойкие;

в) износостойкие;

г) сплавы с особым тепловым расширением;

д) стали с особыми магнитными свойствами;

е) сплавы с высоким электросопротивлением;

ж) стали для криогенной техники.

В криогенной технике основным конструкционным материалом являются коррозионно-стойкие аустенитные стали. Они отличаются от хладостойких особо высокими пластичностью и вязкостью, их приме­няют при температурах (до - 269 °С). Из них изготовлают криогенное обору­дование с применением любых способов холодной обработки дав­лением и сварки.

Аустенитные стали применяют в закаленном со­стоянии: нагрев до 1050 - 1150°С с охлаждением в воде или на воздухе с интенсивным обдувом (тонкостенные изделия). 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 или при последующем нагреве закаленной стали в процес­се сварки либо пайки может снизиться ударная вязкость, что особенно нежелательно при низких температурах. Выделение карбидов может способствовать развитию межкристаллитной коррозии (МКК).

Аустенитные хромоникелевые стали. Благодаря сохранению высокой пластичности и вязкости (до - 269 °С), коррозионной стойкости и хорошим технологическим свойствам эти ста­ли являются основным конструкционным материалом для криогенной техники.

Стабильность аустенитной структуры зависит от химического состава, температуры и деформации стали.

В первую группу входят стали: 12Х18Н9, 08Х18Н10, 12Х18Н10Т и др.

Их высокая коррозионная стойкость обусловлена высоким содержанием хрома. При сварке или пайке из-за образования по границам зерен карбидов хрома и обеднения пограничного слоя хромом, у этих сталей появляется склонность к межкристаллитной коррозии.

Стали этого типа, характеризуются высокой технологичностью. Они хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях, хорошо подвергаются пайке и свариваются. После сварки термо­обработка обычно не требуется. Лишь в отдельных случаях при сложной форме свариваемых элементов рекомендуется термообработка после сварки.

Пайку производят серебряными, оловянно - свинцовыми и свинцово - кадмиевыми припоями и рекомендуется термообра­ботка после сварки. Последние обладают наиболее высокой прочностью из всех применяемых припоев. Наиболее широко применяют сталь 12Х18Н10Т.

Модуль упругости стали 12Х18Н10Т с понижением температуры увеличивается.

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

Хромоникелевые аустенитные стали типа 12Х18Н10Т и стали с большим содержанием никеля применяют для изготовления сварных элементов химических аппаратов, емкостей, трубопроводов (обечаек, днищ, патрубков, фланцев), деталей арматуры (штоков, клапанов, седел и т. п). Температура эксплуатации свар­ных соединений от —269 до + 600 °С.

Таблица 8.1 - Механические свойства сварных соединений из стали 12Х18Н10Т при низких температурах

К недостаткам аустенитных хромоникелевых сталей относятся низкий предел текучести при 20 °С и высокая стоимость.

Аустенитные хромомарганцевые стали. По комплексу механических свойств оптимальными являются стали с содержанием Сr от 12 до14 % и Мn от 17 до 20%. Дополнительное упрочнение достигается за счет введения азота.

Сталь 03Х13АГ19 применяется до температур - 196° С для статически нагруженных сварных конструкций, с понижением температуры происходит более интенсивный рост предела текучести, чем у хромоникеле­вых сталей. Она достаточно технологична, хорошо деформируется, является коррозионно - стойкой формируется в горячем и удовлетворительно в холодном состоянии. Термическая обработка: закалка с температуры 980° С с охлаждением в воде. Сталь удовлетво­рительно обрабатывается резанием и хорошо сваривается всеми видами сварки. Вязкость сварных соединений удовлетворяет требованиям криогенной техники.

Сталь 03Х13АГ19 используется в атмосфере и неагрессивных средах. Ее применяют для изготовления элементов сварных конструкций обечаек, днищ, патрубков, фланцев. Минимальная температура эксплуатации статически нагруженных конструкций -196° С, при динамических нагрузках до -120 °С.

В криогенной технике применяется экономнолегированная коррозионно-стойкая хромоникельмарганцевая аустенитная сталь 10Х14Г14Н4Т, удовлетворительно обрабатывается дав­лением и резанием, хорошо сваривается. Ее применяют в крио­генной технике для изготовления сварных элементов сосудов (обечаек, днищ, фланцев патрубков) и трубопроводов, работающих при температуре - 196...+500 ° С, а также сосудов, работающих под давлением.

Таблица 8.2 - Механические свойства стали 10Х14Г14Н4Т при различных температурах

В криогенной технике применяются следующие хромоникельмарганцевые стали с азотом: 07Х21Г7АН5, 07Х13Н4АГ20 и 03Х20Н16АГ6.

Сталь 07Х21Г7АН5 применяют для изготовления несварных крепежных деталей типа подвесок, шпилек, гаек, болтов, работающих при температурах до - 253°С. Сталь удовлетворительно обрабатывается давлением, резанием.

Сталь 07Х13Н4АГ20 используют для изготовления сварных элементов сосудов и аппаратов обечаек, днищ, патрубков, температуры эксплуатации до -196 °С. Применяют для изготовления сосудов, работающих под давлением. Сталь удовлетворительно деформируется в горячем и холодном состояниях, удов­летворительно обрабатывается резанием и хорошо сваривается. Термообработка: нагрев до температуры 1000°С, охлаждение в воде или на воздухе при интенсивном обдуве.

Сталь 04Х20Н16АГ8М2Ф имеет удовлетворительную обрабатываемость давлением и резанием, хорошо сваривается с приме­нением всех видов сварки. Эту сталь рекомендуется использовать для силовых элементов сверхпроводящих устройств и криогенных установок, работающих при температурах до - 269 °С.

Аустенитные метастабильные стали. Существует ряд деталей и узлов, стабильности структуры которых в процессе эксплуатации не требуется. Для их изготовления применяют аустенитные метастабильные стали. Образующийся в процессе низ­котемпературного деформирования мартенсит может оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на механи­ческие свойства.

Сталь применяют для изготовления топливных баков, сосудов для жидкого водорода и природного газа. Термообработка: горячая прокатка при температурах 1200 - 900°С и аустенитизации при температуре 1150 °С с охлаждением в воде. Сталь обладает хорошей свариваемостью, механические свойства свар­ных соединений близки к свойствам основного металла.