Лекция 3

1.УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

(для работы в условиях климатического холода)

Обозначение легирующей добавки:

{X-Cr; H-Ni; B-W; M- Mo; Ф – V; T – Ti; Ю- Al;Д-Cu; Г- Mn;C- Si;К-Co;Ц-цирконий;Р- B (бор);Б- Nb (ниобий); А- N₂ азот, если в середине и качественная сталь, если в конце.

Обычно криогенные установки работают внутри отапливаемого здания, но часть аппаратов устанавливается на открытом воздухе ,при температуре воздуха более 220К.

Свариваемые углеродистые и низколегированные стали составляют 70% объема потребления металла в криогенной технике.

1.1.Углеродистые стали

А) Ст 3, Сталь 20

Низкая коррозионная стойкость, невысокая прочность ( _в=450 МПа), повышенная пластичность КСИ=700 кДж/м²

Используется- днища, корпуса сосудов под давлением, обечайки .

Б).Сталь 45 (_в=640 МПа,КСИ=430 кДж/м²)

Среднеуглеродистая сталь, низкая коррозионная стойкость, подвергается термообработке –поверхностное уплотнение токами ВЧ и отпуск.

Используется- детали, к которым предъявляют требования высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости при малой деформации (валы); трубы для изготовления баллонов без ограничения по давлению и т=223-423К.

1.2.Низколегированные хромосодержащие стали

А).Сталь 20Х ( _в=400-450 МПа, КСИ=700 кДж/м²)

Цементируемая сталь с низкой коррозионной стойкость, износоустойчивая поверхность при вязкой сердцевине.

Используются- детали средних размеров повышенной точности (втулки, шпиндели) ; детали, работающие при больших скоростях и средних удельных давлениях ( плунжеры, штоки впускных клапанов кислородных установок)

Б).Сталь 40Х (_в=600-700 МПа, КСИ=600 кДж/м²)

Повышенная прочность

Используется- колен. валы ; фрикционные диски ; шестерни ; роторы турбокомпрессоров; седла клапанов .

Рабочий диапазон температур Т=200-700К. Может использоваться для крепежных деталей.

В).Сталь 38Х2МЮА или 38ХМЮА ( _в1000 МПа,₀₂ 850 МПа,

КСU900 кДж/м^2, HRC 50.

• конструкционная высококачественная, упрочняется азотированием работать ответственные детали с высокой твердостью и минимальной доводкой при т/о -- плунжерные насосы для жидких азота и кислорода, втулки криогенно-газовых машин, цилиндры насосов.

1.3 Хромистые нержавеющие стали

Работают в среде влажного пара.

А).Сталь 20Х13 (_в=700-800 МПа,₀₂=450-650 МПа, КСU=600-800 кДж/м²

Применяется для деталей, подвергающихся ударным нагрузкам: седла клапанов, тарелки, уплотняющие элементы арматуры, крепежные детали;

Б).Сталь 30Х13

Применяется для деталей с повышенной твердостью: клапаны арматуры, штоки, втулки цилиндров, крепежные детали.

2.Легированные стали для криогенных температур

2.1 Никелесодержащие среднелегированные конструкционные стали.

Для повышения вязкости используют закалку и высокий отжиг

А).Сталь 12ХНЗА – высокая поверхностная твердость в сочетании с вязкой сердцевиной.

Используется- корпуса клапанов, валы, цилиндры поршневых детандеров.

Б).18Х2Н4ВА (В- вольфрам)

18Х2Н4МА ( М- молибден) – (_в=1000-1100 МПа, ₀₂=750-800 МПа, KCU=600-100 кДж/м².

Металл используется до 75К, но при статической нагрузке, при т/о _в=1400 МПа.

высококачественные цементируемые стали мартенситного класса

Используется на ответственных высоконагруженных деталях при статических, циклических и динамических нагрузках при температуре Т=200-670К: шпильки, подвески, оси, валы турбодетандеров

2.2 Нержавеющие стареющие стали

Дисперсионно-твердеющие стали аустенитного класса

ЭП –электросталь пробная (з-д Электросталь)

ЭП-164 или 08Х15Н24В4ТР

ЭП-33 или 10Х11Н23Т3МР

ЭП 921 или 03Х9К14Н6МЗД

Разрабатывались как жаропрочные конструкционные материалы. После т/о и старения имеют повышенную прочность (выше 800 МПа) при сохранении удовлетворительной вязкости при Т20К. Рабочий диапазон температур

4-1000К.

А). Сталь ЭП-164 –08Х15Н24В4ТР

Используются: для нагруженных несварных деталей , подвески внутренних сосудов Дьюара, фланцевые соединения, штоки арматуры.

Имеет _в750 МПа, ₀₂450 МПа, KCU=1100 кДж/м² при Т=293 К и KCU=900 кДж/м² при Т=20 К.

Б). ЭП-33 - 10Х11Н23ТЗМР

Состав- 0,1 % С; 0,6% Si; 0,6 Mn; 10-12,5% Cr; 21-25 % Ni; 2,6-3,2% Ti;

1,0-1,6 %Mo.

_в возрастает от 1100 МПа при комнатной температуре до 1560 МПа при Т=20К. Удельная вязкость снижается с 500 до 450 кДж/м².

Рабочий диапазон температур 20-870 К

Используются: тяжелонагруженные несварные детали, крепеж, пружины.

Т , К	в, МПа	02, МПа	KCU, кДж/м2
293	1100	850	500
77	1410	1000	480
20	1540	1140	450

В). ЭП 921 - 03Х9К14Н6МЗД – нержавеющая сталь мартенситного класса.

Состав – 0,03% C; 0,01% P; 0,1 Si; 8,5-9,5% Cr; 13-14% Co; 6-7% Ni; 3-4% Mo; 1,0-1,5% Cu; 0,2-0,6% Mn; 0,1-0,25% V.

Характеризуется высокой прочностью и твердостью, удовлетворительной пластичностью и вязкостью при низких температурах.Используется: высоконагруженные детали, уплотнительные узлы арматуры

( седла, валы), элементы турбодетандеров- валы, подпятники.

Рабочая температура - Т=20-670К.

Для горячекатаных листов

Т,К	в, МПа	02, МПа	KCU, кДж/м2
293	1500	1400	750
77	1850	1650	550
20	1900	1740	350

2.3. Хромоникелевые аустенитные стали.

Основные стали для криогенной техники. Содержат Ni- 8-12%; Cr- 18-20%.

Обладают

• высокой пластичностью

• высокими коррозионными свойствами

• хорошая технологичность

• высокая усталостная прочность

• высокая эксплутационная надежность при длительном статическом нагружении для криотемператур

• малая чувствительность к многократно повторяющимся охлаждениям и отогревам под нагрузкой.

Недостатки:

• высокая стоимость из-за дефицита никеля

• низкая прочность, особенно по пределу текучести при нормальных температурах

• при повторных нагреваниях ( сварка ) из-за образования карбидов Cr по границам зерен стали и сталь становится склонна к межкристаллической коррозии.

Необходимо введение добавок титана и ниобия.

Использование: криогенные емкости и трубопроводы, ракеты , космические корабли, баки под жидкий водород

А). Сталь 12Х18НН10Т

Т=4-870К без ограничения давления.

Свариваемость хорошая аргонодуговой сваркой под слоем флюса.

Используется: сварные элементы аппаратов, емкостей, трубопроводов – обечайки, днища, патрубки, фланцы; детали арматуры – шпильки, клапаны.

После закалки

Т,К	в, МПа	02, МПа	KCU, кДж/м2
293	660	250	310
77	1520	450	250
20	1420	520	230

Б). Сталь 04Х18Н10

Особо низколегированная сталь .Сохраняет свойства во всем интервале низких температур. Использование – аналогично А).Рабочие температуры Т=4-725К.

Т,К	в, МПа	02, МПа	KCU, кДж/м2
293	600	230	250
77	1440	400	200
20	1710	410	150

2.4. Хромоникельмарганцевые и хромомарганцевые аустенитные стали.

Из-за высокой стоимости никеля его частично или полностью заменяют марганцем, который так же является стабилизатором аустенита. Для повышения прочности аустенитные стали легируют азотом ( он повышает стабильность аустенита, способствует сопротивлению пластической деформации).

Следует отметить, что введение в сталь азота осложняет ее сварку. В сталях с азотом необходимо ограничивать содержание углерода с 0,12% до 0,03%.

А), Сталь 10Х14Г14Н4Т

Имеет низкую прочность при высоких пластичности и вязкости при низких температурах.

Используется: для изготовления сварных элементов сосудов и аппаратов ( обечаек, днищ, фланцев, патрубков) , трубопроводов при Т=70-770К.

Б). Сталь 07Х21Г7АН5 (ЭП 222)

Обладает повышенной прочностью и удовлетворительной вязкостью при криотемпературах.

Используется: несварные термообрабатываемые детали – шпиндели, подвески, шпилька.

В). Сталь 07Х13Н4АГ20 (ЧС 52) - _в=680 МПа, ₀₂=360 МПа,

KCU=1700 кДж/м²

Обладает повышенным пределом текучести, немагнитная. Использование: сварные элементы сосудов и аппаратов.

Г). Сталь 03Х20Н16АГ6

Особо низкоуглеродистая сталь. Обладает высокой пластичностью и вязкостью во всем диапазоне температур.

Используется: для криогенных сосудов, оболочек, теплообменных аппаратов, трубопроводов, арматуры, работающей под давлением.

Т,К	в, МПа	02, МПа	KCU, кДж/м2
293	680	370	150
77	1250	800	120
20	1470	950	100
4	1500	1000	60

Д). Сталь 03Х13АГ19 (ЧС 36 )

Рекомендуется для замены стали 12Х18Н10Т при работе в вакууме.

2.5 Железо-никелевые сплавы с низким температурным коэффициентом линейного расширения.

Инвары – сплавы железа с никелем, содержание которого 35-50%.

Используется: для изготовления некоторых узлов криогенных установок, размеры которых не должны меняться с изменением температуры:

Жесткозакрепленные трубопроводы сложной пространственной формы, работающие при Т20К.

При этом отпадает необходимость установки сильфонов, что упрощает конструкцию и делает ее более надежной.

Теплопроводность инвара примерно в два раза меньше, чем у аустенитных сталей._в=420 МПа, ₀₂=240 МПа.

Они имеют стоимость в 5-10 раз ниже 12Х18Н10Т

А). Сплав 36НХ

Состав: 0,05% C; 0,3% Si; 0,02 S; 0,02%P; 0,025% Cu; 0,3-0,6% Mn; 0,4-0,7% Cr; 35-36% Ni; Fe- основа.

Б). Сплав 47НД

Имеет температурный коэффициент расширения близким к стеклу.Обладает магнитными свойствами.

Используется: для корпусов герметичных электрических вводов.

Вакуумно-плотный спай сплава 47НД и стекла сохраняет работоспособность при охлаждении до 4К.