Аустенитные жаропрочные стали

Это высоколегированные, в основном хромоникелевые стали (ГОТС 5632-72). По жаропрочности они превосходят теплостойкие и используются при температурах 600-850⁰ С, например, в форсированных дизельных двигателях, лопатках турбин и других «горячих» деталях реактивных двигателей.

Для получения структуры аустенита эти стали содержат много хрома, никеля, марганца, а для повышения жаропрочности их дополнительно легируют Mo, W, V, Nb, B. Типичные аустенитные жаропрочные стали: 09Х14Н16Б, 08Х18Н10Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н20Т3Р, ХН35ВТЮ.

Аустенитные стали пластичны и хорошо свариваются, но сварной шов у них обладает повышенной хрупкостью. По сравнению с теплостойкими сталями обработка резанием более затруднительна. По способу упрочнения аустенитные жаропрочные стали можно разделить на три группы (римскими цифрами в маркировке): гомогенные стали; стали с карбидными упрочнением; стали с интерметаллидным упрочнением. Первые из них (цифра I) не подвергаются дисперсионному твердению, хотя и содержат вторичные фазы, но в количествах, не вызывающих сильного эффекта старения.

Гомогенные аустенитные жаропрочные стали.

Применяются преимущественно в энергомашиностроении (трубы паронагревателей и паропроводов силовых установок, работающих при 600-700⁰С) после закалки с 1100-11600 С в воде или на воздухе, после чего обладают необходимой прочностью и высокой пластичностью.

Гомогенные стали хорошо сопротивляются образованию окалины до температур 750-800⁰С, обладают кратковременной прочностью σ⁶⁰⁰=400-450Мпа, σ⁷⁰⁰=300-380МПа, σ⁸⁰⁰=250-380МПа, и длительной прочностью σ⁶⁰⁰₁₀₀=250-350МПа, σ⁷⁰⁰₆₀₀=120-240МПа, σ⁶⁰⁰₁₀₀₀=200:300МПа, σ⁷⁰⁰₁₀₀₀=1000:180МПа.

Стали с карбидным упрочнением (цифра II) – это стали с содержанием 0,3-0,5% углерода, легированные молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием; другими упрочняющими фазами могут быть первичные (TiC, VC, ZrC, Nb и др.) и вторичные карбиды (М₂₃С₆, М₆С, М₇С), выделяющиеся из твердого раствора (аустенита) при отпуске – старении. Термическая обработка состоит в закалке с 1050-1200⁰С и старении, после которого происходит дисперсное твердение за счет выделения карбидных избыточных фаз преимущественно по границам зерен.

Из этих сталей изготавливают лопатки турбин, диски, крепежные детали и др. Стали имеют высокую и кратковременную и длительную прочность:

       Стали с интерметаллидным упрочнением (цифра III)-это сложнолегированные стали, в состав которых кроме традиционных для жаропрочных сталей Cr, Ni, вводят Ti, W, Mo, B. Содержание углерода в этих сталях около 0,1%, поэтому карбиды практически не образуются. Жаропрочность достигается в результате выделения интерметаллидных дисперсных фаз после закалки с 1080-1130⁰ С на воздухе и старении при 700-750⁰ С.

       Изготавливают из аустенитных жаропрочных сталей с интерметаллидным упрочнением, например, камеры сгорания, лопатки и диски турбин и компрессоров, шпильки, болты и другие детали, работающие при температурах 750-85⁰С.

Хладостойкие стали для криогенной техники.

Под хладостойкими (криогенными) сталями понимают стали для машин и оборудования, предназначеных для получения, перевозки и хранение сжиженных газов, т.е. эксплуатируемых до температур кипения кислорода (-183⁰С), неона (-247⁰С), водорода (-253⁰С), гелия(-269⁰С), азота(-196⁰С); сжиженных углеводородов (метан, бутан и другие) с температурой кипения (-80--180⁰С).

К этим же (хладостойким) сталям относят стали, предназначенные для работы при низких климатических температурах до -60⁰ С, которые называют сталями северного исполнения.

Хладостойкие стали должны иметь необходимую прочность в сочетании с высокими вязкостью и пластичностью, обладать низкой чувствительностью к концентрации напряжений и низкой склонности к хрупкому разрушению.

При снижении температуры показатели прочности (σ_В, σ_0,2) повышаются, а пластичность и вязкость снижается. Поэтому прочность должна гарантироваться при комнатной температуре (так как при низкой температуре она будет заведомо выше), а пластичность и вязкость – при низшей температуре эксплуатации.

Одним из критериев хладостойкости является температура, при которой ударная вязкость стали, достигает значений 0,3 МДж/м².

Лучшими хладостойкими сталями являются аустенитные и мартенситно-стареющие. Эти стали сохраняют достаточную вязкость при рабочих температурах до – 253⁰ С- -269⁰ С. Для менее вязких сталей нижняя граница рабочих температур может составлять -120⁰ С.

Наиболее технологическими свойствами хладостойких сталей являются свариваемость и пластичность, необходимые для изготовления труб и тонкостенных конструкций.

Никелевые низкоуглеродистые стали.

В криогенной технике применяют никелевые низкоуглеродистые стали, которые хорошо свариваются и обрабатываются резанием, удовлетворительно штампуются в горячем и холодном состоянии.

Термическая обработка сталей 0Н6 и 0Н9 заключается в двойной нормализации и последующем отпуске. Целью первой нормализации (с нагревом до 900⁰С) является гомогенизация стали в области γ-твердого раствора, вторая же нормализация (с нагревом до 790⁰С) производится для измельчения зерна. Вторую нормализацию иногда заменяют на закалку в воде с температуры 830⁰С. После двойной нормализации или нормализации и закалки производится отпуск при 560-590⁰С с охлаждением на воздухе.

Стали 0Н6 и 0Н9, относятся к ферритным (ферритно-мартенситным) сталям и имеют в 3-4 раза большую теплопроводность и на ~30% меньший коэффициент линейного расширения по сравнению с аустенитными хромоникелевыми сталями.

Сталь 0Н6 используют для изготовления оболочек, днищ, патрубков статически нагруженных аппаратов и сосудов, работающих под давлением при температуре до -160⁰С. При динамическом характере погружения не ниже –120⁰С.

Сталь 0Н9 используется для изготовления емкостей и резервуаров, предназначенных для транспортировки и хранения жидкого кислорода, азота, сжиженного природного газа, регенераторов воздухоразделительных установок, т.е. для статически нагруженного оборудования, работающего до -196⁰С.