Стали, работающие при низких температурах

В тоже время с повышением содержания углерода положительное влияние молибдена  на хладностойкость снижается и для ряда сталей становится отрицательным. Дороговизна молибдена делает его применение часто неоправданным.

    Влияние вольфрама аналогично молибдену, но эффективность его воздействия на структуру и свойства стали примерно в три раза слабее.

Поэтому оптимальные содержания вольфрама  в конструкционных сталях обычно колеблются в пределах 0,5 – 1,5%. Применение его для хладностойких строительных сталей нерационально.

    Влияние серы.

    С увеличением содержания серы, и следовательно количество сульфидов пластичность и вязкость стали снижаются, а способность к хрупкому разрушению заметно возрастает. Изучение влияния серы на хладностойкость литой стали 25Л, показали, что увеличение содержания серы в пределах марочного состава от 0,02% до 0,054% при -40 град С более чем в два раза снижают ударную вязкость литой стали; дальнейшее же увеличение ее содержания (до 0,112%) оказывает меньшее влияние. Практически полное охрупчивание стали независимо от содержания серы наступает уже в интервале (-60) – (-80). Повышение содержания серы на 0,01% в диапазоне от 0,02 до 0,05% сдвигает критическую температуру хладноломкости примерно 15-17 град.

    Исследования показали, что с увеличением содержания серы соответственно возрастало количество сульфидных включений, являющихся концентраторами напряжений и источниками образования трещин. При прочих равных условиях снижение содержания серы является эффективным средством повышения хладностойкости стали.

    Влияние фосфора.

Фосфор, как и сера, относится к вредным  примесям, наиболее сильно влияющим на свойства стали. По мере повышения содержания углерода охрупчивающее влияние фосфора возрастает. Углерод вытесняет фосфор из раствора на границы зерен, что существенно ослабляет межкристаллические связи. Подобное влияние на фосфор оказывает и марганец. И особенно опасно совместное влияние углерода (>0,3%) и марганца (>1,0%) на хладноломкость сталей с повышенным содержанием фосфора. Микронеоднородность в такой стали способствует образованию грубодендритных структур, которые ослабляют металлическую матрицу и увеличивают хладноломкость стали.

    Никель, молибден, ванадий несколько уменьшает вредное влияние фосфора в указанных сталях, однако и в этих стаях следует снижать содержание фосфора до минимума.

    Охрупчивающее влияние фосфора проявляется в ослаблении межкристаллических связей за счет обогащения границ зерен элементарным фосфором, а также за счет образования неметаллических включений фосфидной эвтектики, являющихся концентраторами напряжений. Вредное влияние фосфора на хладноломкость однозначно для всего сортамента конструкционных сталей. Результаты испытаний ударной вязкости в диапазоне температур от +20 до -80 град С показывают, что увеличение содержания фосфора от 0,02 до 0,10% однозначно снижает ударную вязкость литой стали для всех температур испытания примерно в четыре-шесть раз. Для среднеуглеродистой стали увеличение содержания фосфора на 0,01% сдвигает критическую температуру хладноломкости примерно на 20 град в сторону положительных температур.

    4. Термическая обработка. 

    Известно, что природно-мелкозернистые стали более хладностойки, чем крупнозернистые. Мелкое зерно аустенита, получаемое после присадки алюминия, существенно повышает показательной ударной вязкости при низких температурах. Поэтому опасным является перегрев стали, вызывающий рост аустенитных зерен. На хладноломкость влияет и размер ферритного зерна.

    Между величиной размера зерна феррита и критической температурой хрупкости для низкоуглеродистых сталей установлена однозначная прямолинейная зависимость.

    Также известно благоприятное влияние на хладностойкость мелкодисперсных сфероидальных карбидов и отрицательное влияние пластичных карбидов в перлите, по мере роста размеров которых повышается критическая температура хрупкости.

    Правильно выбранный режим термической обработки позволяет получить оптимальную структуру стали, обеспечивающую наивыгоднейшее сочетание механических показателей и в том числе наивысшую хладностойкость.

    Улучшение является наилучшим видом термической обработки с точки зрения получения комплекса свойств и наиболее низкой критической температуры хладностойкости. Влияет и температура отпуска. С повышением температуры отпуска улучшаются пластические стали и хладностойкость.

    Нормализация – наиболее часто применяемый вид термической обработки для хладностойких сталей. Высокий отпуск после нормализации значительно снижает склонность стали к хрупкости, т. е. существенно повышает хладностойкость.

    Отжиг – наиболее неподходящая для хладностойких сталей термическая обработка. Отрицательное влияние отжига проявляется в образовании грубой блочной дифференцирования структуры вследствие медленного охлаждения. Режимы отжига обуславливают самые низкие показатели хладностойкости.

    Для деталей, работающих при низких температурах, применяют высокий отпуск, обеспечивающий наиболее низкие критические температуры хладноломкости. На практике в условиях производства для крупных или сложных форм отливок процессы закалки е всегда технологичны и целесообразны. Для большинства отливок рекомендуются процессы нормализации, обеспечивающие удовлетворительные дисперсность структуры и уровень свойств. А последующий отпуск существенно улучшает хладностойкость. На производстве часто применяют отжиг, а исследования показали, что значениям ГОСТа по ударной вязкости при -40, соответствует только режим улучшения (на примере стали 35Л), поэтому важно менять технологии производства сталей для отливок.

     Термическая обработка является важнейшим процессом при получении качественной стали. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    5.Неметаллические включения.

    Неметаллические включения являются основной плавочной характеристикой стали, в значительной степени определяющей ее свойства и, в частности, хладностойкости. Степень загрязненности включениями, их природа и характер распределения оказывают однозначное влияние на процессы охрупчивания стали при низких температурах. Включения, являясь концентраторами напряжений, способствуют зарождению трещин и предопределяют температуры перехода сталей из вязкого в хрупкое состояние. Повышение общей частоты стали и получении благоприятной формы включений существенно снижают критические температуры хладноломкости стали.

    Требования к частоте стали непрерывно возрастают. Особенно велико влияние сталей на хладноломкость стали. 

    6. Хладностойкие стали.

    В сортаменте стального литья первое место занимают углеродистые стали, преимущественно среднеуглеродистых марок 25-45Л, однако эти сорта сталей мало подходят для работы при низких температурах.

    Постепенный перевод сортамента хладностойких отливок с углеродистых на легированные стали является важной проблемой машиностроения. Особенно перспективным является создание новых экономно- легированных хладностойких сталей. Однако, как уже было показано улучшение свойств может достигаться за счет повышения частоты стали и улучшения формы включений.

    Углеродистые стали могут быть улучшены путем неметаллических включений, а также в результате конечного раскисления. Эффект глобуляризации включений существенно улучшает комплекс свойств и хладностойкость, приближая свойства углеродистой стали к свойствам легированной.

    В легированных сталях сочетание высоких показателей прочности и сопротивляемости охрупчиванию наиболее благоприятны. Применение легированных сталей позволяет существенно улучшить хладностойкость деталей машин при одновременном снижении их веса. При этом дополнительные затраты на ферросплавы обычно незначительны, что увеличивает экономическую эффективность легирования,

    Особенно перспективны экономно-легированные Хладностойкие стали повышенной прочности, не содержащих дорогостоящих и дефицитных никеля, молибдена и вольфрама. К таким маркам следует прежде всего отнести марганцевые, кремнемарганцевые, хромокремнемарганцевые литейные стали (типа 20ГЛ, 20ГСЛ, 20ХГСЛ и др.). Влияние легирования и модифицирования в полной мере проявилось при испытании хладноломкости- с повышением степени легирования критическая температура хладноломкости прогрессивно снижалась.

    Раскисленные только алюминием стали типа 15Л и 15ГЛ охрупчивались при температурах соответственно -40 и -60 град. С; при дополнительном раскислении силикокальцием эти стали при указанных температурах имели удовлетворительную вязкость. Сталь типа 15Л и при втором варианте раскисления охрупчивались при -80 град. С. В стали типа 15ХГСЛ наблюдалось хорошее сочетание прочности и хладностойкости. Дополнительное легирование молибденом может быть целесообразным только при производстве крупных отливок.

    На ряде заводов, производящих отливки для работы при низких температурах применяют сталь 35ГЛ. По сравнению со сталью 35Л эта сталь отличается лучшим сочетанием прочности, пластичности и вязкости (предел текучести выше на 20-30%, критическая температура хладноломкости ниже на 15-20 град.). Комплексное раскисление еще в большей степени улучшает показатели хладноломкости.

    Из всех элементов химического состава после серы и фосфора углерод оказывает наиболее сильное влияние на хладноломкость. Каждая 0,01%

углерода повышает критическую температуру хладноломкости 1-1,5 град. Включение цементита, препятствующее пластическому течению металла при низких температурах, являются концентраторами напряжений и местами зарождения трещин. Поэтому для повышения хладноломкости большой интерес представляют низкоуглеродистые стали.

    Среди многочисленных сталей, применяемых для производства фасонного литья, особое место занимает высокомарганцевая аустенитная, являющаяся самой распространенной высоколегированной сталью для отливок.

Сочетание высокой вязкости и способности  к наклепу с хорошей износостойкостью обеспечивает широкое применение оливок из этой стали в машиностроении, горной, металлургической, химической и строительной промышленности. Сортамент  изделий из этой стали исключительно  многообразен; из нее изготавливают  конусы и щеки дробилок, детали ковшей экскаваторов и землечерпалок, гусеничные тракторы, железнодорожные рельсы, стрелки, крестовины и др. детали. В зимнее время, особенно в северных и восточных районах, когда температура понижается до -14 град. С, наблюдаются массовые поломки оборудования – отливки высокомарганцевой стали охрупчиваются и разрушаются. Поэтому изучение природы и механизма охрупчивания имеет большое практическое значение.

    Для эффективного модифицирования высокомарганцевой стали были применены титан и цирконий. По технологическим и экономическим соображениям, более целесообразно применение титана. Измельчение структуры положительно влияет на хладностойкость отливок, износостойкость отливок из модифицированного титаном стали возрастает в 1,5 раза. В настоящее время высокомарганцевую сталь, модифицированную титаном, широко применяют для износостойких отливок металлургического и горнообогатительного оборудования. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    7.Заключение. 

    Учитывая географические особенности территории нашей страны, сооружения и конструкции, возводимые в районах восточнее изотермы –30 град.С (>85% территории), следует изготавливать из хладностойких строительных сталей. Однако до настоящего времени применялись хладноломкие углеродистые стали, при этом увеличивали запас прочности за счет металлоемкости, что приводит к перерасходу металла и не всегда достигает цели.

    В связи с развитием на Крайнем Севере и Востоке газовой и нефтяной промышленности и строительством магистральных трубопроводов большого диаметра особенно увеличилась потребность в хладностойких листовых сталях. В еще большей степени необходимы хладностойкие сортовые конструкционные стали для машин строительной, дорожной и горнодобывающей техники, работающей при низких температурах. В соответствии с этим производство хладностойких сталей постоянно растет.