CC BY
108
УДК 669.018 Б01: 10.15350/17270529.2019.1.6
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НОВЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ
1,2кушнерева д. с., 2сапожников г. в.
1 Удмуртский государственный университет, 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической технологии», 426010, г. Ижевск, ул. Азина, 2
АННОТАЦИЯ. Проведено сравнительное исследование стандартной нержавеющей стали 08Х18Н10Т, новой аустенитной стали типа ВНС53 (08Х21Г11АН6) и стали ВНС53-Ш-М, модифицированной высокоэнтропийными соединениями (ВЭС). Исследованы химический состав сталей, микроструктура, проведены механические испытания в широком интервале температур. Наилучшие показатели по прочности и работе при высоких температурах получены на модифицированной стали. Показана целесообразность дополнительного легирования.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: аустенитная сталь, азот, высокоазотистая нержавеющая сталь, высокоэнтропийные соединения, механические свойства, жаропрочность.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время у многих промышленных предприятий имеется потребность в изделиях, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками. Используемые сейчас стали уже не обладают должным набором качеств, удовлетворяющих предъявляемым к ним (изделиям) требованиям. Стали и сплавы для таких изделий должны быть немагнитными, жаропрочными, обладать коррозионной стойкостью, высокими механическими характеристиками при комнатной и повышенных температурах, выдерживать высокие нагрузки.
Всем этим требованиям в той ли иной мере удовлетворяют аустенитные марки стали. Поэтому сейчас активно разрабатываются новые марки, которые обладали бы повышенными характеристиками в полном объеме. Азот является сильным аустенитообразующим элементом и поэтому может с успехом рассматриваться в качестве замены дефицитных никеля и марганца в нержавеющих сталях [1 - 4]. Азот повышает прочность стали, увеличивает ее пластичность, коррозионную стойкость и жаростойкость в агрессивных средах [3 - 10]. Такое направление является весьма перспективным в производстве нержавеющих сталей как бытового, так и промышленного назначения.
Возможность применения высокоазотистых сталей довольно обширна: газоходы и гидравлические трубки в космической промышленности и авиации, коррозионностойкие и жаропрочные материалы для судостроения и нефтедобычи, немагнитная сверхпрочная проволока для ЛЭП и медицина. Представляло интерес провести анализ влияния дополнительного легирования высокоэнтропийными соединениями на структуру, фазовый состав и механические характеристики высокоазотистых аустенитных сталей.
Целью данной работы было проведение сравнительного исследования стандартной стали 08Х18Н10Т и высокоазотистых аустенитных сталей типа ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М, отличающихся дополнительным легированием по марганцу, ванадию и ниобию.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Объекты сравнительного исследования, сталь 08Х18Н10Т и высокоазотистые стали типа ВНС53, были разработаны и выплавлены в ОАО «НИИМТ» г. Ижевска.
Технология получения сталей включает:
- выплавку слитка стали типа ВНС53 в индукционной сталеплавильной электропечи;
- ковку слитка в электрод на прессе АКП-500;
- электрошлаковый переплав (ЭШП);
- ковку слитка ЭШП на прессе АКП-500;
- механическую обработку.
Для получения модифицированной стали высокоэнтропийную смесь, состоящую из феррониобия и феррованадия, вводили на стадии первичной индукционной выплавки.
Термообработку проводили по следующему режиму: аустенизация при 1070 °С с выдержкой в течение 1 ч, охлаждение на воздухе.
Химический состав стали определяли при помощи многоканального оптико-эмиссионного спектрометра ДФС-500 и анализатора газа МЕТЭК-200 (ГОСТ 18895-97, ГОСТ 17745-90).
Анализ атомного химического состава проводили на сканирующем электронном микроскопе Inspect S50 при ускоряющем напряжении от 5 до 30 кВ; испытания на растяжение - на универсальной испытательной машине 1958У-10-1 фирмы «Точприбор» при комнатной температуре по ГОСТ 1497-84, при повышенных температурах - по ГОСТ 9651-84.
Микроструктуру и содержание ферритной фазы оценивали на инвертированном металлографическом микроскопе Альтами-МЕТ (ГОСТ5639-82, ГОСТ 1778-70 и ГОСТ 11878-66).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты исследования химического состава сталей ВНС53 и 08Х18Н10Т представлены в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав исследованных сталей
Марка стали Массовая доля химических элементов, мас. %
C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo V W Ti Nb N Al Co
ВНС53-Ш 0,08 10,65 0,50 0,016 0,005 21,13 5,59 0,11 0,09 0,17 0,02 0,02 0,01 0,499 - -
ВНС53-Ш-М 0,07 11,00 0,22 0,014 0,005 20,48 5,50 0,09 0,04 0,29 0,06 0,01 0,29 0,491 - -
08Х18Н10Т 0,08 1,27 0,46 0,026 0,008 17,76 9,17 0,20 0,29 0,13 0,01 0,41 0,03 - 0,08 0,10
Анализ состава сталей показал, что стали ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М - азотистые хромоникельмарганцевые. Взятая для сравнения сталь 08Х18Н10Т - хромоникелевая.
Металлографическое исследование показало, что структура стали ВНС53-Ш-М однофазна и представляет собой аустенит (ферритная фаза отсутствует). Наблюдается характерная для аустенита двойниковая структура, выявлены включения твердых частиц (рис. 1, а, б).
Проведенный анализ атомного химического состава сплава показал, что основа относительно однородна и представляет собой систему на основе Бе-Сг-Мп-№. Дополнительное легирование стали ВНС53 привело к образованию высокоэнтропийных соединений на основе карбонитридов хрома и ниобия (система К-С-КЬ-Сг-Бе-У) (табл. 2). На рис. 2 представлены ЕББ-спектры основного металла и включений.
Рис. 1. Микроструктура стали ВНС53-Ш-М: а) - двойниковая структура, х300; б) - включение твердых частиц в основном металле, х1000
Таблица 2
Атомный химический состав основного металла и наблюдаемых включений
Контрольная точка Доля химических элементов, атом. %
Fe & Mn C № N Si № V
Основа 55,2 18,9 9,7 8,8 4,8 1,9 0,8 - -
Включение 10,1 18,7 - 19,7 - 20,2 - 18,9 2,5
т 2.97К
О
1
а 2.64К
м
и 2.31К
,и
и 1,98К
н
и
л 1.65К
ь
т с 1.32К
о
н в 0,99К
и
с н 0,66К
е
етн О.ЗЗК
Ин
о.оок
Ре Ко
С Ка N Ка
Я Ка
Мл К<
1
а)
1
N11 Ка
0,0
4,0
6,0
12,0
14,0 16,0 18,0
Энергия, кэВ
гя 1Д7К
О
^ 1.04К
а
м
и 0.91К
,и и 0.78К
н
и л 0.65К
ь
т 0.52К
с
о
н 0.39К
в
и
с н 0,26К
е
т Ин ОДЗК
0.00К
1МЬ Ьа
б)
Энергия, кэВ
Рис. 2. ЕБ8-спектры: а) - основного металла; б) - включений стали ВНС53-Ш-М
Исследование загрязненности металла неметаллическими включениями показало следующее:
- наличие нитридов титана 5 балла в стали 08Х18Н10Т и 5 % нежелательной ферритной
фазы;
- отсутствие ферритной фазы в стали ВНС53-Ш при содержании нитридов не более 0,5 балла;
- присутствие в стали ВНС53-Ш-М высокоэнтропийных включений - бледно-розового цвета нитридов ниобия 2 балла, ферритная фаза не обнаружена.
По результатам проведенного сравнительного исследования механических свойств модифицированной стали ВНС53-Ш-М со сталями ВНС53-Ш и 08Х18Н10Т можно заключить, что характер изменения аВ от температуры испытания исследованных сталей одинаков. График зависимости предела прочности аВ от температуры представлен на рис. 3, из которого видно значительное увеличение прочности высокоазотистых сталей по сравнению со стандартной 08Х18Н10Т в исследованном интервале температур. Следует отметить, что в стали 08Х18Н10Т наблюдается интенсивное окалинообразование и резкое снижение предела прочности при температурах более 650 °С, что связано с изменением ее структуры и сужает область ее применения. Наилучший результат по прочности показала модифицированная сталь ВНС53-Ш-М.
Температура, °С
Рис. 3. Зависимость предела прочности сталей от температуры испытания
Средние значения механических свойств стали ВНС53-Ш-М при температуре испытания приведены в табл. 3.
Таблица 3
Влияние температуры испытания на уровень механических свойств модифицированной стали
Температура испытания, Временное Предел текучести Относительное удлинение
°С сопротивление стВ , МПа ст02 , МПа 5, %
20 853 549 52
350 667 314 50
650 500 216 30
800 314 186 15
1000 124 121 46
Анализируя результаты сравнительного исследования свойств трех сталей, можно с уверенностью утверждать, что введенные тугоплавкие компоненты позволили получить ВЭС в модифицированной стали и не привели к образованию ферритной фазы в отличие от стандартной стали 08Х18Н10Т. Образовавшиеся высокоэнтропийные включения улучшили механические характеристики стали как при комнатной, так и при повышенных температурах. По сравнению со стандартной нержавеющей сталью 08Х18Н10Т сталь ВНС53-Ш-М показывает практически двойное увеличение прочности без потери пластичности в исследуемом интервале температур от 20 °С до 1000 °С (табл. 3).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Проведено сравнительное исследование химического состава, структуры, свойств нержавеющей стали 08Х18Н10Т и высокоазотистых аустенитных сталей ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М, отличающихся дополнительным легированием. Показано, что модифицирование ниобием и ванадием позволило сформировать в структуре азотистой аустенитной стали ВНС53-Ш интерметаллидные включения на основе сложных карбонитридов, которые, обладая высокой твердостью, обусловили повышение характеристики временного сопротивления более чем на 300 МПа при комнатной температуре и обеспечили высокие показатели пластичности в интервале температур 20 - 1000 °С.
2. За счет высокоэнтропийного модифицирования показана возможность создания аустенитной стали ВНС53-Ш-М с повышенными прочностными и жаропрочными характеристиками.
3. Модифицированная сталь ВНС53-Ш-М, обладая значительно более высокими прочностными характеристиками по сравнению со сталью 08Х18Н10Т и одновременно с высокими технологическими свойствами, является крайне перспективной для многих изделий, работающих при высоких температурах и давлениях, и служит предпосылкой для создания новых марок стали с особыми требованиями к их качеству.
4. Сделан вывод о правильности выбора химических элементов для легирования.
Авторы выражают благодарность к.ф.-м.н., доценту кафедры физики твердого тела УдГУ, Алалыкину Александру Сергеевичу за проведенные исследования высокоазотистых сталей методом СЭМ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Березовская В. В. Система легирования высокоазотистых аустенитных сталей, структура, механические и коррозионные свойства // Материалы I Междунар. интеракт. НПК «Инновации в материаловедении и металлургии», 13-19 дек. 2011 г., Екатеринбург. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2012. Ч. 1. С. 257-266. URL: http://elar.urfu.ru/bitstream/10995/27901/1/ivmim 2011 59.pdf (дата обращения 07.09.2018).
2. Банных О. А., Блинов В. М., Костина М. В. Азот как легирующий элемент в сплавах на основе железа // Труды школы-семинара «Фазовые и структурные превращения в сталях». Вып. 3 / под ред. В.Н. Урцева, 25-30 нояб. 2002 г., Магнитогорск. Магнитогорск: Дом печати, 2003. С. 157-192. URL: http://elib.pstu.ru/Record/RUPSTUbooks66136 (дата обращения 07.09.2018).
3. Приданцев М. В., Талов Н. П., Левин Ф. М. Высокопрочные аустенитные стали. М.: Металлургия, 1969. 247 с.
4. Костина М. В., Банных О. А., Блинов В. М. Особенности сталей легированных азотом // Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. № 12. С. 3-6.
5. Nakamura N., Tsuchiyma T., Takaki S. Effect of structural factors of the mechanical properties on the high nitrogen austenitic steels // Materials Science Forum, 1999, vol. 318-320, pp. 209-214.
6. Шпайдель М. О. Новые азотсодержащие аустенитные нержавеющие стали с высокими прочностью и пластичностью // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 11. C. 9-13.
7. Блинов В. М., Елистратов А. В., Морозова Е. И., Рахштадт А. Г., Костина М. В., Колесников А. Г., Плохих А. И. Влияние термической обработки на структурные превращения и свойства высокоазотистых сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. № 6. С. 19-24.
8. Банных О. А., Блинов В. М., Костина М. В., Блинов Е. В., Калинин Г. Ю. Влияние режимов горячей прокатки и термической обработки на структуру, механические и технологические свойства аустенитной азотсодержащей стали 05Х22АГ15Н8М2Ф-Ш // Металлы. 2006. № 4. С. 33-41.
9. Голубцов В. А., Лунев В. В. Модифицирование стали для отливок и слитков. Челябинск - Запорожье: ЗНТУ, 2009. 356 с.
10. Berns H., Gavriljuk V., Riedner S. High Interstitial Stainless Austenitic Steels. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013. 169 p.
PROPERTIES INVESTIGATIONS OF THE NEW HIGH-STRENGTH STAINLESS STEELS
1,2Kushnereva D. S., 2Sapozhnikov G. V. Udmurt State University, Izhevsk, Russia
2 JSC "Metallurgical Technology Research Institute", Izhevsk, Russia
SUMMARY. A comparative study of standard stainless steel 08X18H10T, austenitic steel type BHC53 (08X21r11AH6) and modified steel BHC53-ffl-M, which was modified by additional doping with high-entropy compounds, is described. The chemical composition of steels, microstructure, mechanical tests were carried out in a wide temperature range. It is shown that additional doping is advisable. According to the results of the tests, the modified steel showed the best performance.
KEYWORDS: austenitic steel, nitrogen, high-nitrogen stainless steel, high-entropy compounds, mechanical property, heat resistance.
REFERENCES
1. Berezovskaya V. V. Sistema legirovaniya vysokoazotistykh austenitnykh staley, struktura, mekhanicheskie i korrozionnye svoystva [The alloying system of high-austenitic austenitic steels, structure, mechanical and corrosion properties]. Materialy I Mezhdunarodnoy interaktivnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Innovatsii v materialovedenii i metallurgii» [Materials of the I International interactive scientific-practical conference "Innovations in materials science and metallurgy"]. Ekaterinburg: Ural'skiy universitet Publ., 2012, part 1, pp. 257-266. URL: http://elar.urfu.ru/bitstream/10995/27901/1/ivmim 2011 59.pdf (accessed September 7, 2018).
2. Bannykh O. A., Blinov V. M., Kostina M. V. Azot kak legiruyushchiy element v splavakh na osnove zheleza [Nitrogen as an alloying element in iron-based alloys]. Trudy shkoly-seminara «Fazovye i strukturnye prevrashcheniya v stalyakh» [Phase and structural transformations in steels. Vol. 3]. Pod red. V.N. Urtseva. Magnitogorsk: Dom pechati Publ., 2003, pp. 157-192. URL: http://elib.pstu.ru/Record/RUPSTUbooks66136 (accessed September 7, 2018).
3. Pridantsev M. V., Talov N. P., Levin F. M. Vysokoprochnye austenitnye stali [High-strength austenitic steels]. Moscow: Metallurgiya Publ., 1969. 247 p.
4. Kostina M. V., Bannykh O. A., Blinov V. M. Special Features of the steel alloyed with nitrogen. Metal Science and Heat Treatment, 2000, vol. 42, no. 11-12, pp. 459-462. https://doi.org/10.1023/A:1010479914464
5. Nakamura N., Tsuchiyma T., Takaki S. Effect of structural factors of the mechanical properties on the high nitrogen austenitic steels. Materials Science Forum, 1999, vol. 318-320, pp. 209-214. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.318-320.209
6. Speidel M. O. New nitrogen-bearing austenitic stainless steels with high strength and ductility. Metal Science and Heat Treatment, 2005, vol. 47, iss. 11-12, pp. 489-493. https://doi.org/10.1007/s11041-006-0017-y
7. Blinov V. M., Elistratov A. V., Kolesnikov A. G., Rakhshtadt A. G. , Plokhikh A. I. , Morozova E. I. , Kostina M. V. Effect of heat treatment on the structural transformations and properties of high-nitrogen chromium steels. Metal Science and Heat Treatment, 2000, vol. 42, iss. 6, pp. 221-225. https://doi.org/10.1007/BF02471315
8. Bannykh O. A., Blinov V. M., Kostina M. V., Blinov E. V., Kalinin G. Yu. Effect of hot-rolling and heat-treatment conditions on the structure and mechanical and technological properties of nitrogen-bearing austenitic steel 05Kh22AG15N8M2F-Sh. Russian metallurgy (Metally), 2006, vol. 2006, no. 4, pp. 306-313. https://doi.org/10.1134/S0036029506040069
9. Golubtsov V. A., Lunev V. V. Modifitsirovanie stali dlya otlivok i slitkov [Modification of steel for castings and ingots]. Chelyabinsk - Zaporozhye 3HTy Publ., 2009. 356 p.
10. Berns H., Gavriljuk V., Riedner S. High Interstitial Stainless Austenitic Steels. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013. 169 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-33701-7
Кушнерева Дарья Сергеевна, магистрант УдГУ, инженер центральной институтской лаборатории ОАО «НИИМТ», тел. 8(909)7153632, e-mail: d.kushnereva@yandex.ru
Сапожников Геннадий Вячеславович, кандидат физико-математических наук, заместитель генерального директора по научной работе ОАО «НИИМТ», тел. +7(3412)910709, e-mail: gennady2005@yahoo. com
