Никельді құйма қорытпалардың химиялық құрамы (қосынды элементтер бойынша) және ұзақ беріктігінің шегі

Болат	Элементтердің мөлшері, 1 %					, МПа
	Cr	Ti	Al	Mo	Басқа элементтер
ЖС	14-18	1,6-23	1,6-22	3,0-4,0	4,5-6,5 W	300
ЖС6К	10,5-12,5	2,5-3,0	5,0-6,0	3,5-4,5	4,5-6,5W 4,5 Со	520
ВЖЛ12У	8,5-10,5	5,0-5,7	4,2-4,7	2,7-3,4	1,0-1,8 W 12-15 Со 0,5-1,0V 0,015 В	520
1. Көміртектің мөлшері 0,1-0,2%

Никельді қорытпалар олардың қызуға тұрақтылығын арттыру үшін алюминдеуге түседі.

Ұсынылған әдебиет

Негізгі 3 [278-302]

Бақылау сұрақтары

1. Қандай болаттар ыстыққа төзімді деп аталады?

2.Металдар мен қорытпалардың ыстыққа төзімділігі неге тәуелді?

3. Ыстыққа төзімділік критерийі болып не табылады?

4. Никель мен кобальттың ыстыққа берік қорытпаларын атаңыз.

5. Қандай материалдар суыққа төзімді материалдар деп аталады?

15-дәріс. Теріс температураларда жұмыс істейтін болаттар – криогенді техникаға арналған болаттар

Төменгі температурадағы аспаптық болаттар екі топқа бөлінеді. Бірінші топқа төменгі климаттық температураларда пайдалануға арналған болаттар кіреді (600 С- қа дейін). Бұл солтүстік орындалудағы деп аталатын болаттар. Екінші топ болаттарын қайнау температурасы 800-тен 2690-қа дейінгі (көмірсутегі, оттегі, азот, сутегі, гелий және т.б.) күйдірілген газдарды алу мақсатында, сақтау және тасымалдау үшін арналған құрылғыларда және мәшинелерде пайдаланады. Екінші топ болаттарын криогенді болаттар деп атайды. Жұмыстық температурада морт сынғыштыққа жоғары қарсыластық криогенді болаттарға қойылатын негізгі талап болып табылады. Мұндай болаттардың бастапқы суықсынғыштық температурасы жұмыстық температуралардан төмен болуы керек.

Материалдың физикалық қасиетінен жылулық кеңею, жылуөткізгіштік, жылусыйымдылық маңызды қасиеттер болып табылады. Материалдың жылулық кеңеюі азайған сайын, термоциклдеу кезіндегі конструкциялар мен бөлшектердегі термиялық кернеу соншалықты азаяды. Термоциклдеу кезінде материалдың суыну жылдамдығы жылусыйымдылық пен жылуөткізгіштікке тәуелді. Ерекше төменгі температураларда, сұйық азоттың (-1960 С) температурасынан бастап жылуөткізгіштік пен жылусыйымдылық 10 еседей азаяды. Бұл қасиеттердің өзгеруі термоциклдеу кезіндегі суыну жылдамдығына бірдей әсер етпейді. Жылуөткізгіштің көбеюімен және жылусыйымдылықтың аз мөлшерінде , криогенді құрылғылардың суынуы жеңілдейді және жұмыстық режимге өтуі тездетіледі.

Аса маңызды технологиялық қасиеттерге – пісірілгіштік пен иілгіштік жатады. Пісіруді конструкциялар мен герметикалық криогенді аппаратураларды өндіруде кеңінен қолданады. Иілгіштік массивті бөлшектерге қарағанда морт сынғыштыққа аз бейім жұқа табақшалар мен жұқа бүйірлі элементтерді дайындауға қажет. Қоршаған ортамен үйлесімділік, материалдың криогенді техника ортасында ең көп тараған оттек пен сутектің өзара әсерімен анықталады. Оттекпен әсерлесу кезінде материалдың (титанның, алюминий мен оның қорытпаларының) жануы мүмкін. Көміртегі көптеген металлдарда ериді және КШТ торлы болаттар мен титан негізді қорытпалардың морт сынғыштығын арттырады.

Теріс температуралар кең көлемінде жұмыс істеуге криогенді материал ретінде сонымен қатар жемірілуге тұрақты болатын аустенитті болаттар қолданылады. Криогенді аустенитті болаттар хромникельді, хроммарганецті және хромникельмарганецті болуы мүмкін.

Хромникельді аустенитті болаттарда 18-ден 25%-ға дейін Сr және 8-ден 25% дейін Ni болады.Оларға 08Х18Н8; 08Х18Н10; 08Х18Н20 және басқалары жатады. Хром мен никель мартенситтік түрленудің Мб температурасын төмендететіндіктен болаттар төменгі температураларда аустенит құрылымын сақтайды. Хромникельді аустенитті болаттар 269 °С (сұйық гелидің қайнау температурасы) температураға дейін жоғары морт сынғыштыққа қарсыластығына ие бұл оның жұмыстық температуралар (269 °С) көлемінің кеңдігін анықтайды.

196⁰ С (сұйық азоттың қайнау температурасы) температурадан жоғары температурада жұмыс істеу үшін тапшы никельдің орнына марганец немесе марганец пен азот бірге ауыстырылған болаттар пайдаланылуы мүмкін.

10Х14Г4Н4Т; 07Х21Г7АН5; 03Х13Г19 және т.б. сондай болаттар болып табылады. Сондай-ақ никель сияқты марганец мартенситтік түрленудің температурасын түсіре отырып, аустениттің суыну кезіндегі және суықтай созымдылық деформация кезіндегі тұрақтылығын арттырады. Криогенді болаттардың термиялық өңделеуі бірдей: 1050-1150⁰С суда біртекті аустенитті құрылым алу үшін шынықтыру.

Төменгі температураларда (196⁰С) жұмыс істеуде сонымен қатар құрамында 3,5-9 % Ni және 0,06 % С бар темірникельді қорытпалар да (болаттар) кеңінен қолданылуда. Никель темірдің суықсынғыштығының бастапқы температурасын төмендетеді және оның морт сынғыштыққа бейімділігін азайтады. 3-4 % Ni темірге (0,06 % С) қосу суықсынғыштықты 40-тан - 120 °С-қа дейін төмендетеді. 6-9% Ni қорытпалардың суықсынғыштығы(-180) - (-190 °С). Аталған топқа никельді болаттар ОН6 (6-7 % Ni; 0,06 % С) және ОН9 (8,5-9,5 % Ni; 0,06 % С) жатады. Олардың құрылымы никельмен легірленген ферритке ие. Болаттар үнемді легірленген, технологиялық қасиеті, пісірілігіштігі жақсы бөлме температурасында хромникельді аустенитті болаттарға қарағанда беріктік қасиеттері жақсы.

Суыққа шыдамды материалдардың негiзгi топтары. Төменгікөміртекті КШТ және ЖШТ құрылымды болаттар мен алюминий мен оның қорытпалары (АМц, АМг, АМг5 және т.б.) титан және оның негізіндегі қорытпалар (ВТ1, ВТ5, ВТ4 және т.б.) және кейбір шайырзаттар (фторопласт-4, полеамидтер, кеуекті полистирол, полиуретан) суыққа шыдамды материалдардың негізгі топтарына жатады. Тоңазтқышты құрылғыларының әр бөлшектеріне жоғары қаттылық пен беріктік талап етілсе, орташа көміртекті жақсартылған болаттар, сонымен қатар мартенситті ескіретін болаттардың қолданылуы шекті.

КШТ торлы болаттар суық климатты температураларда жұмыс істеуге арналған. Олардың температуралық пайдалану шекарасы болаттардың металлургиялық қасиеті және 0-ден 60⁰ С аралығындағы құрылымына байланысты суықсынғыштықтың бастамасымен шектеледі. Суықсынғыштықты төмендетудің және жұмыс сенімділігін жоғарлатудың тиімді әдісі болып көміртегінің мөлшерін азайту, ұсақтүйірлі құрылым құру( түйір өлшемі 10-20 мкм), зиянды қоспалардың құрамын азайту мен сирек жер металлдармен оларды бейтараптандыру, сонымен қатар ванадий, ниобий, никельмен легірлеу және термиялық жақсартуды пайдалану болып табылды. Көміртегінің мөлшері көбейгендіктен суықсынғыштықтың бастамасы жоғарылағандықтан және болаттардың пісірілгіштігі нашарлағандықтан негізгі төмен көміртекті болаттар пайдаланылады.

Кәдімгі сападағы – тыныш, жартылайтыныш және қайнаған болаттарды түрлі бұйымдар, қысым мен жұмыс істейтін ыдыстарда да пайдаланады.

Бұл болаттардың әдеттегі өңдеусіз ең аз деңгейдегі жұмыс температурасы кезіндегі төменгі температурасы -200С дейін шектеледі, ал қайнайтын болаттар 0-10⁰С аралығында кездеседі, сонымен бірге олардың суық сынғыштығының басталуы тыныш болаттарға қарағанда 10-20⁰С-дан жоғары. Кешенді әлемде металлургиялық сапаны жақсарта отырып, түйіннің ұсақталуы және шағынқұрылымды легірлеу негізінде арзан болаттардың тасымалдаудың белгіленген температурасын -50⁰С-қа дейін төмендете аламыз. Сонымен бірге болаттың бағасы ұлғаяды, бірақ ол легірленген болаттың бағасынан төмен. Болаттарды 0⁰С температурадан төмен температурада қолдану үшін конструкциялық болаттардың өңделуі қажет –зиянды қоспаларды жою, температуралық түрөзгеруі жеңілдетілген жіңішке элементтерді қолдану. Ірі конструкциялар үшін жоғары берікті төменгі легірленген пісірілетін болат 09Г2С, 14Г2АФ және т.б. қолданады. Төмен көміртектендірілген болаттардан басқа орташа көміртектендірілген, жақсартылған, серіппелі болаттар қолданады (45, 40Х, 65Г, 60С2А). Олар үшін ең төмен қондырылған жұмыс температурасы -500С. Никельді болат сәулелі суыққа төзімділікке ие болады: 12ХН3А және 18Х2Н4МА болатын термиялық жақсартудан кейін -1960С дейінгі температурада қолданады.

Никельді болат ОН6 және ОН9 0,05% С құрайды, оларды жағдайын жақсарту үшін қолданады(шынықтыру немесе нормальдау 830-900⁰С және босату 600⁰С). Болат ұсақ түйінді құрылымға, тұтқырлыққа, созымдылыққа және жақсы пісірілгіштікке ие болады.

Аустенитті болатпен салыстырғанда олар берік, жылуды жақсы өткізеді және екі есе арзан. Сонымен бірге никельді болаттың жылулық ұлғаюы кіші. Бұл болаттарды ірі конструкцияларда сұйытылған газды тасымалдауға арналған танкерлерде қолданады. Никельді болаттардың кемшілігі – атмосфералық жемірілуге қарсы орташа беріктігі.

Аустенитті болат КШТ торымен -196⁰С төмен температурада жоғарғы созымдылығымен және тұтқырлығын сақтайды. Аустениттің мартенситке төменгі температурада айналуы жағымсыз, себебі ол кезде бөлшектің өлшемі ұлғаяды, морт қирауға бейімділк пайда болады. Аустенит тұрақтылығы 15% жоғары аустенит жасаушы элементтердің (Ni, N, Mn) құрамының жоғарлауын қамтамасыз етеді.

Аустениттік болаттың аздығы – аққыштық шегінің төмендігі. 12Х18Н10Т болат қатарына қарапайым хромомаргенецті болатты (03Х13АГ19) және арнайы дисперсті қататын болат (10Х11Н23Т3МР, 10Х11Н20Т3Р).

Инвар 36Н (36% Ni, қалғаны Fe) аз ғана жылулық ұлғаюымен және тұрақты КШТ құрылымымен ерекшеленеді. Инвардан жасалған дайындамалар температура өзгеру кезінде аз ғана термиялық кернеу пайда болады, конструкцияларда түрөзгеру компенсаторы қажет емес. Инварды пайдалану жеткіліксіз жемірілу беріктігімен және жоғары бағасымен шектеледі.

Мартенситті – ескіретін болат тоңазытқыш машинаның бөлшектерінде қолданады (табанасты, валики, клапандар және т.б.), жоғарғы беріктік және жоғарғы қаттылық қажет болғанда.

Суыққа берік қорытпалар. Алюминий және олардың қорытпалары суыққа сынғыштықты бастамай тұрып -253 -269⁰С температурада тұтқыр болып қалады. Салқындату кезінде σ_в 35-60 %, σ_0.2 15-25 % дейін жоғарлайды, соққы тұтқыры біртекті 0,5-0,2 МДж/м² дейін ұлғаяды.

Тұтқыр қирау К1 іс жүзінде азаймайды, яғни алюминий қорытпасы салқындату кезінде кесуге сезімталдығы 250 қарағанда аз. Үлкен жылулық ұлғаюға байланысты (айтарлықтай жылутасымалдағышпен) алюминийде конструкция элементтерін қатты бекіту кезінде оларда айтарлықтай термиялық кернеу болады.

Оларды азайту негізінде түрөзгеру компенсаторын немесе конструкцияның жеке бөлігін (мысалы, криостаттар қылтасы) жылуөткізгіштігі төмен материалды дайындайды, мысалы аустенитті болат немесе пластмасса. Төмен температура кезінде (-253 тен -269⁰С) көбінесе алюминийді қолданады және термиялық беріксізденбейтін пісірілетін қорытпаларды АМц, АМг2, АМг5. -2530 С температураға дейін жұмыс істейтін пісірілмейтін дайындамалар үшін түрөзгеретін термиялық беріктенетін болаттар Д16, АК6, АК8, сонымен қатар құю қорытпаларын АЛ2, АЛ9 қолданады.

Титан және оның қорытпалары -196 дан -269⁰С температурада морт сынбайды және үлкен меншікті беріктігіне байланысты космостық техникада қолданады. Техникалық таза титанды және оның бір фазалы қорытпасын ВТ5-1, ОТ4 көп қолданады. Олар созымды, жеңіл пісіріледі және пісіруден кейін термиялық өңдеумен байланысты қажет етпейді. Берігірек бірақ созымдылығы аз қоспалар ВТ3-1 және ВТ6 екі фазалық құрылымымен (α+β) -196⁰С температураға дейін қолданады. Бұл қоспалар бір фазалы қоспаларға қарағанда нашар пісіріледі және пісіру байланысы үшін жасыту қажет.

Мыс және оның қорытпалары (жез, қола ) созымды, суыққа сынғыштық басталмайды. Сонымен қатар тұтқыр қирау оларда салқындату кезіде жоғарлайды. Оларды күрделі конструкцияларда, тіреу бөлшектері, пісіру корпустары -2690С температурада жұмыс істейтін. Алюминиймен салыстырғанда бағасының қымбаттылығына байланысты мыс және оның қорытпаларын көбінесе алюминиймен алмастырылады.

Металл емес суыққа берік материалдар. Олардың беріктігі және соққылы тұтқырлығы металлмен салыстырғанда анағұрлым төмен.

Металл емес материалдар жылулық оқшаулағышты, сонымен қатар жеке бөлшектерді және конструкция элементтерін дайындау кезінде қолданады. Жылу оқшаулағыш үшін көбіктендірілген полистирол полиуретан қолданады, төмен жылуөткізгіштігімен ерекшеленеді [λ=0,3ч0,05 Вт/(м. єС)]. Бөлшектер және конструкция элементтері үшін әйнекті талшықпен толтырылған (полиамидтер, поликарбонатта) пластмасса қолданады. Жылжымалы тығыздау үшін фторопласт-4 (- 269 єС), резина ( –70 ⁰С) қолданады.

Ұсынылған әдебиет

Нег. 3 [278-302]

Бақылау сұрақтары

1. Аустенитті болаттардың к.ш.т. торымен артықшылықтарымен кемшіліктер?

2. Суыққа берік материалдар қалай жіктеледі?

3. Никель суық сынғыштықтың басталуына қалай әсер етеді?

4. Инвар қандай қасиетке ие?

5. Қандай материалдар суыққа берік деп аталады?