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 (sв=450 МПа), повышенная пластичность КСИ=700 кДж/м² Используется - днища, корпуса сосудов под давлением, обечайки. Б) Сталь 45 (sв=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 ( sв=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 (sв=600-700 МПа, КСИ=600 кДж/м²) Повышенная прочность Используется коленчатые валы ; фрикционные диски ; шестерни ; роторы турбокомпрессоров; седла клапанов. Рабочий диапазон температур Т=200-700К. Может использоваться для крепежных деталей. В) Сталь 38Х2МЮА или 38ХМЮА ( sв>1000 МПа, s02>850 МПа, КСU>900 кДж/м², 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 (sв=700-800 МПа, s02=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) - (sв=1000-1100 МПа, s02=750-800 МПа, KCU=600-100 кДж/м². Металл используется до 75К, но при статической нагрузке, при т/о sв=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 sв>750 МПа, s02>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. sв 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	sв, МПа	s02, МПа	KCU, кДж/м^2
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	sв, МПа	s02, МПа	KCU, кДж/м^2
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	sв, МПа	s02, МПа	KCU, кДж/м^2
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	sв, МПа	s02, МПа	KCU, кДж/м^2
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) - sв=680 МПа, s02=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	sв, МПа	s02, МПа	KCU, кДж/м^2
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. sв=420 МПа, s02=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.