CC BY
190
УДК 669.15'786-194:629.73
О.А. Тонышева, Н.М. Вознесенская, Э.А. Елисеев, А.Б. Шалькевич
ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННОЙ АЗОТОСОДЕРЖАЩЕЙ СТАЛИ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ
Исследованы технологические и механические свойства новой эко-номнолегированной азотосодержащей стали ВНС-72, которая обладает комплексом показателей прочности и надежности, превышающих имеющиеся аналоги. Указанные свойства достигнуты без применения ряда дорогостоящих легирующих элементов или при существенном сокращении их содержания в стали.
E-mail: viam5@list.ru
Ключевые слова: высокопрочная экономнолегированная азотосодер-жащая коррозионностойкая свариваемая сталь.
Одно из важнейших направлений развития авиационной техники нового поколения заключается в максимальном облегчении всех узлов и деталей в целях уменьшения собственного веса самолета. При этом требуется повышать надежность и долговечность ответственных узлов и деталей. Достигнуть поставленной задачи возможно только при совершенствовании прочностных характеристик применяемых материалов без снижения показателей надежности.
В используемых для изготовления ответственных деталей высокопрочных коррозионно-стойких сталях необходимо также сохранять достаточный уровень пластичности, вязкости, способность хорошо свариваться и снижать стоимость производства материала. Одним из путей решения поставленной задачи является разработка высокопрочных коррозионно-стойких сталей, упрочняемых азотом [1, 2].
Присутствие азота в стали в качестве легирующего элемента в количестве, превышающем равновесное (сверхравновесном), приводит к образованию пересыщенного твердого раствора внедрения, что приводит, в свою очередь, к упрочнению материала, по аналогии с пересыщенным твердым раствором углерода в железе. Однако в отличие от такого раствора, азот создает меньшие напряжения второго рода атома меньшего размера (Яатома углерода = 0,077 нм; ^атома азота = = 0,062 нм).
Азот снижает энергию дефектов упаковки, что позволяет повышать пластические свойства стали наряду с увеличением прочностных характеристик. Расширяющий область существования аустенита азот сужает область существования дельта-феррита, охрупчивающего
сталь. Кроме того, это свойство позволяет уменьшить количество дорогостоящих легирующих элементов, стабилизирующих аустенит, например никеля. Благодаря присутствию азота в стали повышается содержание легирующих элементов, стабилизирующих феррит, положительно влияющих как на механические свойства, так и на коррозионную стойкость рассматриваемых сталей.
При наличии азота в твердом растворе увеличивается стойкость стали против общей, питтинговой, щелевой и межкристаллитной коррозии. Это обусловлено, в частности, тем, что при образовании нитридов (например Сг2К) связывается меньшее количество хрома, чем в случае образования карбидов (например Сг23С6).
Однако сталь, легированная азотом, ввиду его малой растворимости и довольно высокой подвижности склонна к образованию газовых раковин при затвердевании металла во время выплавки; для получения качественной азотистой стали требуются меры, препятствующие выделению азота. Удержание азота в твердом растворе достигают за счет легирования элементами, обладающими большей энергией связи с ним, чем с железом. К таким элементам можно отнести марганец, молибден, титан, ниобий, ванадий, хром.
Однако интенсивное легирование хромом, марганцем, молибденом для усвоения азота в стали снижает точку начала мартенситного превращения, структура таких сталей преимущественно аустенитная. Стали аустенитного класса обладают прочностью не выше 1000 МПа. Для получения высоких прочностных свойств и сохранения пластичности содержание мартенситной фазы в стали должно быть не менее 70-80 % [3].
С учетом изложенного выше была разработана высокопрочная экономнолегированная сталь ВНС-72 переходного (аустенитно-мартенситного) класса, упрочняемая азотом.
Материал и методика исследований. Исследования проводили на промышленном металле, выплавленном в ОАО «Металлургический завод «Электросталь» в открытой индукционной печи с последующим электрошлаковым переплавом (ЭШП). Выплавку проводили с использованием метода контроля фазового состава путем замера уровня магнитной индукции литых проб с помощью прибора ИФСС, что позволяет определять соотношение магнитной (мартенсит) и немагнитной (аустенит) фаз [4, 5]. Корректировка фазового состава во время выплавки производилась доводкой до необходимого уровня намагниченности литых проб путем добавления соответствующих элементов.
По ходу плавки контролировали содержание азота и при необходимости его увеличения в расплав вводили азотированный марганец. Окончательно марочного содержания азота добивались введением в
расплав азотированного феррохрома перед разливкой стали в изложницу. В литом состоянии содержание мартенсита составило 30-50 %, остальное аустенит.
Далее слиток проковывали на прутки с различной стороной квадрата (90, 150 и 200 мм) при температуре 1150...950 °С.
Упрочняющая термообработка стали состояла из следующих операций: закалка, обработка холодом, низкий отпуск.
Содержание остаточного аустенита оценивали по намагниченности насыщения 4п1з на приборе типа «Штеблейн».
Металлографические исследования проводили на шлифах, подвергнутых электролитическому травлению в 10%-ном растворе щавелевой кислоты.
Стойкость к коррозионному растрескиванию определяли в 3%-ном растворе №С1 при 35 °С в камере солевого тумана, а также в условиях умеренного морского климата (Геленджикский центр климатических испытаний им. Г.В. Акимова) при приложенном напряжении април = 980 МПа.
Экспериментальная часть и обсуждение результатов. Для выбора оптимальной температуры закалки проводили исследование микроструктуры стали ВНС-72 после закалки с разных температур, обработки холодом при температурах ниже -20 °С и низкого отпуска при температурах выше +200 °С. Установлено, что в случае применения высокотемпературной закалки в масло присутствуют мартенсит, остаточный аустенит и статистически распределенные карбиды (рис. 1, а). В случае применения нагрева до значений температур тра-
Рис. 1. Микроструктура стали ВНС-72 после закалки, обработки холодом и отпуска:
а - закалка 1050 °С (мартенсит, остаточный аустенит, отдельные карбиды); б - закалка 1020 °С (мартенсит, остаточный аустенит и разорванная карбидная сетка в аустенитных полях)
карбиды по границам зерен не растворяются, и после закалки, обработки холодом и низкого отпуска в структуре присутствует карбидная сетка (рис. 1, б), которая снижает пластичность и вязкость, а также коррозионную стойкость.
Механические свойства стали ВНС-72 представлены в таблице. При сравнении с аналогами (см. таблицу) новая сталь отличается конкурентоспособным комплексом показателей прочности и надежности.
Механические свойства некоторых высокопрочных коррозионно-стойких сталей аустенитно-мартенситного класса
Свойства ВНС-72 ВНС-5 ВНС-43 АМ 355 (США)
Ов 1750 1550 1670 1550
^0,2 1350 1200 1225 1250
V, % 50-55 50 50 38
КСи, х106 Дж/м2, г = 0,25 мм, 4сп = +20 °С 5 9 7 -
СРТУ сН/сШ, мм/кцикл, при ДК = 31 МПа^м 0,22 0,31 0,25...0,30 -
К1С, МПа^м 145 175 130 86
МЦУ отах при N = 200 кцикл, К = 2,2 700 400 500 -
овв (ЭЛС), МПа 1640 1400 1570 -
В дополнение к данным, приведенным в таблице, проведены испытания ударной вязкости стали ВНС-72 при различных значениях температуры: КСи-70 °С = (1...1,2>106 Дж/м2; КСи+20 °С = = (8...9,5)-106 ДЖ/м2; КСи-70 °С = (4...5)-106 Дж/м2. Достаточно высокие показатели пластичности и вязкости разрушения достигают при наличии в стали 12-15 % остаточного аустенита.
Опыты по исследованию сопротивления коррозионному растрескиванию при оприл = 980 МПа, проведенные в течение более 6 мес. в камере солевого тумана КСТ-35 и в условиях умеренного морского климата, показали отсутствие разрушения экспериментальных образцов.
При использовании азотосодержащей стали исключается применение редкоземельных элементов, кобальта и уменьшается содержание других дорогостоящих элементов.
Сталь ВНС-72 технологична: холодная и теплая пластическая деформации с высокими степенями обжатия не вызывают образования трещин, в результате такой обработки увеличиваются прочность и твердость.
При исследованиях влияния температуры и степени деформации на структуру и механические свойства стали клиновые образцы прокатывали за один проход при температуре 700.1100 °С со степенью обжатия 10-80 %. Разрушение образцов при всех значениях температур прокатки не выявлено, их деформация происходит равномерно как вдоль направления прокатки, так и в поперечном направлении без трещин на поверхности и в объеме образцов. На прокатанных образцах после обработки холодом и низкого отпуска получена твердость 50-56 ЫЯС.
Сталь ВНС-72 хорошо поддается аргонодуговой (АрДЭС) и электронно-лучевой (ЭЛС) сварке.
Испытания на растяжение при комнатной температуре сварных образцов с присадками из стали ВНС-72, в том числе с подваркой по шву показали, что среднее значение кратковременной прочности сварного соединения осв.с = 1400.1508 МПа, что соответствует 0,870,89 от прочности стали ВНС-72. Место разрушения образцов при растяжении независимо от присадочного материала находилось в зоне сварного шва. Разрушенные образцы имели вязкие изломы.
Структура зоны около сварных швов без термической обработки разнозернистая, без дефектов в виде пор, трещин, оплавления зерен (рис. 2, а). После сварки необходимо проводить упрочняющую термообработку для устранения напряжений и неоднородности в структурах зоны сварного шва и зоны термического влияния. После упрочняющей термической обработки структура околошовной зоны становится дисперсной, однородной, мартенситной с некоторым количеством аустенита (рис. 2, б).
Рис. 2. Структура околошовной зоны сварных соединений стали ВНС-72 (х100):
а - без термообработки; б - после упрочняющей термообработки
На сварных образцах в термообработанном состоянии были получены следующие значения ударной вязкости: КСи = = (5,4...9,2)-106 Дж/м2; КСи-70 °С = 4-106 Дж/м2.
Новая сталь ВНС-72 может быть использована для изготовления крепежных деталей, силовых деталей планера, в том числе сварных деталей авиационной техники.
Выводы. Исследованная высокопрочная экономнолегированная азотосодержащая сталь ВНС-72 переходного (аустенитно-мартенситного) класса обладает уникальным сочетанием высокой прочности ов до 1750 МПа и пластичности у 50-55 %.
Холодная и теплая пластические деформации стали ВНС-72 даже при больших степенях деформации не вызывают образование трещин, при этом обеспечивается высокий уровень прочности, в том числе твердости, и надежности по сравнению с аналогами.
Возможно применение стали ВНС-72 для свариваемых конструкций, в частности изготавливаемых с помощью аргонодуговой (АрДЭС) и электронно-лучевой (ЭЛС) сварки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Костина М. В., Банных О. А., Блинов В. М. Особенности сталей легированных азотом // Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. № 12. С. 3-6.
2. Влияние термической обработки на структурные превращения и свойства высокоазотистых сталей / В.М. Блинов, А.В. Елистратов, А.Г. Колесников и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. № 6. С. 19-24.
3. Потак Я. М. Высокопрочные стали. М.: Металлургия, 1972.
4. Выплавка нержавеющих сталей переходного класса / П.И. Мелихов, А.П. Бояринов, П.М. Гращенков, И.Н. Мелькумов // Сталь. 1964. № 4. С.320.
5. Нержавеющая сталь Х16Н6 (СН-2А, ЭП 288) переходного класса с высокой вязкостью / Я.М. Потак, В.В. Скачков, Л.С. Попова, В.И. Лавров, П.М. Гращенков // Металловедение и термическая обработка металлов. 1968. № 11. С. 4.
Статья поступила в редакцию 31.10.2011
