Хладостойкие и криогенные стали: свойства, марки и применение

Ключевые требования к криогенным сталям. Стали для криогенной техники должны обладать комплексом критически важных характеристик. Необходима высокая прочность в сочетании с повышенными значениями вязкости и пластичности. Материалы должны демонстрировать низкую чувствительность к концентрации напряжений и обладать минимальной склонностью к хрупкому разрушению. Снижение температуры приводит к повышению прочностных показателей, но одновременно с этим происходит снижение ударной вязкости. Важнейшим критерием хладостойкости является температура, при которой ударная вязкость достигает значения 0.3 МДж/м².

Классификация хладостойких сталей. Наилучшими эксплуатационными характеристиками обладают аустенитные и мартенситно-стареющие стали. Эти классы материалов сохраняют достаточную вязкость при экстремально низких рабочих температурах до -253...-269 °C. Для менее вязких марок сталей нижняя граница рабочих температур может ограничиваться значением -120 °C. Наиболее важными технологическими свойствами для данной категории материалов являются свариваемость и пластичность. Эти параметры необходимы для изготовления герметичной аппаратуры, трубопроводов и тонкостенных конструкций, работающих в условиях глубокого холода.

Низкоуглеродистые никелевые стали. В криогенной технике широко применяются низкоуглеродистые никелевые стали марок 0Н6 и 0Н9. Стандартная термическая обработка этих сталей включает режим двойной нормализации. Первый нагрев осуществляется до 900 °C с целью гомогенизации стали в области γ-твердого раствора, а второй нагрев до 790 °C проводится для получения мелкозернистой структуры. Далее следует отпуск при 560—590 °C с охлаждением на воздухе. В некоторых случаях вторую нормализацию заменяют закалкой в воде с температуры 830 °C, что увеличивает ударную вязкость при низких температурах.

Технологические свойства и сварка никелевых сталей. Никелевые стали обладают превосходными технологическими свойствами. Они удовлетворительно штампуются в горячем и холодном состояниях, хорошо обрабатываются резанием и свариваются. После сварки проведение термообработки не является обязательным условием. Работоспособность сварных соединений при криогенных температурах обеспечивается применением специализированной присадочной проволоки. Для этих целей используют проволоку с содержанием никеля до 80% (типа инконель), марки Св-06Х15Н60М15, а также электроды на базе проволоки Св-ХН78Т. Для сварки тонколистовых материалов толщиной до 4 мм допустимо применение проволоки, содержащей до 25% никеля, например, Св-10Х16Н25АМ6.

Сравнительные характеристики и защита от коррозии. Стали 0Н6 и 0Н9 обладают существенными преимуществами по сравнению с аустенитными хромоникелевыми сталями. Их теплопроводность выше в три-четыре раза, а коэффициент линейного расширения меньше на 30%. Однако низкоуглеродистые никелевые стали имеют недостаточную стойкость против атмосферной коррозии. Для защиты поверхностей емкостей и трубопроводов, не контактирующих с жидким криогенным продуктом, используются специальные хладостойкие эмали, такие как АС-730.

Области применения сталей 0Н6 и 0Н9. Сталь 0Н6 применяется для изготовления критически важных элементов оборудования: обечаек, днищ, патрубков статически нагруженных аппаратов и сосудов, работающих под давлением при температуре до -160 °C. Сталь 0Н9 используется для производства статически нагруженного оборудования, эксплуатируемого при температуре до -196 °C. Из этой стали изготавливают емкости и резервуары для хранения и транспортировки жидкого кислорода, азота и сжиженного природного газа, а также регенераторы воздухоразделительных установок.

Термообработка и мартенситно-стареющие стали. Для деталей, работающих при криогенных температурах, применяют два основных вида термической обработки. Первый вид включает горячее деформирование и старение при температуре 720—750 °C в течение 16 часов. Второй вид заключается в проведении закалки и старения. Эти стали используются для изготовления высоконагруженных несварных деталей, таких как подвески внутренних сосудов, штоков арматуры, крепежных изделий, фланцевых соединений и пружин.

Специализированные марки сталей. Сталь 03Х9К14Н6М3Д применяется для изготовления высоконагруженных деталей, включая седла клапанов и элементы турбодетандеров – валки, подпятники, лопатки, требующие сочетания высокой твердости и эрозионной стойкости. Сталь 03Х14К14Н4М3ТФ относится к классу мартенситно-стареющих сталей и широко используется для производства тонколистовых конструкций сложной конфигурации и деталей арматуры, работающих при температурах до -196 °C. Ее сварные соединения обладают высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях.

Аустенитные хромоникелевые стали. Основным конструкционным материалом в криогенной технике являются коррозионно-стойкие аустенитные стали. Эти стали характеризуются исключительно высокими показателями пластичности и вязкости, сохраняющимися при температурах до -269 °C. Благодаря превосходным технологическим свойствам, из них изготавливают оборудование с применением всех способов холодной обработки давлением и сварки. Стабильность аустенитной структуры напрямую зависит от химического состава, температуры и степени деформации стали. Типичными представителями этой группы являются стали 12Х18Н9, 08Х18Н10, 12Х18Н10Т.

Коррозионная стойкость и технологичность. Высокая коррозионная стойкость хромоникелевых аустенитных сталей обусловлена значительным содержанием хрома. Однако при сварке или пайке может возникать склонность к межкристаллитной коррозии из-за образования карбидов хрома по границам зерен. Стали этого типа отличаются высокой технологичностью: они хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях, подвергаются пайке и сварке. Для пайки применяются серебряные, оловянно-свинцовые и свинцово-кадмиевые припои, причем последние демонстрируют наибольшую прочность.

Применение и недостатки аустенитных сталей. Наиболее широкое применение в промышленности находит сталь 12Х18Н10Т. Она характеризуется малой чувствительностью к многократным термическим циклам под нагрузкой. Эти стали используются для изготовления сварных элементов аппаратов, емкостей, трубопроводов и деталей арматуры. К недостаткам можно отнести низкий предел текучести при комнатной температуре и высокую стоимость, обусловленную содержанием дорогостоящего никеля.

Хромомарганцевые аустенитные стали. Оптимальным комплексом механических свойств обладают аустенитные хромомарганцевые стали с содержанием хрома 12-14% и марганца 17-20%. Дополнительное упрочнение достигается легированием азотом. В России наибольшее применение получила сталь 03Х13АГ19, рекомендуемая для статически нагруженных сварных конструкций до температуры -196 °C. Ее термическая обработка заключается в закалке с температуры 980 °C с охлаждением в воде.

Экономнолегированные и специализированные марки. В криогенной технике также применяется экономнолегированная сталь 10Х14Г14Н4Т, которая удовлетворительно обрабатывается давлением и резанием, а также хорошо сваривается. Широкое применение нашли хромоникельмарганцевые стали с азотом: 07Х21Г7АН5, 07Х13Н4АГ20 и 03Х20Н16АГ6. Например, сталь 07Х21Г7АН5 используется для несварных крепежных деталей, работающих до -253 °C, а сталь 03Х20Н16АГ6 – для криогенных сосудов, работающих под давлением, с неограниченной минимальной температурой эксплуатации.

Перспективные материалы и метастабильные стали. Сталь 04Х20Н16АГ8М2Ф обладает удовлетворительной обрабатываемостью и хорошо сваривается всеми видами сварки с применением проволоки Св-03Х19Н15Г6М2АВ2. Ее рекомендуется использовать для силовых элементов сверхпроводящих устройств, работающих при температурах до -269 °C. Для деталей, не требующих стабильности структуры, применяют аустенитные метастабильные стали, такие как 03Х15Н9АГ4, которые демонстрируют высокую прочность сварных соединений при криогенных температурах.

Выбор конкретной марки стали для криогенной техники является комплексной задачей, требующей учета рабочих температур, нагрузок, требований к свариваемости и коррозионной стойкости, а также экономической целесообразности.