Курс «Основы выбора и применения материалов для трубопроводной арматуры»

Более сильной и плодотворной идеей является не использование одного лишь воздействия на размер зерна и форму включений, но и легирование твердого раствора. В этом случае открываются возможности использования для упрочнения более тонких структурных эффектов, а лучшая совместимость легирующих элементов с железной основой сплава способствуют органичному и легкоуправляемому изменению свойств при варьировании легирования.

Однако легирование только в том случае даст положительный эффект, если оно направлено на повышение комплекса механических и литейных свойств. Оно само по себе является связующей нитью между служебными структурами и расплавами сталей, поскольку присутствуют и в том и в другом случае. Управление легирующим комплексом значительно проще на этапе выплавки и кристаллизации, чем управление состоянием неметаллических включений. Легирование не приводит к необратимому образованию эвтектик в закристаллизовавшейся структуре.

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 комплексный рост эксплуатационных и технологических показателей. Решение задачи может быть найдено на пути отказа от чрезмерной унификации сталей, даже если они хорошо освоены промышленностью.

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.