CC BY
12
100 СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ, №1 (9), 2017 УДК 669.018.8
ТЕМПЕРАТУРА НАЧАЛА ИНТЕНСИВНОГО РОСТА ОБЪЕМНОЙ ДОЛИ 6-ФЕРРИТА ПРИ ОТЖИГЕ АУСТЕНИТНОЙ КОРРОЗИОННО-СТОЙКОЙ СТАЛИ Св-07Х25Н13 Зинченко Сергей Александрович, к.т.н., начальник лаборатории металловедения и термообработки ОАО «Ижсталь», г. Ижевск, Россия (e-mail: feb-zinchenko@yandex.ru) Ибрагимов Анвар Усманович, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Системный анализ и управления качеством» ФГБОУВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова», г. Ижевск, Россия
(e-mail:uk@istu.ru)
В данной статье приведены результаты исследования особенностей д^у - превращения в аустенитной коррозионно-стойкой стали Св-07Х25Н13 при отжиге в интервале температур (600 - 1250)оС. Исследования проводились на массиве 14-ти промышленных плавок с соотношением Сгэк(/Мэкв в пределах 1,31 - 1,62 и, соответственно, содержанием д-феррита в пределах 1,8 - 9,5%. Получены зависимости максимальной температуры нагрева под горячую обработку давлением от содержания д-феррита в исходном литом состоянии.
Ключевые слова: аустенитные коррозионно-стойкие стали, соотношение Сгэке/Шэкв, температура начала интенсивного роста д-феррита, дифференцированные режимы нагрева под горячую обработку давлением.
В структуре аустенитных коррозионно-стойких сталей может содержаться до 10% 5-феррита [1, 2]. В общем случае количество 5-феррита, содержащееся в конкретной плавке данной марки стали, есть величина не постоянная. Даже небольшие колебания концентрации феррито- или ау-стенитообразующих элементов могут привести к заметному изменению процентного содержания 5-феррита [3]. Степень влияния легирующих элементов на фазовый состав (объемную долю феррита) в аустенитных коррозионно-стойких сталях учитывается посредством введения коэффициентов Шеффлера для каждого элемента. В работе [4] и обзоре [5] на основе анализа результатов многих исследований выбран следующий вид хромового и никелевого эквивалентов:
О-экв = %Cr + 1.37%Mo + 1.5%Si + 2%Nb + 3%Ti (1)
№экв = %Ni + 0.3%Mn + 22%C + 14.2%N + %Cu (2)
Соотношение Cr^/Ni^ (называемое соотношением Шеффлера) позволяет получать сведения о количественном составе фаз в литых коррозионно-стойких сталях при комнатной температуре.
На количество 5-феррита также оказывает влияние скорость кристаллизации и охлаждения слитков. Повышение скорости охлаждения жидкого
металла способствует уменьшению количества феррита и наоборот. По этой же причине крупные слитки содержат большее количество 5-феррита, чем малые и литые пробы. Обычно с повышением температуры отжига доля феррита монотонно растет. Однако в ряде литературных источников приводятся сведения, противоречащие данному утверждению. Так, по данным [6] при нагреве образцов стали SUS 309S в интервале температур (900-1000)оС количество феррита сначала растет с 14 до 18%, а затем падает до 12% при 1150оС, далее возрастает до 30% при 1300оС. Для стали SUS 304 [7] при нагреве до 1150оС доля феррита снижается с 4,2 до 0,3% для образцов из приповерхностного слоя сляба и с 6,5 до 2,5% для образцов из средней зоны сляба. При дальнейшем увеличении температуры до 1300оС количество феррита резко возрастает до 4,7 и 7,5% соответственно. Получение таких противоречащих на первый взгляд результатов связано с тем, что для приближения структуры двухфазных высоколегированных сталей к равновесному состоянию требуется достаточно длительная выдержка. Чем ниже температура отжига, тем, очевидно, требуется выдержка большей длительности. В связи с этим обоснованно в производственных условиях выделять следующие состояния металла [8]:
а) после нагрева отлитого в изложницу слитка;
б) после горячей пластической деформации;
в) после отжига деформированного или литого металла на минимальное количество 5-феррита;
г) после отжига металла на максимальное количество 5-феррита;
д) после отжига деформированного или литого металла при данной промежуточной температуре.
Состояния «а» и «б» двухфазной стали отличаются непостоянством и нестабильностью содержания 5-феррита даже при постоянном химическом составе стали. Состояния «в» и «д» можно рассматривать как сравнимые, приведенные. При постоянном химическом составе каждому из них соответствует постоянное количество 5-феррита.
Аустенитные коррозионно-стойкие стали с 5-ферритом отличаются пониженной высокотемпературной пластичностью, склонны к растрескиванию при горячей обработке давлением. Наличие в структуре 5-феррита может привести к образованию надрывов при горячей прокатке, которые часто служат причиной снижения выхода годного металла или неисправимого брака [9].
Для стали Св-07Х25Н13 увеличение содержания 5-феррита в исходном литом состоянии сопровождается ухудшением прокатываемости [10]. При содержании 5-феррита более 5 - 6% прокатка существенно затрудняется, на поверхности раската образуются множественные надрывы. В то же время, изменение фазового состава стали при нагреве зависит от исходного содержания 5-феррита.
На рис. 1 приведен политермический разрез равновесной диаграммы состояния системы Fe-Cr-Ni при ~ 70%Fe.
Рисунок 1
Видно, что сплав Fe-25%Cr-15%Ni, близкий по составу исследуемой стали, кристаллизуется по ферритно-аустенитному механизму. Первоначально из жидкости выделяется феррит. Аустенит образуется между денд-ритами феррита по эвтектической реакции. Затем в твердом состоянии имеет место превращение феррита в аустенит, что подтверждается металлографическим наблюдением структуры (рис. 3). Феррит имеет вермику-лярную морфология.
На основе диаграммы состояния, используя правило рычага, была рассчитана зависимость объемной доли феррита от температуры в равновесных условиях для состава сплава, соответствующего исследуемой стали (табл. 1). Металлографическим методом была определена объемная доля феррита в стали Св-07Х25Н13 (плавка Т4502). Объемная доля 5-феррита при комнатной температуре в плавке Т4502 составляет 3,9%. Содержание феррита после отжига в интервале температур (600 - 1250)оС приведено в таблице 1.
Таблица 1
Температура, оС 600 700 800 900 1000 1050 1100 1150 1200 1250
Расчетные данные, % 2.0 2.2 2.4 2,6 3,0 3,6 4,2 4,8 5,5 7,0
Металлография, % 1,9 2,2 2,4 2,6 3,0 3,5 4,1 4,7 5,7 7,3
Сравнение данных таблицы 1 свидетельствует о хорошем совпадении расчетных и экспериментальных данных по изменению объемной доли феррита в зависимости от температуры (рис. 2).
8 7 Ь 5 4 3 2 1 О 5С Изменение объемной доли феррита в зависимости от температуры
ГО 600 700 300 900 1000 1100 1200 1300 -Расчетные данные и Металл о г рафии
Рисунок 2
Микроструктуры металла после отжига при разных температурах приведены на рис. 3.
V I
Литое состояние
600 °с
г'ё
^ Ж * *
•А. 800 °С
900 оС
МЛ)
1250°С
х 700 Рис. 3
Анализируя полученные данные можно отметить, что отжиг ниже определенной температуры (~1100оС) снижает количество феррита, а отжиг выше этой температуры приводит к росту объемной доли феррита. Назовем эту температуру температурой начала интенсивного роста 5-феррита
ТНИР.
Очевидно, ТНИР зависит от исходного содержания 5-феррита после кристаллизации стали. В связи с этим на металле, отобранном от 13-ти плавок стали Св-07Х25Н13 с соотношением Сгэкв/№экв в пределах 1,31 - 1,62 и, соответственно, содержанием 5-феррита в пределах 1,8 - 9,5%, исследованы закономерности изменения микроструктуры и фазового состава при выдержке в интервале температур горячей обработки давлением.
Химический состав отобранных плавок стали приведен в таблице 2.
Таблица 2
№ плавки Массовая доля элементов, %
С Мп Сг N1 Си Мо N Сгэкв/№'-экв
Т4502 0,07 1,33 0,74 23,67 13,48 0,11 0,08 0,01 1,53
Т4510 0,07 0,69 0,62 23,41 13,04 0,17 0,25 0,01 1,51
Т4518 0,07 1,94 0,80 23,36 12,37 0,17 0,14 0,01 1,54
Т4524 0,07 1,87 0,80 23,67 13,40 0,19 0,15 0,02 1,47
Т4536 0,08 1,90 0,86 23,55 12,40 0,17 0,15 0,01 1,59
Т4557 0,08 1,88 0,89 23,64 12,59 0,19 0,10 0,01 1,54
Т4561 0,09 1,62 0,95 23,55 12,98 0,17 0,15 0,01 1,52
Т4567 0,07 1,77 0,81 23,60 12,46 0,17 0,16 0,02 1,62
Т4611 0,09 1,73 0,62 23,89 12,04 0,17 0,10 0,02 1,70
Т4628 0,09 1,80 0,90 23,54 13,56 0,17 0,09 0,01 1,46
Т4632 0,09 1,74 0,63 23,32 12,79 0,18 0,10 0,01 1,49
Т4643 0,09 1,58 0,57 23,50 13,06 0,18 0,10 0,01 1,48
Т5877 0,09 1,58 0,51 21,34 13,53 0,17 0,11 0,01 1,31
Т9996 0,.07 1,70 0,45 21,32 13,20 0,17 0,06 0,01 1,32
Образцы стали указанных плавок подвергали выдержке в течение 2-х часов при температурах из интервала (1000 - 1250)оС с последующей закалкой в воде. Микроструктуру выявляли электрохимическим травлением в 10%-ном растворе щавелевой кислоты в воде при плотности тока 0,6 А/см . Образец служил анодом. Количественную оценку содержания 5-феррита проводили линейным методом на изображениях микроструктур образцов исследуемых плавок стали. Результаты анализа обрабатывали по критерию Стьюдента при уровне доверительной вероятности 0,90. Соотношение Сгэкв/№экв определяли по формулам (1) и (2).
Типичные микроструктуры литого металла исследуемых плавок стали приведены на рис. 4.
Плавка Т4611: 9% 5
Плавка Т4518; 6,5 % 5
Плавка Т4510; 5,5 9% 5
2г=*. '
» ф
Плавка Т4632; 3,7 % 5
Рис. 4
Значения объемной доли 5-феррита в зависимости от температуры отжига в плавках с разным соотношением Сгэкв/№экв приведены в таблице 3.
Таблица 3
№ плавки %5 в литом состоянии Температура отжига, оС
1000 1050 1100 1150 1200 1250
Т4510 5,5±0,5 3,8±0,7 4,0±0,7 4,1±0,6 5,2±0,4 6,0±0,7 7,0±0,5
Т4518 6,5±0,6 5,0±0,6 5,5±0,5 6,0±0,9 6,5±0,5 7,2±0,7 8,0±0,8
Т4524 7,0±0,8 5,5±0,8 6,0±0,5 6,5±0,6 7,1±0,5 7,9±0,8 8,7±0,4
Т4536 9,5±0,6 9,1±0,7 9,3±0,7 9,6±0,6 10,2±0, 8 11,0±0, 9 11,9±0, 5
Т4557 8,7±0,5 7,6±0,4 8,0±0,6 8,5±0,8 9,1±,09 9,9±0,6 10,8±0, 6
Т4561 5,7±0,7 4,0±0,6 4,4±0,8 5,0±0,8 5,7±0,9 6,7±0,8 7,6±0,7
Т4567 8,3±0,7 7,2±0,6 7,6±0,8 8,1±0,5 8,8±0,7 9,6±0,8 10,4±0, 9
Т4611 9,0±0,8 7,9±0,5 8,4±0,9 9,0±,07 9,8±0,6 10,5±0, 5 11,4±0, 6
Т4628 8,0±0,6 6,3±0,5 6,8±0,5 7,4±0,7 8,0±0,6 8,9±0,5 9,7±0,7
Т4632 3,7±0,5 1,4±0,5 1,7±0,6 2,1±0,6 2,2±0,8 3,9±0,7 4,9±0,4
Т4643 5,0±0,7 2,9±0,5 3,2±0,6 3,7±0,8 4,3±0,4 5,2±0,9 6,1±0,6
Т5877 1,8±0,5 0,2±0,0 7 0,5±0,0 5 0,9±0,0 6 1,2±0,1 1,9±0,7 2,7±0,8
Т9996 1,9±0,4 0,5±0,0 6 0,9±0,7 1,2±0,0 9 2,0±0,5 2,6±0,5 3,5±0,4
Полученные результаты показывают, что в структуре всех исследуемых плавок с повышением температуры объемная доля 5-феррита монотонно возрастает. Причем, чем больше содержание 5-феррита в исходном литом состоянии, тем интенсивнее происходит прирост его количества с повышением температуры.
Функциональные зависимости содержания 5-феррита от температуры отжига достаточно точно апроксимируются квадратичной функцией. Под-
ставляя в уравнения значения содержания 5-феррита в литом состоянии получим температуры начали интенсивного роста 5-феррита ТНИР для каждой исследуемой плавки стали (табл. 4).
Таблица 4
№ плавки %5 в литом состоянии Тнир ,оС = Максимальная температура нагрева под ГОД
Т4510 5,5±0,5 1171
Т4518 6,5±0,6 1147
Т4524 7,0±0,8 1142
Т4536 9,5±0,6 1071
Т4557 8,7±0,5 1116
Т4561 5,7±0,7 1153
Т4567 8,3±0,7 1121
Т4611 9,0±0,8 1099
Т4628 8,0±0,6 1146
Т4632 3,7±0,5 1196
Т4643 5,0±0,7 1195
Т5877 1,8±0,5 1198
Т9996 1,9±0,4 1187
Поскольку увеличение содержания 5-феррита при нагреве металла по отношению к его содержанию в исходном литом состоянии снижает горячую пластичность коррозионно-стойких сталей с 5-ферритом, то нецелесообразно перегревать металл выше ТНИР. Соответственно эту температуру следует принять за максимальную температуру нагрева металла под горячую обработку давлением (ГОД).
Заключение:
1. На металле 14-ти плавок аустенитной коррозионно-стойкой стали Св-07Х25Н13 стали с соотношением Сгэкв/№экв в пределах 1,31 - 1,62 и, соответственно, содержанием 5-феррита в пределах 1,8 - 9,5% исследованы особенности формирования микроструктуры при выдержке в интервале температур (600 - 1250)оС.
2. Показано, что с повышением температуры отжига объемная доля 5-феррита монотонно растет. Причем, чем больше содержание 5-феррита в исходном литом состоянии, тем интенсивнее идет прирост объемной доли 5-феррита.
3. Для каждой исследованной плавки определена температура начала интенсивного роста 5-феррита ТНИР. Установлено, что чем больше содержание 5-феррита в литом состоянии, тем ниже ТНИР.
4. Полученные зависимости ТНИР. от содержания 5-феррита в литом состоянии или от Сгэкв/№экв могут быть использованы при назначении диф-
ференцированных режимов нагрева под горячую обработку давлением слитков аустенитных коррозионно-стойких сталей.
Список литературы
1. ГОСТ 5632-2014. Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.
2. ГОСТ 2246-70. Проволока стальная сварочная.
3. Зинченко С. А., Титоров Д.Б. Структура и высокотемпературная пластичность аустенитных нержавеющих сталей // Препринт. - Свердловск. - УНЦ АН СССР. - 1987. -43 с.
4. Suutala N., Moisio T. Use of chromium and nickel equivalents in considering solidification phenomena in austenitic stainless steel // Solidific.Technol. Foundary and Cast house Proc. Int. Conf. - Coventr. - 15 - 17 Sept. - 1980. - London. 1983. - P. 310 - 314.
5. Suutala N/ Solidification of austenitic stainless steel // Acta unive ouluen. - 1983. C. - N 26. - P. 53 - 60.
6. Saiton Makoto, Imamura Motoaki, Iton Yukio. Влияние 5-феррита на способность к горячей обработке давлением нержавеющей стали SUS 309S // Danki Saiko Elec. Furmace Steel/ - 1982/ - V. 53 - N 3/ - P. 179 - 188.
7. Uematsu Yoshihira, Fujimura Takehiro, Hoshino Kasuo. Исследование горячей деформируемости образцов из непрерывно-литых слябов стали SUS 304 с применением испытательной машины для растяжения с высокой скоростью // Nisshin Seel Techn. Rept. - 1982./- N 47. - P. 25 - 26.
8. Буряковский Г.А., Мининзон Р.Д. Поверхностные дефекты на прокате аустенитных сталей // Сталь. - 1983. - № 12. - С. 64 - 66.
9. Дзугутов М.Я. Пластическая деформация высоколегированных сталей и сплавов. -М., Металлургия. - 1977. - С. 192.
10. Зинченко С.А. Закономерности 5^-у - превращения в стали Св-07Х25Н13 с разным соотношением Cr^/Ni^ // Тез. докл. 2-го Собрания металловедов России. - Пенза. - 20-22 сентября 1994 г.
Zinchenko Sergey Aleksandrovich, Cand.Tech.Sci., the chief Laboratories of metallurgical science and heat treatment Joint-Stock Company "Izhstal", Izhevsk, Russia (e-mail: feb-zinchenko@yandex.ru)
Ibragimov Anvar Usmanovich, Cand.Tech.Sci., associate professor, Chair of system analysis and quality management FBGU VO "IzhGTUM.T.Kalashnikov's name", Izhevsk, Russia (e-mail: uk@istu.ru)
TEMPERATURE OF THE BEGINNING OF INTENSIVE GROWTH VOLUME FRACTION 6-FERRITE AT ANNEALING AUSTENITIC STAINLESS STEEL Св-07Х25Н13
Abstract. In given clause results of research of features in ó^y - transformations austenitic stainless steel Св-07Х25Н13 at annealing in an interval of temperatures (600 - 1250)°С. Researches were spent on a file 14 industrial swimming trunks with parity Creq/Nieq within the limits of 1,31 - 1,62 and, accordingly, the maintenance ó-ferrite within the limits of 1,8 - 9,5 %. Dependences of the maximal temperature of heating under hot processing by pressure from the maintenance ó-ferrite in an initial cast condition are received.
Keywords austenitic stainless steel, parity Creq/Nieq, temperature of the beginning of intensive growth ó-ferrite, the differentiated modes of heating under hot processing by pressure.
