автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Создание азотсодержащей маломагнитной стали с пределом текучести 400 Н/мм2

Государственный научный центр Российской Федерации Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей»

Для служебного пользования

Экз. № 26

На правах рукописи

КАЛИНИН Григорий Юрьевич

СОЗДАНИЕ АЗОТСОДЕРЖАЩЕЙ МАЛОМАГНИТНОЙ СТАЛИ С ПРЕДЕЛОМ ТЕКУЧЕСТИ 400 Н/мм2

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1999 г.

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском институте конструкционных материалов «Прометей»

Научный руководитель: Доктор технических наук,

профессор Малышевский В.А.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

профессор Чижик A.A.

Доктор технических наук,

профессор Хорошайлов В.Г.

Ведущая организация: Институт металлургии им. A.A. Байкова РАН

Защита состоится «¿0» 1999 г. в 10 час.

на заседании диссертационного совета ССД 130.09.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИИ КМ «Прометей».

Автореферат разослан «..?( » 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета s^/

Малышевский В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Приоритетными задачами ВМФ в настоящее время являются совершенствование противоминной обороны и создание отечественных минно-тральных кораблей.

В связи с этим, для обеспечения строительства перспективных заказов отрасли, и в частности, нового морского тральщика пр.02668 была поставлена задача по разработке новой маломагнитной корпусной стали взамен стали 45Г17ЮЗ, склонной к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Проработки ЦНИИ им. акад. Крылова и Западного ПКБ, выполненные в 1992 г., свидетельствуют о том, что защита кораблей ПМО от поражения по магнитному каналу может быть обеспечена только при использовании корпусных материалов с магнитной проницаемостью Ц.<1,01. Даже частичное применение обычных ферромагнитных корпусных сталей при строительстве корпусов недопустимо виду отсутствия средств размагничивания, способных в достаточной мере компенсировать магнитный момент корабля и обеспечить его защищенность по магнитному каналу.

Целью работы являлась разработка новой маломагнитной стали с пределом текучести более 400 Н/ммг, удовлетворяющей всем требованиям, предъявляемым к судостроительным материалам.

В частности, необходимо было создать высокопрочный, экологически чистый, технологичный в судостроительном и металлургическом производстве материал, обладающий высокой коррозионной стойкостью и. коррозионно-механической прочностью, не уступающий лучшим образцам коррозионностойких сталей отечественных и зарубежных аналогов.

В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи :

1) Всесторонне изучить влияние комплекса легирующих элементов на структуру и свойства нового материала. Основное внимание уделить введению в сталь азота, как основного аустени-тообразующего и упрочняющего элемента.

2) Разработать технологию термической обработки стали.

3) Провести всесторонние коррозионные испытания, в т.ч. на мёжкристаллитную, питтинговую коррозию и коррозионное растрескивание.

4) Разработать и освоить технологию промышленного производства нового материала.

5) Исследовать работоспособность стали в составе простейших и опытно-штатных конструкций, в т.ч. в натурных морских условиях.

6) Всесторонне изуч!тть свойства нового материала на предмет применения его в ряде отраслей народного хозяйства и за рубежом.

Научная новизна. Разработаны принципы легирования новой корпусной азотсодержащей маломагнитной стали. Показано, что упрочнение аустенитных сталей за счет легирования азотом намного эффективней по сравнению с легированием углеродом.

Обоснован выбор основных легирующих элементов, обеспечивающих очень высокую стабильность аустенитной структуры стали и обуславливающих низкие значения ее магнитной проницаемости .

Разработана современная технология производства стали с использованием установки газокислородного рафинирования и выбран оптимальный режим термической обработки стали, что

позволило обеспечить высокую устойчивость материала против межкристаллитной и питтинговой коррозии.

Показана высокая стойкость новой стали к коррозионному растрескиванию при разных видах нагружений.

Практическая ценность

Разработана новая конкурентноспособная маломагнитная корпусная сталь. Производство стали освоено на металлургических предприятиях России и Украины с выпуском технических условий на валовую поставку листового проката в диапазоне толщин 1-40 мм. Это позволило обеспечить проектирование нового морского тральщика пр.02668.

Сталь поставляется на целлюлозно-бумажные комбинаты РФ и используемся в емкостях для производства целлюлозы и синтетических моющих средств.

На сталь марки НС-5Т получен патент, а также выдан гигиенический сертификат РФ, позволяющий использовать материал в пищевой промышленности.

Основные положения, выносимые на защиту:

- принципы легирования новой маломагнитной стали с пределом текучести 400 Н/мм2, обеспечивающие высокую работоспособность материала и его сварных соединений в составе простейших и крупногабаритных конструкций и технологичность в судостроительном и металлургическом производстве;

- химический состав разработанной азотсодержащей хромо-никельмарганцевой стали с ограниченным содержанием углерода, серы и фосфора и легированной молибденом, ниобием и ванадием;

- результаты оценки влияния основных легирующих элементов на у ^ (Х-превращение, структуру, механические и коррозионные свойства новой стали.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа изложена на 175 страницах компьютерного текста, содержит 4 4 рисунка, 24 таблицы, список литературы из 104 наименований и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В Главе I рассмотрено состояние вопроса и сформулированы основные задачи исследования. Представлен литературный обзор новых зкономнолегированных сталей в развитых странах Европы, США и Японии. Показано, что особое внимание уделено повышению стойкости аустенитных сталей против питтинга в окислительной и нейтральной средах путем легирования азотом при существенной экономии дефицитных легирующих элементов. Азотсодержащие хро-моникелевые и хромомарганцовистые стали нашли широкое распространение в самых различных отраслях техники благодаря уникальному сочетанию высокой сопротивляемости хрупким разрушениям вплоть до криогенных температур,_ жаростойкости, высокой работоспособности в условиях атмосферной коррозии и коррозии в активных средах (кислоты, щелочи). В России уже на протяжении 30 лет используются высокопрочные стали марок 0Х20Н4АГ10 (НН-3) и ОХ18Г12Н5АБ (НН-ЗБ) для изготовления гребных валов, шестерен осей и крепежа палубных механизмов, а также крепежа винтов немагнитных кораблей.

Нержавеющие азотсодержащие стали для строительства корпусов кораблей в России до настоящего времени не применялись.

Во второй главе диссертации представлены исследуемые материалы, а также методы их исследования. Было исследовано 56 лабораторных и 5 промышленных плавок хромоникельмарганце-вой композиции легирования с азотом. Структура стали изучалась методами оптической металлографии, электронно-микроскопическими исследованиями, а также методами рентгено-структурного анализа. Выделение избыточных фаз осуществляли методом физико-химического фазового анализа. Механические испытания проводили по стандартным методикам. Фрактографии разрушенных образцов были получены при помощи электронного растрового микроскопа «Stereoscan-150». Магнитная проницаемость определялась дифференциальным импульсно-индукционным методом. Определение стойкости стали против коррозионного растрескивания проводилось на гладких цилиндрических и образцах с надрезом как в статических условиях на воздухе и в 3,5 растворе ЫаС1 при отсутствии и наличии поляризации, так и при медленной скорости деформирования (2-Ю"6 с"1) . Испытания на коррозионно-статическую прочность проводились на образцах с трещиной методом ступенчатого, нагружения на воздухе и в 3,5 % растворе ЫаС1 без поляризации и с катодной поляризацией. Для выявления склонности сталей к питтинговой коррозии применяли электрохимический и химический методы испытаний. В первом случае определение чувствительности сталей к питтингообразованию осуществляли потенциодинамическим методом снятия анодных поляризационных кривых в 3,5% растворе ЫаС1, как в нейтральном (рН 6,4), так и подкисленном (рН 1,1). О питтингоустойчивости сталей судили по внешнему виду анодных поляризационных кривых и характеристикам потенциалов Епо и Ерп . В качестве химического метода применялись испыта-

ния в 6% водном растворе ГеС13 (рН 1) с визуальным наблюдением под микроскопом и измерением коррозионных поражений. Данные, удобные для сравнения нержавеющих сталей по уровню стойкости к щелевой коррозии получали при испытании образцов с зазором, полученным при помощи накладки из резины как в 3,5% растворе ЫаС1 при различных рН в течение 700 часов, так и в натурных морских условиях в течение 3,5 мес.

Для проверки склонности к МКК применялся метод АМ по ГОСТ 6032 после провоцирующего нагрева при 850°С в течение 1 часа.

Определение циклической прочности стали и ее сварных соединений на воздухе и в морской воде проводилось по методикам ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова.

Глава III посвящена разработке химического состава стали. С целью разработки оптимального состава новой стали было проведено исследование влияния легирующих элементов на структуру и свойства материала. Для этого в лабораторных условиях были изготовлены опытные плавки с переменным содержанием легирующих элементов. При этом в каждой серии плавок варьировалось содержание одного элемента при .постоянном значении остальных .

Содержание углерода в стали изменялось в пределах от 0,02 % до 0,12 %, кремния в пределах от 0,2 % до 2 %, хрома -от 17 % до 26 %, никеля - от 10 % до 18 %, марганца - от 3 % до 12 %, молибдена - от 0,1 % до 3,5 %, ниобия - от 0,1 % до 0,6 %, азота - от 0,25 % до 0,45 ванадия - от 0,1 % до 0,6 %.

Техническими требованиями на поставку маломагнитной стали регламентируются следующие механические характеристики, представленные в табл.1.

Таблица 1

Механические свойства

Предел текучести, с»,г, Н/мм2 Предел прочности, а,, Н/мм2 Относительное удлинение, % Относительное сужение, 4\% Ударная вязкость, КСи, Дж/см2

Не менее

400 650 30 50 100

Исследование влияния: углерода (в пределах 0,02-0,12 %), марганца (в пределах 3-12 %) , никеля (в пределах 10-18 %),

на механические свойства показало, что указанные элементы, стабилизируя аустенитную структуру стали, слабо влияют на изменение свойств материала. Значения соответствующих механических характеристик во всем диапазоне легирования остаются

2

в пределах требований и составляют: а0,г =4 60-530 Н/мм , ств =

820-910 Н/мм , §5 = 39-48 %, V = 58-64 %, КСи= 140-190 Дж/см .

Легирование стали хромом до 23 % повышает прочность и понижает пластичность стали. При содержании хрома в пределах 18-22 % сталь обладает следующим комплексом свойств: а^ ^=410-

570 Н/мм2, <7В=820-940 Н/мм2, ¿5=40-43 %, ^=57-65 %, КСи=130-

180Дж/см2.

Резкое изменение свойств наблюдается в случае повышения содержания хрома более 23 %. Такая сталь отличается пони-

женными значениями пластических характеристик и ударной вязкости. Анализ микроструктуры позволяет сделать вывод, что отмеченное изменение свойств связано с появлением в структуре а-фазы. Таким образом, полученные результаты позволяют заключить, что содержание хрома в стали не должно превышать 23 %.

Азот эффективно упрочняет сталь, при этом значения пластических характеристик и ударной' вязкости остаются постоянными. Показано, что при содержании азота в пределах 0,250, 40 % обеспечивается необходимый уровень механических свойств.Ванадий существенно снижает предел текучести и ударную вязкость стали. При этом остальные характеристики стали изменяются менее значительно. Очевидно, легирование стали ванадием в количествах более 0,1 % нецелесообразно. Легирование ванадием свыше 0,3 % приводит к значительному охрупчиванию стали, связанному с выделением в стали нитридов и карбонитридов ванадия.

Молибден совместно с хромом усиливает коррозионную стойкость, особенно стойкость к хлоридному питтингу и щелевой коррозии, а также увеличивает растворимость азота в стали. Поэтому сталь должна содержать не менее 1,6 % молибдена.

Введение в сталь молибдена приводит к повышению прочности и снижению ударной вязкости. При содержании молибдена в стали более 3,5 % развиваются процессы старений с выделением Х-фазы, аналогичной по отрицательному влиянию на пластичность и ударную вязкость с а-фазой. Таким образом, сталь с содержа-содержанием молибдена в пределах 2-2,5 % отличается высоким

комплексом механических свойств.

Ниобий до 0, 3 % эффективно упрочняет сталь, значения пластических характеристик и ударной вязкости незначительно уменьшаются, при этом соблюдаются требования к стали по механическим свойствам. Легирование стали ниобием более 0,4 % приводит к снижению свойств, что связано с выделением карбидов и карбонитридов ниобия. Оптимальным содержанием ниобия в опытной стали следует считать в пределах 0,15-0,25 %.

С учетом полученных результатов можно полагать, что

2

требуемые значения предела текучести более 400 Н/мм достигались за счет равновесно растворенного азота (0,25-0,40 %), а также измельчения зерна за счет введения ниобия и ванадия.

Соотношение концентраций основных элементов - хрома, никеля, марганца, молибдена и азота также корректировались с учетом их влияния на у ^ а превращение и обеспечения высокой стабильности аустенитной структуры стали. Это обусловило низкие значения магнитной проницаемости /¿<<1,01.

Низкое содержание углерода (0,04 % и менее) способствует повышению растворимости азота в стали и обеспечивает высокую стойкость новой стали против локальных видов коррозии.

Никель стабилизирует аустенит и способствует релаксации микронапряжений за счет повышения энергии дефектов упаковки .

Как известно, никельсодержащая -сталь отличается повышенной сопротивляемостью растрескиванию. При этом сталь должна содержать, по крайней мере, 12 % никеля. В то же время из-за высокой стоимости никеля, а также его способности ограничивать при больших концентрациях растворимость азота в стали повышение содержания более 15-16 % нецелесообразно.

Марганец помимо стабилизации аустенитной структуры увеличивает растворимость азота в стали и улучшает общую коррозионную стойкость хромоникелевых сталей. Однако, марганец может инициировать образование а-фазы. Кроме того, высокомарганцовистые (более 12% Мп) стали экологически опасны при выплавке и сварке, поэтому содержание марганца должно быть ограничено величиной 5-7 %.

Кремний улучшает обрабатываемость стали, является рас-кислителем при выплавке. При этом, кремний относится к элементам, расширяющим сг-область и способствующим образованию а-фазы. Поэтому содержание кремния в стали следует ограничить в пределах 0,3-0,9 %.

Таким образом, на основании полученных результатов может быть выбран химический состав новой стали, представленный в табл. 2. При этом по аналогии с предыдущей практикой создания азотистых маломагнитных сталей, новой стали присвоено условное обозначение НС-5Т.

Таблица 2

Марочный состав стали НС-5Т

Содержание элементов , %

С Сг Мп Мо № N V Р

н.о. 0,30 18,00 13,00 5_, 00 2,10 0,15 0,25 0,1 н.О. н.О.

0,04 0,90 22,00 16,00 7,00 2, 50 0,25 0,40 ПО расч 0,020 0,030

Исследование влияния режимов термической обработки на структуру и свойства стали типа НС-5Т было проведено на метал-

ле лабораторной плавки. Горячекатаные заготовки исследуе мой стали подвергали термической обработке в интервале температур 950-1150 °С с выдержкой 15 минут, 1 час и 3 часа.

Анализ влияния режимов термической обработки на механические свойства показал, что при уменьшении температуры нагрева (ниже 1050 °С) происходит снижение ударной вязкости ниже заданного уровня требований. Пластические и прочностные характеристики находятся в области заданных значений. При увеличении температуры нагрева свыше 1050 °С механические свойства удовлетворяют заданным требованиям.

Высокие значения потенциалов питтингообразования и ре-пассивации достигнуты при нагреве до 1050 °С во всем интервале изотермических выдержек (от 15 минут до 3 час). При нагреве до 950 °С в течение 15 мин и 3 час характеристики питтингостойко-сти значительно понижены. Сталь становится склонной к питтин-говой коррозии. Увеличение температуры нагрева выше 1050 °С улучшает структуру стали, повышает ее гомогенность. Этот фактор оказывает положительное влияние на стойкость стали против питтинговой коррозии. Повышение температуры до 1100-1150 °С не ухудшает стойкости стали против питтингообразования. Сталь типа НС-5Т нечувствительна к коррозионному растрескиванию и не проявила склонности к МКК во всем интервале исследуемых температур нагрева.

Результаты исследования материала, выплавленного в лабораторных условиях, позволили в последующем разработать режимы термической обработки стали в промышленных условиях. В состоянии после горячей пластической деформации сталь имеет ярко выраженную текстуру.

Рентгеноструктурный анализ фазовых осадков, электролитически выделенных из образцов, показал, что кроме основной структурной составляющей - аустенита присутствует вторая фаза, состоящая из нитрида С^И, нитрида сложного состава - (Ге, Мп,

Сг)4(ЫЬ,Мо)3Ы и карбидов Сг2С, ЫЬ2С.

Для сталей аустенитного класса горячекатаное состояние является неблагоприятным с точки зрения стойкости против кор-ро.зии. Наиболее оптимальной является структура однородного стабильного аустенита. Поэтому, после прокатки необходим нагрев выше температуры рекристаллизации, которая составляет 940-950 °С, что необходимо для снятия напряжений, растворения вторичных фаз и получения структуры однородного твердого раствора.

При увеличении температуры нагрева происходит растворение нитридов -и карбидов, улучшаются условия для миграции дислокаций, увеличивается размер зерна. Увеличение времени выдержки при нагреве также способствует разупрочнению стали и повышению пластических свойств. Время выдержки 2 мин/мм соответствует термообработке в заводских условиях и увеличение продолжительности нагрева допустимо с учетом возможности заводских печей. Полученные результаты позволяют рекомендовать температуру закалки выше 1050 °С.

Как показали исследования, после нагрева охлаждение стали необходимо производить ускоренно - в воде, в связи с тем, что замедленное охлаждение, например, на воздухе, приводит к выделению второй фазы - карбидов и карбонитридов, что может привести к снижению пластических свойств и коррозионной стойкости.

С учетом опыта работы конструкций из стали 45Г17ЮЗ можно утверждать, что коррозионная стойкость нового материала должна быть одной из главнейших характеристик. Поэтому целью работы явилось также исследование влияния легирующих элементов (как оптимального, так и переменного составов) на стойкость стали против коррозии, в том числе против коррозионного растрескивания, межкристаллитной, питтинговой и щелевой коррозии.

Хром, как известно, является основным элементом в нержавеющей стали, образующим пассивную окисную пленку. Действительно, анализ поляризационных кривых показал, что при увеличении содержания хрома от 17 % до 23 % потенциал питтингообра-зования (Ед0) возрастает с 830 до 1380 мВ, а потенциал репас-

сивации (Ер^)- с 210 до 1300 мВ. Дальнейшее повышение процентного содержания хрома в стали ведет к образованию новых фаз, как было показано выше, что отрицательно сказывается на пластических характеристиках и ударной вязкости материала.

Существенно повышает характеристики питтингостойкости молибден. Сталь без молибдена имеет ЕП(у=890мВ и ЕрП=100мВ. При

увеличении содержания молибдена до 2,5 % Е^ становится равным

1370мВ при Ерд=1300 и не изменяется до 3,5 %.

Никель, как аустенитообразующий элемент, повышает сопротивление питтинговой коррозии благодаря изменению структуры стали. Это согласуется с результатами предшествующих работ, в которых исследовалось влияние термической обработки стали на питтингостойкость и было показано, что при постоянном химическом составе наибольшую устойчивость пассивного состояния в растворах хлоридов имела сталь с полностью аустенитной струк-

турой. При испытаниях стали типа НС с содержанием никеля от 3 % до 10 I было показано, что с увеличением концентрации никеля возрастает сопротивление питтинговой коррозии. Исследование стали типа НС-5Т в диапазоне концентраций (10-18 % N1) не дало существенного смещения потенциала питтингообразования в положительную область.

Результаты испытаний стали с различным содержанием основного аустенитообразующего элемента - азота показали, что с его увеличением потенциал питтингообразования становится положительнее и меняется от 1100 мВ при 0,25 % до 1460 мВ при 0,30-0,35 % N2- Особенно положительное влияние N2

оказывает на потенциал репассивации. Ерп=120 мВ (при 0,25%)

и 1320-1330 мВ (при 0,30-0,35 %). Сталь с содержанием азота менее 0,2 % имеет Е^ не более 800 мВ.

Увеличение содержания ванадия до 0,3 % приводит к резкому снижению потенциала питтингообразования (500-750 мВ) и потенциала репассивации (170-300 мВ), связанному с образованием значительного количества карбонитридов.

Известно, что одним из способов подавления точечной и щелевой коррозии в аустенитных хромоникелевых сталях является рафинирование стали по включениям сульфида марганца, которые являются наиболее благоприятными местами для зарождения точечной коррозии. Полагают, что изменение химического состава сульфидов путем снижения содержания марганца позволит повысить сопротивление стали точечной и щелевой коррозии. Однако, результаты исследований стали типа НС-5Т с различным содержанием марганца показали, что при увеличении Мп

от 4 до 12 % не только не уменьшается, а, наоборот, при

содержании Мп в количестве 12 % достигает наивысшего значения 1400-1540 мВ. Это объясняется тем, что в Сг-Ы1-Мп-сталях при содержании марганца более 2 % не происходит увеличения количества сульфидов марганца, т.к. сера вся уже связана.

При увеличении содержания марганца происходит еще большая стабилизация аустенитной структуры, тем самым повышается и общая коррозионная стойкость материала. Также большую роль в предотвращении точечной коррозии на включениях МпЭ играют азот с молибденом.

Изучение влияния ниобия на питтингостойкость материала в исследованном диапазоне концентраций (0,1-0,5 %) не выявило существенных изменений потенциалов и Ер^.

Поверхность стали НС-5Т, подвергнутую термической обработке и травлению, исследовали методом оже-спектроскопии для определения состава окисной пленки и методом сканирующей электронной микроскопии с микрорентгеноспектральным анализом для определения числа и состава включений. Установили, что пассивная пленка на поверхности состоит, в основном, из оксида и гидроксида хрома с небольшим количеством молибдена и никеля. Внешние слои металлической фазы обогащены хромом, никелем и молибденом, которые понижают скорость активного растворения и тем самым способствуют формированию пассивирующей пленки.

Диаграммы растяжения стали НС-5Т, полученные в различных условиях совпадают до момента появления шейки на образцах. Образование шейки на воздухе в 3,5% ЫаС1 без поляризации и катодной поляризацией Е = - 0,9В (н.в.э.) происходит

практически при одинаковой величине пластической деформации

(е -0,35), а при катодной поляризации Е=-1,1 В (н.в.э.) при кр. .

несколько меньшей деформации (е ~0,30).

кр.

Различия же в разрушающих нагрузках образцов, испытанных во всех применяемых средах практически не наблюдается. На основании проведенных экспериментов можно сделать вывод, что при растяжении с малой скоростью деформирования сталь НС-5Т не проявила склонности к коррозионному растрескиванию под напряжением, в отличие от стали 45Г17ЮЗ, разрушение которой происходит по механизму анодного растворения.

Установлено, что сталь не склонна к хрупкому распространению трещин как на воздухе, так и в 3,5% растворе ЫаС1.

Исследование стали с переменным содержанием легирующих элементов на склонность к межкристаллитной коррозии не выявило межкристаллитных трещин, за исключением плавки с содержанием углерода -0,12 %. Это связано с образованием карбидов типа - по границам зерен. В результате образовались обедненные

хромом участки вблизи границ зерен, по ним и зарождались трещины.

Высокие значения стационарного потенциала +200-^220 мВ по нормальному водородному электроду свидетельствуют, о том, что сталь НС-5Т обладает пассивностью в морской воде.

Показано, что сталь НС-5Т не склонна к коррозионному растрескиванию при уровне напряжений меньше или равных 0,9 от напряжений, вызывающих разрушение образца на воздухе при испытании в статических условиях при наличии и отсутствии поляризации на базе 2000 часов.

Испытания на малоцикловую усталость показали, что сталь марки НС-5Т обладает существенно большей долговечностью в синтетической морской воде по сравнению со сталями 45Г17ЮЗ (в 3 раза), АК-25 (в 5 раз) и АК-29 (в 50 раз).

Испытания образцов на щелевую коррозию, проведенные в Черном море в течение 3,5 месяцев, не выявили склонности к данному виду коррозии у стали типа НС-5Т. Образцы сталей А131304 и А131316 имели питтинговую коррозию в щели, причем у образцов из стали А131304 питтинги глубиной до 2 мм были обнаружены уже после 1 месяца испытаний.

Глава 4 посвящена освоению промышленного производства и исследованию работоспособности нового материала.

Выплавка стали осуществлялась на заводе «Днепроспец-сталь» с использованием установки газокислородного рафинирования, что позволило обеспечить высокую чистоту металла по неметаллическим включениям, низкое содержание углерода и заданное содержание азота.

Высокая прочность стали обусловила необходимость исследования прочностных свойств материала с использованием пластометра при различных температурах и степенях деформации, определения на этой базе оптимального варианта производства листа на существующем ограниченном по мощностям оборудовании.

Исследование деформируемости стали НС-5Т позволило разработать технологию горячей пластической деформации. На основании проведенных работ было освоено производство листового проката в толщинах от 6 до 4 0 мм на Коммунарском меткомбинате и в диапазоне толщин 1-20 мм на Челябинском

меткомбинате с выпуском технических условий на валовую поставку стали.

Исследование работоспособности сварных соединений показало, что механические свойства металла шва из стали НС-5Т находятся на высоком уровне и удовлетворяют применяемым в судостроении требованиям: ст0,2ср = 563 Н/мм2 - для ручной сварки; <7о,2ср = 517 Н/мм2 - для механизированной сварки в защитных газах; Сто,2ср = 593 Н/мм2 - для автоматической сварки под флюсом.

Показано, что значения ударной вязкости линии сплавления не изменяются по сравнению с ударной вязкостью металла шва, а свойства зоны термического влияния находятся на уровне основного металла даже при снижении температуры испытаний до -40°С.

Установлено, что сталь НС-5Т и ее сварные соединения имеют высокую усталостную прочность на базе 107 циклов перемен нагрузки со значениями пределов усталости более 70 Н/мм2.

Абсолютные показатели долговечности крупногабаритных сварных корпусных конструкций при испытании с частотой 4-5 циклов в минуту достаточно высоки и составили в пересчете на уровень напряжений 0,7сто,г ~ 200000 циклов перемен нагрузок.

Основные судокорпусные технологические операции были отработаны при строительстве стенд-отсека из стали НС-5Т на Средне-Невском судостроительном заводе. Комплекс средств коррозионной защиты корпуса, примененный при испытании опытной конструкции в натурных морских условиях, полностью защитил поверхность стали от всех видов коррозионных разрушений.

Глава 5 посвящена внедрению стали в другие отрасли промышленности.

Проведенные комплексные санитарно-химические и токсикологические исследования новой коррозионностойкой стали позволили применить ее для изготовления емкостей для приготовления и хранения пищевых продуктов и питьевой воды с получением гигиенического сертификата РФ.

Испытания образцов стали на коррозионное растрескивание в геотермальном паре, содержащем более 25% Н23, а также растворенные соли, позволили изготовить изделия (штоки) для работы в геотермальных источниках Исландии.

Оценка коррозионно-механических факторов, повреждающих материалы технологического оборудования для сульфитной варки целлюлозы, а также испытания образцов стали НС-5Т в сравнении со сталями А1Э1304, А131316, 10Х17Н13М2Т показали перспективность и целесообразность использования нового материала, отличающегося более высокой коррозионной стойкостью и коррозионно-механической прочностью, для изготовления конструкций целлюлозно-бумажной промышленности.

На основании лабораторных и натурных исследований была изготовлена и поставлена партия стали на Сясьский ЦБК, а также на Волховский алюминиевый завод.

Основные результаты и выводы

1) Разработаны принципы легирования новой маломагнитной корпусной стали с пределом текучести 4 00 Н/мм2.

2) Требуемые прочностные характеристики с обеспечением гарантированных значений предела текучести более 400 Н/мм2 достигаются за счет твердорастворного упрочнения азотом

(0,25-0,4 0%), измельчения зерна за счет введения ниобия (0,150,25%) и ванадия (0,1% по расчету), а также упрочнения выделениями нитридов ниобия и ванадия.

3) Выбранное соотношение содержаний основных элементов -хрома, никеля, марганца, молибдена и азота обеспечивает очень высокую стабильность аустенитной структуры стали и обуславливает низкие значения ее магнитной проницаемости (1<1,01.

4) Низкое содержание углерода (0,04% и менее) за счет применения современной технологии выплавки стали с использованием установки газокислородного рафинирования обеспечивает высокую устойчивость материала против МКК и питтинговой коррозии. По сопротивляемости питтингообразованию новая сталь не уступает лучшим образцам коррозионностойких сталей типа Аве-ста-254 и Поларит-774 при большей прочности.

5) Никель в количестве 13-16% стабилизирует аустенит и способствует релаксации микронапряжений за счет повышения энергии дефектов упаковки. Сталь отличается высокой стойкостью к коррозионному растрескиванию при самых различных видах нагружений в отличие от стали 45Г17ЮЗ.

6) Хром в количестве 18-22% существенно влияет на предельную растворимость азота в стали, стабилизацию аустенита и значения стационарного потенциала. Увеличивает совместно с молибденом стойкость нового материала против общей коррозии, хлоридного питтинга и щелевой коррозии.

7) Оптимальным режимом термической обработки для гарантированного получения требуемого уровня механических свойств и высокой коррозионной стойкости является гомогенизационный

этжиг при температуре 1070-1100°С и выдержке 2-4 мин/мм с охлаждением в воде.

8) Механические свойства металла шва сварных соединений из стали НС-5Т находятся на высоком уровне и удовлетворяют применяемым в судостроении требованиям. Снижение температуры испытаний до -40°С практически не изменяет ударную вязкость. Значения ударной вязкости линии сплавления не изменяются по сравнению с ударной вязкостью металла шва, а в зоне термического влияния находятся на уровне основного металла (более ЮОДж/см2) .

9) Новая сталь имеет высокий уровень прочности при воздействии малоцикловых и многоцикловых нагрузок на воздухе и в морской воде.

10) Разработана и освоена технология производства новой маломагнитной стали с выпуском технических условий на валовую поставку листового проката в диапазоне толщин 1-40 мм.

11) Изготовлен стенд-отсек из стали НС-5Т, имитирующий часть секции заказа пр.02668. При строительстве опытной конструкции отработаны основные технологические операции (гибка, резка, сборка и сварка). Испытания стенд-отсека в натурных морских условиях (Японское море, г.Владивосток) подтвердили высокую коррозионную стойкость стали и ее сварных соединений.

12) Сталь НС-5Т прошла опытную проверку в промышленных условиях и рекомендуется к использованию как конструкционный материал в судостроительной, энергетической, целлюлозно-бумажной, нефтедобывающей и других отраслях, связанных с использованием оборудования в высоко агрессивных средах.

Новизна новой стали подтверждена патентом Российской Федерации и Золотой медалью на международной выставке «Эврика-96» в Брюсселе.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Сосенушкин Е.М., Малышевский В.А., Калинин Г.Ю. и др. Коррозионностойкая аустенитная сталь. Описание изобретения к патенту Российской Федерации № 2039122, М., НПО «Поиск» Роспатента, бюл. № 19, 1995, 7с.

2. Калинин Г.Ю., Малышевский В.А., Ямпольский В.Д. Свойства стали типа 05Х20Н10Г5АФ при ковке. Вопросы материаловедения, 1996, вып.1(4), с.16-19.

3. Калинин Г.Ю., Малышевский В.А., Мушникова С.Ю. и др. Новая коррозионностойкая азотсодержащая аустенитная сталь НС-5Т. Вопросы материаловедения, 1996, вып.3(6), с.5-15.

4. Калинин Г.Ю., Карамышев C.B. и др. Исследование кор-

«

розионной стойкости конструкционных материалов на основе ау-стенитных нержавеющих сталей и титанового сплава в условиях технологических установок масложирового производства. Масложи-ровая промышленность, 1997, № 5, с.26-27.

5. Малышевский В.А., Калинин Г.Ю. Высокопрочная коррозионностойкая немагнитная сталь марки НС-5Т. Наука и техника -городу. Сборник докладов. М.: КБПМ, 1998, с.22-24.

6. Калинин Г.Ю., Мушникова С.Ю. и др. Новая коррозионно-стойкая азотсодержащая сталь марки НС-5Т. XVI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Рефераты докладов и сообщений № 2. М.: НПИО ИОХ РАН, 1998, с.323-324.