Страница 6 из 10
Рост вязких и пластических характеристик после закалки обусловлен размыванием пиков ликвации азота и его более благоприятным распределением. Совместная ликвация ванадия и азота приводит к образованию карбонитридов, измельчению зерна и уменьшению хрупкости, вносимой азотом. Возрастание значений пластичности и вязкости после закалки в сталях с равномерным распределением легирующих, в частности в сталях с 13 % хрома, происходит за счет растворения части сульфидов марганца и уменьшения сегрегаций по примесям внедрения. Во всех случаях ударная вязкость стали 12Х18Н10ТЛ при криогенных температурах низка, прежде всего, потому, что закалка практически не уменьшает количество и протяженность видимых на шлифе сульфидных плен.
Существуют области составов, обладающих высокими показателями механических свойств при криогенных температурах и в литом состоянии. Высокая прочность литых сталей достигается в области составов 8%Cr-20%Mn, высокая низкотемпературная вязкость при легировании 8%Cr-28%Mn, оптимальное сочетание прочностных, пластических, вязких свойств и коррозионной стойкости в сталях состава 13%Cr-28%Mn.
В связи с общей тенденцией вводить азот в хромомарганцевые стали, следует отметить его роль в литых сталях. Введение азота позволяет увеличить предел текучести исследованных литых сталей до 460–520 МПа при комнатной температуре, однако, из-за его резко отрицательного влияния на пластичность, вязкость и энергоемкость деформации и разрушения при криогенных температурах и литейные свойства, легирование им должно быть ограничено.
На формирование свойств заметное влияние оказывает дендритная ликвация. Ее вредное влияние связано с ликвацией примесей внедрения и серы, положительное обусловлено формированием неравномерного распределения легирующих элементов по дендриту. Дендритная структура оказывает отрицательное влияние при неблагоприятном расположении неметаллических включений и сульфидных плен. Уменьшение ликвации вредных примесей и получение неравномерного распределения элементов в структуре обеспечивает ударную вязкость литой стали при 20К до 130 Джсм2.
Представленные положения и результаты исследований позволяют предсказывать составы сталей, которые могут быть использованы в литых деталях криогенной технике и гарантировать надежность и работоспособность сталей при криогенных температурах.
Для практики исследования литых сталей важно пояснить и некоторые особенности методологии исследования литых сталей. Исследования должны быть комплексными, дающими возможность оценить все возможные влияющие факторы. Это означает, что изначально должны выбираться такие методы исследований, которые бы показали полноту и всесторонность исследований и давали бы возможность перекрестной проверки и уточнений. Часто при этом нужно предусматривать, какие исследования должны быть запланированы по результатам основных испытаний механических свойств, или какие методики испытаний или экспериментов должны быть скорректированы по данным анализа литературных данных или данных, полученных от других исследователей.
Получаемые практические данные исследований должны быть хорошо фиксированными. Это особенно выражается в умении вести лабораторные журналы исследований, планировать их, проводить последовательно, когда каждый из этапов дает возможность уточнить особенности проведения следующего этапа.
Начиная с начальных этапов простых испытаний, когда данные просто фиксируются должно развиваться умение их анализировать. В частности, это выражается в том, чтобы уметь находить закономерности в том, что Вы получаете в результате проведенных испытаний. Для уточнения данных испытания должны сопровождаться тестами и экспериментами (отметим, что здесь есть определенное отличие от испытания, выполняемых по стандартным методикам).
Данные должны превращаться в информацию в процессе анализа. Чтобы добиться этого, нужно научиться «свертывать» данные в определенном целевом разрезе. Для этого Вы начинаете проводить сравнительные процедуры между полученными данными, сопоставляя их с теоретическими положениями. Поиск проводится в основном для поиска качественных, количественных закономерностей, используя анализ разницы в свойствах, разностные количественные оценки, включая степенные, например, правильно выбирая шкалы для визуализации найденных закономерностей.
Подробнее эти вопросы мы будем обсуждать в рамках курса.
1.4. Модуль 4. Инжиниринг сталей для литых корпусов криогенной арматуры
Требования к корпусам криогенной арматуры. Расчеты свойств и уточнение требований к сталям.
Литые хромомарганцевые стали и основные области легирующего комплекса для повышения комплекса механических и литейных свойств. Выбор сталей для корпусов криогенной арматуры. Оптимизация сталей.
Документация на литейные хромомарганцевые стали. Паспорта сталей. Технологическая инструкция на шихту, выплавку, заливку, подготовку форм и стержней. Определение свариваемости сталей. Натурные испытания. Коррозионные натурные испытания.
Проблемы внедрения литых хромомарганцевых сталей. Оценка состояния производственной системы. Тестовая эксплуатация. Совмещение с имеющимися производственными системами. Поиск решений и доработка. Правильный вход. Оптимизация литейной эффективности внедрения Cr-Mn сталей. Фракционная выплавка и разливка Cr-Mn сталей.
Модуль 4 даст представление о практике инжиниринга и разработки литых сталей для криогенной арматуры, продемонстрирует последовательность действий для быстрого и эффективного внедрения сталей в промышленном производстве.
С ростом промышленных масштабов использования криогенной техники в энергетике, металлургии, ракетной технике и др. увеличивается объем выпуска криогенного оборудования. Одним из основных направлений повышения производительности труда является снижение трудоемкости изготовления изделий без уменьшения надежности криогенных систем.
Ответственным узлом криогенных установок, работающим в условиях гидравлических и термических ударов, является запорно-регулирующая арматура. В настоящее время для ее изготовления обычно используются аустенитные хромоникелевые деформированные стали типа 12Х18Н10Т. Использование традиционной технологии изготовления арматуры из деформированных сталей (в штампосварном и кованом варианте) связано со значительными затратами на операции ковки, механической обработки и сварки. Применение точного литья из этих сталей позволяет уменьшить трудоемкость изготовления деталей, но хладостойкость отливок остается ниже, чем у изделий после обработки давлением. Поэтому при температурах 77К и ниже приходится использовать корпуса арматуры из деформированных сталей. Практически нет разработанных литейных сталей, сочетающих высокую хладостойкость и технологичность.
Выбор и оптимизацию составов можно проводить на основе регрессионных зависимостей и данных по исследованию структуры и свойств сталей. Значения предела текучести более 250МПа могут быть получены при разных соотношениях хрома и марганца, при минимуме дополнительных упрочнителей. Относительное удлинение выше 15 % и ударную вязкость более 40 Джсм2 при криогенных температурах можно получить в области составов с 28 % марганца и содержании хрома от 8 до 13 %. При 8–13 % хрома и 28 % марганца расчетная жидкотекучесть превышает требуемые значения. Окончательно, с учетом необходимости обеспечения коррозионной стойкости оптимально использовать состав с 13 % хрома и 28 % марганца.
Для подтверждения выбранного по математической модели состава проводятся испытания стали. Так, для выбранных составов выплавка состава проводилась в открытой индукционной печи с магнезитовым тиглем емкостью 150 кг. Образцы заливались методом литья по выплавляемым моделям в формы кустов вентилей и кусты образцов для механических испытаний, а также в литейную пробу Нехендзи-Купцова. Химический состав сталей соответствовал 07Х13Г28АНФЛ и тестовой стали 12Х18Н10ТЛ, табл.1.2.