Курс «Основы выбора и применения материалов для трубопроводной арматуры»

Модуль 3 является наиболее важным для практики исследования литых сталей на основе хромомарганцевого аустенита, как наиболее перспективной основы для литых сталей криогенного назначения. В модуле мы подробно рассмотрим особенности формирования свойств литых сталей и математические модели изменения свойств в зависимости от изменения характера легирования. Наше исследование мы сопроводим детальным исследованием особенностей литой структуры хромомарганцевых сталей с целью определения всех значимых элементов структуры сталей, способных оказывать серьезное влияние на хрупкость сталей при криогенных температурах.

ПРАКТИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ЛИТЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР

Сейчас мы в конспективной форме дадим основные положения работы, доказывающей перспективность хромомарганцевой системы легирования литых сталей для криогенных температур. Так, хромомарганцевая система легирования в литых сталях позволяет:

– обеспечить повышение хладостойкости за счет выбора рациональной системы легирования. В частности, для корпусов криогенной арматуры найдена оптимальная хромомарганцевая система легирования.

– предложить оптимальные решения для литейных хромомарганцевых сталей, сочетающих в себе высокую прочность при комнатной температуре и высокую вязкость при криогенной температурах.

– выявить свойства этих сталей, и найти области составов литого хромомарганцевого аустенита, имеющего повышенный комплекс механических и литейных свойств.

– дать конкретные рекомендации по выбору состава сталей для литой криогенной арматуры и других деталей криогенных систем.

– предложить математические модели и регрессионные зависимости механических свойств в зависимости от химического состава Cr-Mn-Ni-V-N сталей в широком диапазоне температур и концентраций легирующих элементов. Мы представим регрессионные зависимости литейных свойств от химического состава Cr-Mn-Ni-V-N сталей, способные значительно облегчить поиск оптимальных составов при инжиниринге литых сталей.

– показать характер разрушения литейных сталей при криогенных температурах и выявить наиболее важные элементы структуры, ответственные за хрупкое разрушение литых сталей. Так, Вы увидите, что наибольшее влияние на уровень пластических и вязких свойств оказывает ликвация примесей внедрения и серы, характер дендритной структуры и неметаллических включений. Даже при неравномерном распределении хрома и марганца в пределах литого дендритного зерна, обусловленного концентрацией этих элементов и условиями затвердевания, хладостойкость этих сталей увеличивается.

В практике инжиниринга литых сталей это означает, что, используя регрессионные зависимости, Вы сможете осуществлять обоснованный выбор состава сталей, отвечающих заданному комплексу механических и литейных свойств, получать конкретные составы для литых деталей криогенной техники, позволяющих гарантировать их работоспособность при криогенных температурах. При внедрении этих сталей Вам окажет помощь технологическая инструкция на выплавку, заливку форм и термообработку новых марок сталей. Все вместе дает возможность получить экономический эффект от внедрения литейных Cr-Mn сталей вместо деформированных Cr-Ni сталей. По имеющимся расчетам экономический эффект составляет свыше 700 Долл. на тонну литья.

Основные преимущества применения хромомарганцевых сталей для криогенной техники связаны с нахождением оптимальных пределов варьирования основных легирующих элементов. Как выяснилось, только литейные стали на основе хромомарганцевого аустенита способны обеспечить одновременно высокие механические свойства, высокую хладостойкость при 77К и ниже и одновременно высокие литейные свойства. Хромомарганцевые литые стали для повышения свойств целесообразно легировать элементами, повышающими прочность (азот и ванадий) и пластичность (никель).

В результате рассмотрения множества данных о применении литейных сталей были определены пределы варьирования основных легирующих элементов, позволяющих получить высокий комплекс свойств: хрома 8–14 %, марганца 20–28 % для обеспечения аустенитной структуры, никеля 0–6 % для получения высокой низкотемпературной вязкости, ванадия 0–1,5 % для измельчения дендритной структуры, азота 0–0,2 % для повышения прочностных свойств при комнатной температуре.

МЕТОДИКА

Выбор составов при комплексном инжиниринге сталей проводится при помощи метода планирования эксперимента. В приводимом исследовании план эксперимента состоял из 21 состава. Стали выплавлялись в 150 кг открытой индукционной печи с хромомагнезитовым тиглем и заливались в оболочковые формы – кусты образцов для механических испытаний, а также в литейную форму Нехендзи-Купцова.