Кавитационностойкие стали с метастабильным аустенитом
Кавитация - нарушение сплошности внутри текущей жидкости. В движущемся потоке жидкости при определенных гидродинамических условиях происходит нарушение сплошности потока и образуются полости, каверны. Образовавшиеся пустоты заполняются растворенными в жидкости газами или паром и образуются большие кавитационные пузыри. Когда такой пузырь, перемещаясь с потоком, попадает в область с давлением выше критического, он сокращается и исчезает. При замыкании полостей пузырей поверхность металла,контактирующая с жидкостью, подвергается гидравлическим ударам. Под воздействием многократных гидравлических ударов, локализованных в микрообъемах поверхности, происходит пластическая деформация, а затем и разрушение - эрозия металла.
Многие детали машин, работающие в контакте с быстротекущим потоком жидкостей (например, лопасти турбины гидростанций, судовые гребные винты, лопасти насосов, системы охлаждения различных агрегатов и т.п.) подвергаются кавитационной эрозии. Разрушающей силой является контактирующая среда. Кавитационностойкие стали должны быть и коррозионностойкими.
Кавитационная стойкость находится в прямой зависимости от способности стали к упрочнению в процессе внешнего воздействия рабочей среды. Роль мартенситных превращений в повышении кавитационной стойкости заключается не только в том, что кристаллы мартенсита деформации (более высокодисперсные и прочные) создают высокий уровень упрочнения и обладают повышенным сопротивлением разрушению, но и в том, что в процессе мартенситного превращения происходит релаксация напряжений.
На основе представлений о высоком сопротивлении метастабильного Сr-Мn аустенита кавитационной эрозии И.Н. Богачевым с сотрудниками были разработаны стали типа 30Х10Г10. Более высокая интенсивность упрочнения поверхности и создание упрочненного слоя на большей глубине в стали 30Х10Г10обеспечивает этой стали значительно большее сопротивление кавитационному воздействию по сравнению с широко применяемыми в гидротурбостроениисталями типа 10Х18Н10Т, 10Х14НД, 08X18Н8 и подобными сталями с аустенитом стабильным в данных условиях нагружения (рисунок 5.1).
Рисунок 5.1 – Потеря массы, твердость поверхности НВ и глубина hнаклепенного слоя образцов сталей 30Х10Г10 (1) и типа 08X18Н8 (2)в процессе кавитационного воздействия (И.Н. Богачев, Р.И. Минц)
Равномерная деформация и разрушение поверхностного слоя сталей с метастабильным аустенитом при кавитационном воздействии приводит к тому, что на поверхность выступает новый слой, в котором под действием гидравлических ударов снова образуется мартенсит деформации.
Многократное повторение этого процесса обусловливает очень медленное развитие разрушения, т.е. высокую эксплуатационную стойкость.
Однако сталь 30Х10Г10 имеет недостаточную технологичность при литье, обработке резанием, сварке, наплавке.
Развитие сталей этого класса шло в направлении повышения их пластических свойств, коррозионной стойкости, технологичности. Это привело к созданию стали 0Х14АГ12М, коррозионная стойкость этой стали сравнима с коррозионной стойкостью стали 10Х14НД, широко используемой для изготовления рабочих колес гидротурбин, судовых винтов и других деталей, а кавитационная стойкость стали 0Х14АГ12 значительно выше. Один из перспективных путей дальнейшего усовершенствования кавитационностойких сталей состоит в разработке МАС на Fe-Cr-Mn-Ni основе, сочетающих высокую кавитационную стойкость хромомарганцевых MAC с технологичностью сталей системы Fe-Cr-Ni. Были разработаны стали 20Х13НЗГ4 и 03Х13НЗГ4, кавитационная стойкость которых приближается к кавитационной стойкости сталей 30Х10Г10 и 0Х14АГ12М, соответственно.
Хромомарганцевые метастабильные стали типа 0Х14АГ12М и 30Х10Г10 применяют в литом состоянии, а также в виде электродов и листа для изготовления наплавки и облицовки рабочих поверхностей, подвергающихся кавитационному разрушению и изнашиванию.