Ферритные криогенные стали

Широкое распространение в качестве материала для криогенной техники получили ферритные низкоуглеродистые железоникелевые стали, содержание 3,5-9 % Niи менее 0,1 % углерода. Эти стали более технологичны и имеют более высокие прочностные свойства по сравнению с хромоникелевыми аустенитными сталями. Никель, уменьшая энергию взаимодействия дислокаций с атомами примесей внедрения в кристаллической решетке железа, эффективно снижает порог хладноломкости и повышает работу развития трещины в условиях вязкого разрушения (1 %Niснижает порог хладноломкости примерно на 20С). Чем больше содержание никеля в стали, тем ниже ее рабочая температура:

Содержание никеля, %	3-4	5-6	6-9
Температурная область применения, С	–120	–150	–196

Практическое применение для изготовления криогенного оборудования получили стали: ОН6 (6-7 % Ni, 0,03-0,06 % С) и ОН9 (8,5-9,5 %Ni, 0,06-0,07 % С). Эти стали обычно подвергают нормализации (Н) и двойной нормализации с отпуском (ДНО). Термическая обработка обычно указывается в маркировке: ОН9Н, ОН9ДНО. Двойная нормализация с отпуском обеспечивает наилучшее сочетание свойств. Она включает в себя: 1) нагрев до 900С с целью выравнивания химического состава (гомогенизация-твердого раствора). охлаждение на спокойном воздухе; 2) нагрев до 700С (примерно на 50С выше точки А_с3) с целью измельчения зерна, охлаждение на спокойном воздухе; 3) отпуск при температуре 560-600С (нагрев в межкритический интервал). В процессе отпуска происходит растворение карбидной фазы и перераспределение углерода и никеля между ферритом и аустенитом. Аустенит обогащается этими элементами и его стабильность повышается. После отпуска в стали присутствует около 12 % аустенита в виде прослоек, стабильного до весьма низких температур. Такая структура обеспечивает низкий порог хладноломкости. Благодаря хорошей свариваемости, достаточной прочности и ударной вязкости ОН6 и ОН9 применяются для изготовления сварных резервуаров для хранения и транспортировки сжиженных газов с рабочей температурой до –160С (ОН6) и до –196С (ОН9).

5.2. Износостойкие стали

Изнашивание – процесс постепенного отделения частиц материала с поверхности твердого тела под действием сил трения при взаимодействии с другими телами (деталями) или с внешней средой, результатом которого является изменение его массы, размеров и (или) формы.

Детали, подвергающиеся изнашиванию, подразделяют на две группы:

1) детали, образующие пары трения; при этом происходит взаимодействие двух контактирующих поверхностей (вал – втулка, две шестерни в редукторе и т.п.);

2) детали, изнашивание которых вызывает рабочая среда – жидкость, газ, абразивные частицы почвы и т.п.

Характерные виды изнашивания деталей первой группы: абразивное (твердыми частицами, попадающими в зону контакта); окислительное; усталостное; адгезийное; фреттинг-процесс.

Для деталей второй группы характерны виды изнашивания: абразивное (например, истирание почвой); гидро- и газоабразивное (твердыми частицами, перемещаемыми жидкостью или газом); эрозионное (потоком жидкости или газа); кавитационное (от гидравлических ударов жидкости).

В соответствии с условиями внешнего воздействия различают разные виды износа. Рассмотрим некоторые из них.

1. Абразивный износ – износ при контакте поверхности с твердыми частицами. Он связан: 1) с многократным деформированием поверхности абразивными частицами, при котором повышается плотность дислокаций, когда она становится выше критической возникают микротрещины, происходит разрушение микрообъемов поверхности металла и отделение их в виде частиц; 2) с тем, что абразивные частицы обладают большей твердостью, чем металл, и действуют как резцы, срезая поверхностный слой (процесс микрорезания).

2. Окислительный износ связан с тем, что в процессе трения поверхностей деталей одна о другую возникает хрупкая оксидная пленка. Она разрушается, далее возникает новая пленка и опять разрушается. Частицы пленки вызывают абразивное изнашивание.

3. Усталостный износ связан с тем, что локальные объемы поверхности металла при контакте с контртелом пары трения испытывают постоянную упругую и пластическую деформацию, которая повторяется многократно (зубчатые колеса, подшипники и др.), при этом происходит накопление дислокаций, повышается их плотность, в результате чего возникают микротрещины и происходит разрушение микрообъемов металла (как и при абразивном изнашивании).

4. Адгезийный износ происходит в результате взаимодействия двух шероховатых поверхностей. При этом в отдельных пятнах касания (участках контакта) возникают адгезийные мостики сварки. В результате возникающих напряжений происходит разрушение мостиков, вырывается одна часть металла другим.

Высокая твердость поверхности – необходимое условие обеспечения износостойкости при большинстве видов изнашивания. При абразивном, окислительном, усталостном видах изнашивания наиболее износостойки стали и сплавы с высокой исходной твердостью поверхности. Повышение твердости направлено на то, чтобы затруднить пластическую деформацию и исключить микрорезание поверхностей трения.

Для чистого абразивного изнашивания надо иметь сплавы с большим количеством карбидов и высокой твердостью. В отсутствие ударных нагрузок оптимальной структурой для стали является высокоуглеродистый мартенсит со специальными карбидами. В качестве износостойких применяются стали ледебуритного класса Х12, Х12Ф1, Х12М и др.

Из чугунов большей абразивной стойкостью обладают эвтектические или заэвтектические белые чугуны, легированные хромом, марганцем, молибденом, ванадием, вольфрамом, титаном.

Для деталей, работающих без ударных нагрузок применяют белые высокопрочные чугуны типа У25Х38, У30Х23Г2С2Т. В промышленности используют большое количество сложных по химическому составу литых и наплавочных материалов, устойчивых к абразивному изнашиванию. Они представляют собой сплавы с высоких содержанием углерода (до 4 %) и карбидообразующих элементов (Cr,W,Ni). В их структуре может быть до 50 % специальных карбидов, увеличение количества которых сопровождается ростом износостойкости.

В условиях трения и износа в последнее время применяют метастабильные аустенитные стали, обладающие повышенной склонностью к деформационному упрочнению. Под действием абразива в рабочем слое отливки происходит наклеп аустенита и образование мартенсита деформации (30Х10Г5Н4). Чем большей кинетической энергией обладают абразивные частицы, тем больше должно быть в структуре метастабильного аустенита.

Когда имеют место динамические нагрузки, увеличение твердости не даст повышения износостойкости и может наблюдаться обратный эффект. Для изготовления деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания (бронеплиты, траки гусеничных машин, лопатки дробеметов и др.) преимущественно используют аустенитные стали на Fe-MnиFe-Cr-Mnоснове, имеющие низкую э.д.у. Наиболее широко используется сталь Гадфильда (110Г13Л).

После закалки от 1050-1100 С в воде фиксируется аустенитная структура и исключается выделение карбидов. Сталь обладает типичными для аустенитных сталей высокими вязкостью и пластичностью. Примерные свойства закаленной стали следующие:_в= 780-980 МПа,_0,2= 255-390 МПа,= 35-45 %,= 40-50 %, НВ180-220. При низкой твердости сталь 110Г13Л обладает необычно высокой износостойкостью при больших сжатиях и динамических нагрузках. Это объясняется повышенной способностью к наклепу, значительно большей, чем у обычных сталей с такой же твердостью. В процессе работы под действием динамических нагрузок рабочая поверхность детали в результате наклепа аустенита приобретает повышенную твердость до НВ550-600, а сердцевина остается пластичной и вязкой (НВ200-250), что позволяет детали противостоять ударным нагрузкам, не разрушаясь. Причин повышения твердости рабочей поверхности в стали Гадфильда со стабильным аустенитом при ударных нагрузках несколько. Отметим некоторые из них:

1. Стали, подобные 110Г13Л имеют низкую э.д.у., поэтому в процессе деформации наряду с повышенной плотностью дислокаций наблюдается большое количество дефектов упаковки. Они затрудняют процессы поперечного скольжения и переползания дисклокаций, т.к. растянутые дислокации должны стягиваться при переходе в соседнюю плоскость, а затем снова расходиться, на это требуется энергия. При пересечении растянутых дислокаций могут образовываться «сидячие» дислокации типа Ломера-Коттрелла. Всё это затрудняет скольжение дислокаций при пластической деформации, они накапливаются внутри кристаллов, вызывая упрочнение.

2. Возникновение при деформации двойников деформации. С одной стороны, двойники являются эффективными барьерами на пути движения дислокаций и поэтому упрочняют сталь. С другой стороны, они приводят к релаксации внутренних напряжений, предотвращая образование трещин.

3. Влияние большого количества углерода (1,1 % С). Упрочнение-твердого раствора при этом обычно связывают с уменьшением подвижности дислокаций в результате их взаимодействия с атомами углерода. А также с тем, что в результате динамического воздействия происходит динамическое старение с выделением дисперсных карбидов, которые также являются препятствием на пути движения дислокаций.

Недостатками стали 110Г13Л являются низкий предел текучести, плохая обрабатываемость резанием вследствие низкой теплопроводности и сильной наклепываемости аустенита, возможность изготовления ограниченного круга деталей, высокое содержание марганца, что ухудшает экологию при выплавке. В условиях преобладания абразивного изнашивания, когда преобладает механизм микрорезания поверхностных слоев абразивными частицами, эта сталь не имеет преимуществ даже перед углеродистыми сталями.

В этом случае значительно более высоким сопротивлением изнашиванию обладают стали с метастабильным аустенитом. Поскольку износостойкость марганцевого аустенита в значительной степени обусловлена его способностью к деформационному упрочнению, выигрыш от применения хромомарганцевых метастабильных аустенитных сталей достигается благодаря эффективному механизму упрочнения вследствие образования достаточного количества мартенсита деформации, кроме действующего в стали 110Г13Л основного механизма наклепа аустенита.

Содержание углерода в хромомарганцевой метастабильной аустенитной стали, обеспечивающее активное действие двух основных механизмов упрочнения, должно находиться в пределах 0,6-1,0 % С при 7-10 % Мnи 2-5 % Сr.

Сталь 60Х4Г10Л (М_н= –50–70 °С) обладает более высокой стойкостью при ударно-абразивном изнашивании по сравнению со сталью 110Г13Л. Было установлено, что образцы стали 60Х4Г10Л за одинаковое число циклов (10⁵) контактно-ударного нагружения (на копре ДСВО-150) претерпевают меньшую деформациюhи приобретают в процессе нагружения значительно более высокую твердость, чем образцы стали 110Г13Л. Пластическая деформация вызывает в образцах метастабильной аустенитной стали 60Х4Г10Л развитие-превращения с образованием свыше 30 %-мартенсита после 10⁵циклов нагружения, в то время как сталь 110Г13Л сохраняет аустенитную структуру. В сталях 60Х4Г10Л наблюдается аустенитно-мартенситная структура (наклепанный аустенит и мартенсит деформации).

В настоящее время используется достаточно большое количество сталей с метастабильным аустенитом (110Г7Х2Л, 110Г8Л, 80Г7Х3Л и др.). Для этих сталей применяют закалку с температуры 1100 С и выше в воде. Для интенсификации превращения аустенита в мартенсит деформации его дестабизируют проведением отпуска при 500-600С, при этом из аустенита выделяются карбиды и точка М_дповышается.

Дополнительное упрочнение от образования мартенсита деформации обусловлено как собственно более высокой твердостью и дисперсностью мартенсита, так и созданием в зернах аустенита прочного каркаса из пластин мартенсита, препятствующих сдвиговым процессам в аустените. При этом значительная часть энергии, которая передается сплаву абразивными частицами, используется на превращение (образование мартенсита деформации), а не на разрушение поверхностных слоёв.