Курс «Основы выбора и применения материалов для трубопроводной арматуры»
Шрифт:
По мере усиления легирования и перехода от микролегирования к средне и высоколегированным сталям, легирование способно устранять все более тонкие и трудноуправляемые дефекты, образующиеся на атомарном уровне, и создает возможности их перевода из отрицательных в положительные. Интересным примером этого может служить подавление выделения газов за счет их более высокой растворимости в специально легированной основе и использование их для упрочнения по типу растворов внедрения.
Главной трудностью при таком подходе является выбор легирования, способного заменить используемые легирующие элементы, вводимые только для повышения служебных свойств на добавки, обеспечивающие
Возможности развития известных литых хромоникелевых сталей, очевидно, уже исчерпаны в применении к низкотемпературному использованию. Для них хорошо известны дефекты, меры их устранения, комплексы раскислителей и модификаторов. Однако повышение раскисляющей способности Cr-Ni расплава постоянно натыкается на необходимость в изменении марочного состава сталей и перехода к новой системе легирования.
Лучшим доказательством исчерпанности их возможностей является применение конструкторами штампосварных или штампопаяных вариантов изделий, где использование литья более технологично и целесообразно. Литейщикам же для обеспечения надежной эксплуатации приходится давать технологический напуск в 2–2,5 раза превышающий расчетную толщину стенки отливки.
Магистральным направлением в разработке идеи легирования литейных хладостойких сталей для сверхнизких температур является анализ и оценка легирования с позиций их комплексного влияния на свойства в жидком и твердом растворе. Химический состав сталей должен обеспечивать хорошее раскисление расплава, как один из важнейших способов устранения влияния литой структуры и сочетаться с высокой хладостойкостью. Следует отметить, что новая основа стали открывает хорошие перспективы повышения свойств за счет разработки новых комплексов модификаторов, использования более совершенных технологий и т. д.
Инжиниринг литых сталей должен реализовать цели отыскания легирующего комплекса сталей, способных одновременно повысить химические и литейные свойства. При этом должна реализоваться возможность достижения высокой хладостойкости при введении легирующих элементов, обладающих сильной раскислительной способностью.
Сейчас это стали с высоким содержанием марганца. Они входят в жизнь, заменяя хорошо известные хромоникелевые стали типа 12Х18Н10Т и имеют доказанные характеристики выше хромоникелевых литейных сталей. Но их уже поджимают и новые виды сталей, способные дать еще более высокие технико-экономические показатели при более низкой стоимости.
Некоторое представление о путях развития литейных сплавов может дать график, рис. 2.1.
Рис. 2.1. Модель жизненного цикла системы "Литая сталь для криогенных температур"
1. – ОН6А, 0Н9А, 07Х16Н6Б
2. – 12Х18Н10
3. – 12Х14Г14Н4
4. – 07Х13Г19–28
5. – 08Х5–8Г25–28
6. – 08Г25Ю5
Рисунок демонстрирует основные этапы развития и тенденции в использовании литых сплавов криогенного назначения. Свое восхождение стали начали с использования недорогих ферритных составов, облагороженных никелем (Сталь 0Н6А), а также, стремясь повысить прочность при комнатной температуре, ограниченное применение начали находить составы с мартенситной или аустенитно-мартенситной матрицей.
В дальнейшем стало ясно, что только аустенитная структура гарантирует надежность и работоспособность сталей при криогенных температурах и основным используемым материалом становится сталь 12Х18Н10Т, а в литейном варианте – сталь 12Х18Н9Л. Чтобы повысить ее вязкие свойства при криогенных температурах, требовалось повышать содержание никеля, что удорожало бы ее. Однако для литого варианта это не приводило к существенным изменениям вязкости. В этом случае на помощь приходило усиленное раскисление и модифицирование сталей.
Комплексы модификаторов, раскислителей как на основе известных элементов, так и РЗМ занимали умы специалистов в это время. С исчерпанностью и большим количеством применяемых в попытках улучшить свойства модификаторов они стали удаляться в т. н. "дурную бесконечность", когда предлагалось множество сочетаний модифицирующих комплексов.
Но они не приводили к улучшению результатов, тогда как усложняли производство и не решали задачу глобально. С началом введения марганца в больших объемах ситуация с повышением свойств литых сталей криогенного назначения стала улучшаться. Стали серии 12Х14Г14Н4Л показали не только возможности повышения свойств стали в литом состоянии, но и повышение литейных свойств.
Настоящий эффект роста вязких свойств при криогенных температурах был достигнут на стали 07Х13Г19. Ее вязкие свойства начали приближаться деформированным сталям того же класса. Тогда же стало ясно, что решаются и многие проблемы, связанные с качеством литой стали и не решенные в рамках хромоникелевых сталей. Главным их них стало решение проблемы устранения сульфидных плен и ликвации серы в целом. Марганец оказался способен обеспечить перевод серы в нейтральное состояние и практически сделать ее легирующим элементом хромомарганцевого аустенита, переведя из вредной примеси в положительно влияющий компонент сплава.
Самые выдающиеся результаты дали сплавы марганца, где его способность к ликвации была усилена способностью к формированию композитной структуры при переходе к системе на основе композиции стали 08Х8Г28Л. Показатели ударной вязкости этой стали превысили показатели ударной вязкости деформированной криогенной стали как этого класса, так и деформированных хромоникелевых сталей.
Способность марганца к раскислению и борьбе с выделениями сульфидных плен, ставшая основной тенденцией развития литых сталей для криогенных температур, сочеталась и с другой способностью марганца – быть опосредующим элементом в матрице и расплаве между алюминием, являющимся еще более сильным раскисляющим элементом, и железной основой сплава. Их соединение в матрице железомарганцевого аустенита дает еще более высокие возможности роста качества устранения дефектов литой стали, повышения литейной эффективности, но в тоже время делает шаг и в направлении еще более интересных эффектов, а именно снижения удельного веса стали или повышения весовой эффективности изделия.
Таким образом, использование и развитие легирования в направлении роста раскисляющей способности вводимых элементов, в сочетании со способностью к обеспечению высоких свойств железомарганцевого аустенита является определяющей тенденцией развития литых сталей для криогенных температур.
2.2. Подход на основе свойств вещества
Теперь мы можем перейти и к обобщению более высокого уровня. Мы можем понять, как двигалось мышление при разработке идей по получению литых материалов для криогенных температур. Сделать это нам помогут общие схемы познания вещества, которые предложил Б. М. Кедров (1).