Основные группы хладостойких материалов.

Основными группами хладостойких материалов являются низкоуглеродистые стали с ОЦК и ГЦК структурой, алюминий и его сплавы ( и др.), титан и его сплавы ( и др.), некоторые пластмассы (фторопласт-4, полиамиды, пористые полистирол, полиуретан). Среднеуглеродистые улучшаемые стали, а также мартенситно-стареющие стали используют ограниченно, когда к отдельным деталям холодильного оборудования предъявляются требования повышенной прочности и твердости.

ТАБЛИЦА 14.11. (см. скан) Температурные интервалы применения конструкционных материалов

Хладостойкие стали. Применение находят стали с ОЦК и ГЦК решетками.

Стали с ОЦК решеткой используют главным образом для работы при температурах климатического холода. Температурная граница их применения ограничивается порогом хладноломкости, который в зависимости от металлургического качества стали и ее структуры составляет от 0 до — 60 °С. Эффективными мерами снижения порога хладноломкости и повышения надежности работы являются уменьшение содержания углерода, создание мелкозернистой структуры (размер зерен 10-20 мкм), понижение содержания вредных примесей и их нейтрализация добавками редкоземельных металлов, а также ванадия, ниобия, титана, легирование никелем и применение термического улучшения (рис. 14.17).

Основное применение получили низкоуглеродистые стали, так как с увеличением содержания углерода повышается порог хладноломкости и ухудшается свариваемость стали.

Стали обыкновенного качества (табл. 14.11) — спокойные, полуспокойные и кипящие — применяют для разнообразных изделий, включая сосуды, работающие под давлением. Минимальная рабочая температура этих сталей без специальной обработки для низкотемпературной службы ограничивается -20 °С (см. табл. 14.11), а у кипящих сталей находится в пределах от 0 до -10 °С, так как у них порог хладноломкости на 10-20 °С выше, чем у таких же спокойных сталей.

Комплексом мер, включающих улучшение металлургического качества, измельчение зерна и микролегирование, удается снизить допустимую температуру эксплуатации этих дешевых сталей

Рис. 14.17. Зависимость порога хладноломкости никелевых сталей с 0,05% С от содержания никеля

до -50 °С (см. табл. 14.11). Хотя стоимость стали при этом увеличивается, но она все же ниже стоимости легированных сталей. При использовании сталей при температурах ниже 0°С необходима отработка конструкции деталей — устранение опасных концентраторов, использование тонкостенных элементов, в которых облегчены температурные деформации. Для крупных конструкций используют свариваемые низколегированные стали повышенной прочности и др. Кроме низкоуглеродистых сталей используют среднеуглеродистые улучшаемые и пружинные стали Минимальная рабочая температура для них установлена

Стали с никелем имеют лучшую хладостойкость; стали после термического улучшения применяют до температуры .

Никелевые стали содержат не более 0,05% С, их применяют в улучшенном состоянии (закалка или нормализация от 830-900 °С и отпуск при 600 °С). Стали имеют мелкозернистую структуру, вязки, пластичны, хорошо свариваются. По сравнению с аустенитными сталями они прочнее, лучше проводят теплоту и почти вдвое дешевле. Тепловое расширение никелевых сталей также меньше. Эти стали используют для крупных конструкций, включая танкеры для перевозки сжиженных газов. Посредственная стойкость против атмосферной коррозии - недостаток никелевых сталей.

Аустенитные стали с решеткой сохраняют высокую пластичность и вязкость ниже Переход аустенита в мартенсит при низких температурах нежелателен: увеличиваются размеры деталей, появляется склонность к хрупкому разрушению. Стабильность аустенита обеспечивают повышением содержания аустенитообразующих элементов свыше 15%.

Недостаток аустенитных сталей - низкий предел текучести. Наряду со сталями применяют более прочные хромомарганцевые стали и специальные дисперсионно-твердеющие стали

Инвар остальное отличается малым тепловым расширением и стабильной ГЦК структурой. В изделиях из инвара при изменении температуры возникают малые термические напряжения, в конструкциях не требуются компенсаторы деформации Применение инвара ограничивается недостаточной коррозионной стойкостью и высокой стоимостью.

Мартенситно-стареющие стали (см. табл. 14.11) используются для деталей холодильных машин (подпятники, валики, клапаны и др.), когда необходимы повышенная прочность и высокая твердость.

Хладостойкие сплавы. Алюминий и его сплавы, не имея порога хладноломкости, остаются вязкими при температурах При охлаждении них повышается на 35-60%, на 15-25%, а ударная вязкость монотонно уменьшается до 0,5 — 0,2 МДж/м2 (см. рис. 14.16). Вязкость разрушения практически не уменьшается, а это значит, что алюминиевые сплавы при охлаждении менее чувствительны к надрезам, чем при 25 °С. Из-за большого теплового расширения (значительной теплопроводности) алюминия при жестком закреплении элементов конструкций в них неизбежны значительные термические напряжения. Для их уменьшения применяют компенсаторы деформации или отдельные части конструкции (например, горловины криостатов) изготовляют из материалов с меньшей теплопроводностью, например из аустенитных сталей или пластмасс. При низких температурах (от -253 до -269 °С) чаще всего используют алюминий и термически неупрочняемые свариваемые сплавы . Для

несвариваемых изделий, работающих до температуры используют деформируемые термически упрочняемые сплавы а также литейные сплавы

Титан и его сплавы не охрупчиваются при температурах от -196 до (см. табл. 14.11) и из-за большой удельной прочности используются в космической технике. Широко применяют технически чистый титан и его однофазные сплавы Они пластичны, легко свариваются, и после сварки не требуется термическая обработка соединений. Более прочные, но менее пластичные сплавы с двухфазной -структурой применяют при температурах до Эти сплавы свариваются хуже однофазных сплавов, и для сварных соединений необходим отжиг.

Медь и ее сплавы (латуни, бронзы) пластичны, не имеют порога хладноломкости. Кроме того, вязкость разрушения у них повышается при охлаждении. Их применяют для трубных конструкций, крепежных деталей, сварных корпусов, работающих при температурах до Из-за более высокой стоимости по сравнению с алюминием медь и ее сплавы все больше заменяются сплавами алюминия.

Неметаллические хладостойкие материалы. Они имеют более низкую прочность и ударную вязкость по сравнению с металлами.

Неметаллические материалы используют для изготовления тепловой изоляции, а также отдельных деталей и элементов конструкций. Для тепловой изоляции используют вспененные полистирол или полиуретан, отличающиеся особенно низкой теплопроводностью Для деталей и элементов конструкций используют пластмассы, наполненные стеклянным волокном (полиамиды, поликарбонаты). Для подвижных уплотнений применяют фторопласт-4 (до 269 °С), резины (до 70 °С).