ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ С НИЗКОЙ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТЬЮ ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР ОТ 293 ДО 4,2К

Конструкционные элементы сверхпроводящих магнитов ускорителей заряженных частиц высоких энергий эксплуатируются в условиях воздействия импульсного электромагнитного поля при термоциклировании в температурном интервале 293*4,2 К. Для обеспечения высокой однородности и стабильности магнитного 146 поля предъявляются жесткие требования к немагнитности конструкционных материалов, уровень величины магнитной восприимчивости которых не должен превышать 0,007. при тем-пературе жидкого гелия. Остальные требования по физико-химическим и механическим свойствам (стойкость против коррозии в ела- боагрессивных средах, свариваемость, хладо- стойкость, штампуемость и др.) являются общими для всех криогенных материалов.

Источником повышения магнитной восприим-чивости аустенитных Fe—Cr—Ni-сталей может служить образование ферромагнитных фаз: 3-феррита и а-мартенсита (в том числе мартенсита деформации, образующегося под воздействием напряжений при низких температурах).

Обеспечение стабильной аустенитной структуры, устойчивой против у-*а^, у->а' и «"-превращений, при снижении температуры до 4,2 К при воздействии магнитного поля с величиной индукции до 5 Тл является определяющим условием создания криогенных сталей с низкой магнитной восприимчивостью. Указанным требованиям в наибольшей степени соответствуют нержавеющие стали на основе Fe—Сг—Ni—Мп—(N). Никель, марганец и азот подавляют все виды превращений аустенита с образованием ферромагнитных фаз, а хром подавляет только мартенситное превращение (в то же время повышенное содержание хрома усиливает вероятность появления 6-феррита, особенно с учетом ликвационных явлений по мере увеличения массы промышленных слитков). Соотношением феррито- и аустенито- образующих элементов регулируется степень устойчивости аустенитной структуры в заданных условиях.

Парамагнитное состояние стабильно- аустенитных нержавеющих сталей нарушается при переходе в антиферромагнитное состояние. Это сопровождается пиком на кривой температурной зависимости магнитной восприимчивости, соответствующим температуре начала магнитного упорядочения с ближним порядком расположения атомов, называемой температурой Нее ля (TN).

Химический состав стали влияет на положение критической температуры перехода в антиферромагнитное состояние, поскольку ле-гирующие элементы по-разному влияют на ве-личину отрицательного обменного взаимодействия атомов [1-3]. Представленная на рис. 1 зависимость магнитных свойств типичной нержавеющей немагнитной стали 12Х18Н10Т иллюстрирует значительное повышение магнитной восприимчивости при криогенных температурах с максимумом 40 К.

В основу разработки немагнитной нержа-веющей стали с пониженным по сравнению со сталью 12Х18Н10Т уровнем магнитной восп-риимчивости при температуре эксплуатации 4,2 К был положен тезис о наличии связи температуры Нееля с величиной магнитной восприимчивости. Были использованы данные ряда работ, в которых приводятся количест-

Из данного уравнения видно, что марганец является практически единственным эффективным элементом, способствующим повышению температуры TN. Это связано с тем, что марганец в своей у-модификации является сильным антиферромагнетиком с 7^ ~ 540 К и поэтому введение его в Fe—Cr—Ni-стали должно стабилизировать антиферромагнитный обмен последних.

Исходя из принятой предпосылки о взаимо-связи температуры Гдг с уровнем магнитной восприимчивости, исследовали магнитные свойства трех групп Fe—Cr—Ni—Мп—N-сталей (серии А, Б, В). Данная система легирования была выбрана с учетом приведенных выше рас- суждений о стабильности аустенитной структуры в отношении образования ферромагнитных фаз. Группы сталей отличались по температуре TN: /- 45-55 К; //- 60-65 К; III- 70-80 К.

Химический состав опытных сталей приведен в табл. 1.

Магнитные свойства исследовали на ци-линдрических горячекатаных образцах после закалки с 1000, 1100 и 1200 °С, а также после отпуска при 700 °С в течение 30 мин. Влияние степени холодной деформации исследовали на плоских образцах с нагартовкой 33, 66 и 84% как без термообработки, так и с последующей закалкой.

Измерения магнитной восприимчивости про-водились в Институте физики высоких энергий ПА.Щербаковым и И.В.Богдановым по собст-венной методике.

Группа сталей серии А с TN < 53 К харак-теризуется наиболее высокими значениями магнитной восприимчивости ( • 10”3): от 9 до 24; стали с Т^ = 61—65,9 К имеют значительно более низкий уровень магнитности — от 5,3 до 7,3, а стали с ГдГ=г72-78К- всего 4—4,8. Размер аустенитного зерна и выделение вторичных карбидных фаз в процессе провоцирующего отпуска не оказывали влияния на величину магнитной восприимчивости.

Температурная зависимость магнитной восприимчивости опытных сталей (см. рис. 1) показывает значительное преимущество сталей с повышенной температурой ТN (В2, В4) по сравнению со сталью 12Х18Н10Т во всем тем-пературном интервале от 293 до 4,2 К.

Исследование намагниченности наклепанных плоских образцов выявило значительное повы-шение величины магнитной восприимчивости при увеличении степени пластической деформации (рис. 2). Это явление обратимо; после термической обработки магнитные свойства возвращаются к исходному уровню

Поскольку. основное влияние на температуру Нееля оказывают нжель и марганец, действие которых противоположно, то полученные экспериментальные результаты позволяют получить конкретное соотношение этих элементов для заданного уровня магнитной восприимчивости (рис. 4). Так, получение стали с X * ИГ3 при 4,2 К в пределах 5,5-7 возможно при содержании 2—3 % Мп и 10-12 % Ni; получение стали с X • Ю”3 - в пределах 4,5—5,5 возможно при содержании 3,5- 5,5%Мп и 11-14 %Ni и получение стали с X' Ю“3 < 4,0 возможно при содержании 6- 10 %Мп и 12-17 %Ni.

В заштрихованной области находятся стали с N^<28, что приводит к нестабильности магнитной восприимчивости (в зависимости от напряженности магнитного поля).

В результате проведенных исследований для изготовления конструкционных элементов сверхпроводящих магнитов ускорительной техники рекомендованы стабильно-аустенитные стали 05Х20Н15АГ6 и 05Х19Н11ГЗАМ.

Ввиду установленной ранее (см. рис. 2) высокой чувствительности магнитных свойств при 4,2 К к наклепу, при производстве холоднокатаного листа важное значение приобретает проведение рекристаллизационной обработки. Показанное на рис. 5 изменение механических свойств холоднодеформированных сталей после термообработки свидетельствует о необходимости регулирования температуры в зависимости от степени предшествующей де-формации.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 5, Москва 1994