blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2024-2-219-228blackmet-2713Research ArticleПо материалам международной конференции «Научно-практическая школа для молодых металлургов» – 2023On the materials of the international conference “Scientific and Practical School for Young Metallurgists” – 2023Повышение коррозионных свойств дуплексной стали с помощью модифицирования РЗМIncreasing the corrosion properties of duplex steel with REM modificationhttps://orcid.org/0009-0006-9622-7243КарасевВ. С.KarasevV. S.

Владимир Сергеевич Карасев, инженер научно-образовательного центра «Северсталь-Политех»

Россия, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Vladimir S. Karasev, Engineer of the Scientific and Educational Center “Severstal-Polytech”

29 Politekhnicheskaya Str., St. Petersburg 195251, Russian Federation

karasev_vs@spbstu.ruКоджаспировГ. Е.KodzhaspirovG. E.

Георгий Ефимович Коджаспиров, д.т.н., профессор Высшей школы физики и технологий материалов

Россия, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Georgii E. Kodzhaspirov, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Higher School of Physics and Technology of Materials

29 Politekhnicheskaya Str., St. Petersburg 195251, Russian Federation

kodjaspirov@spbstu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2571-060XФедоровА. С.FedorovA. S.

Александр Сергеевич Федоров, инженер Научно-технологического комплекса Новые технологии и материалы

Россия, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Aleksandr S. Fedorov, Engineer of the Scientific and Technological Complex “New Technologies and Materials”

29 Politekhnicheskaya Str., St. Petersburg 195251, Russian Federation

fedorov_as@spbstu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6701-1765АльхименкоА. А.Al’khimenkoA. A.

Алексей Александрович Альхименко, директор Научно-технологического комплекса «Новые технологии и материалы»

Россия, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Aleksei A. Al’khimenko, Director of the Scientific and Technological Complex “New Technologies and Materials”

29 Politekhnicheskaya Str., St. Petersburg 195251, Russian Federation

a.alkhimenko@spbstu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4817-4048ЖитеневА. И.ZhitenevA. I.

Андрей Игоревич Житенев, к.т.н., руководитель технологичес­ких проектов, Дирекция по исследованиям и разработке новых продуктов, управление «Электротехнические стали»

Россия, 398040, Липецк, пл. Металлургов, 2

Andrei I. Zhitenev, Cand. Sci. (Eng.), Head of Technological Projects, Directorate for Research and Development of New Products, Department of “Electrotechnical Steels”

2 Metallurgov Sqr., Lipetsk 398040, Russian Federation

zhitenev.ai1991@gmail.comСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityRussian FederationПАО «Новолипецкий металлургический комбинат»РоссияPJSC “Novolipetsk Metallurgical Plant”Russian Federation202421042024672219228Copyright © Карасев В.С., Коджаспиров Г.Е., Федоров А.С., Альхименко А.А., Житенев А.И., 20242024Карасев В.С., Коджаспиров Г.Е., Федоров А.С., Альхименко А.А., Житенев А.И.Karasev V.S., Kodzhaspirov G.E., Fedorov A.S., Al’khimenko A.A., Zhitenev A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2713

Дуплексные коррозионностойкие стали – это современный класс материалов, обладающих уникальным сочетанием высоких коррозионных и механических свойств. Благодаря этому они могут получить широкое применение в деталях машин и агрегатов на месторождениях с агрессивными условиями добычи нефти и газа. Одним из недостатков этих материалов является их склонность к локальным коррозионным поражениям, при прочих равных условиях формирующихся на неметаллических включениях (НВ), которые образуются при выплавке и разливке. Для управления чистотой стали в условиях открытой индукционной выплавки эффективно применять модифицирование редкоземельными металлами (РЗМ). Поэтому целью настоящей работы являлось определение оптимального содержания РЗМ в дуплексной стали для повышения коррозионных свойств. Проведено термодинамическое моделирование образования НВ в дуплексной коррозионностойкой стали S32750. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментальными данными. Показано, что существует оптимальная концентрация РЗМ, при которой загрязненность включениями минимальна из-за благоприятных условий для их удаления, а при дальнейшем увеличении расхода повышается из-за коагуляции большого количества тугоплавких оксидов. В результате электрохимичес­ких испытаний определены такие параметры, как потенциал коррозии, потенциал питтингообразования и базис питтингостойкостости опытных сталей. Коррозионные свойства исследованной дуплексной стали значительно улучшаются при обработке РЗМ. На качественном уровне проведена оценка электрохимических потенциалов разных типов включений. На основании полученных результатов по коррозионной стойкости и загрязненности изученных отливок получено оптимальное количество РЗМ, вводимого для модифицирования включений, которое составляет 0,05 % (0,65Ce + 0,35La).

Duplex stainless steels are a modern class of materials with a unique combination of high corrosion and mechanical properties. Due to this, they can be widely used in machine parts and aggregates in fields with aggressive oil and gas production conditions. One of the disadvantages of these materials is their tendency to local corrosion damage on non-metallic inclusions, other things being equal, formed during smelting and casting. To control the purity of steel in conditions of open induction smelting, it is effective to use modification with rare earth metals (REM). Therefore, the purpose of this work was to determine the optimal content of REM in duplex steel to increase corrosion properties. Thermodynamic modeling of the formation of nonmetallic inclusions in duplex corrosion-resistant steel S32750 was carried out and the results of calculations were compared with the experimental data. It is shown that there is an optimal concentration of REM at which contamination with inclusions is minimal due to favorable conditions for their removal, and with a further increase in consumption it increases due to coagulation of a large number of refractory oxides. Electrochemical tests were performed and parameters such as corrosion potential, pitting formation potential and the basis of pitting resistance of experimental steels were determined. Therefore, the corrosion properties of the investigated duplex steel are significantly improved when treated with REM. The electro­chemical potentials of different types of inclusions are evaluated on a qualitative level. Based on the obtained results on corrosion resistance and contamination of the studied castings, the optimal amount of REM introduced for modifying inclusions is 0.05 % (0.65Ce + 0.35La).

дуплексные коррозионностойкие сталитермодинамическое моделированиетехнология раскислениямодифицированиенеметаллические включенияэлектрохимические исследованияduplex stainless steelsthermodynamic modellingdeoxidation technologymodificationnon-metallic inclusionselectrochemical testsИсследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках программы Научного центра мирового уровня: Передовые цифровые технологии (соглашение № 075-15-2022-311 от 20.04.2022).The work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation under the World Class Research Centre Program: Advanced Digital Technologies (Agreement No. 075-15-2022-311 dated 20.04.2022).ReferencesFranci R., Byrne G. Duplex stainless steels – alloys for the 21st century. Metals. 2021;11(5):836. https://doi.org/10.3390/met11050836Franci R., Byrne G. Duplex stainless steels – alloys for the 21st century. Metals. 2021;11(5):836. https://doi.org/10.3390/met11050836Kazakov A.A., Zhitenev A.I., Fedorov A.S., Fomina O.V. Development of duplex stainless steel compositions. CIS Iron Steel Review. 2019;(2):20–26. https://doi.org/10.17580/cisisr.2019.02.04Kazakov A.A., Zhitenev A.I., Fedorov A.S., Fomina O.V. Development of duplex stainless steel compositions. CIS Iron Steel Review. 2019;(2):20–26. https://doi.org/10.17580/cisisr.2019.02.04Practical Guidelines for the Fabrication of Duplex Stainless Steel. 3nd ed. IMOA; 2014:63.Practical Guidelines for the Fabrication of Duplex Stainless Steel. 3nd ed. IMOA; 2014:63.Patra S., Agrawal A., Mandal A., Podder A.S. Characteristics and manufacturability of duplex stainless steel: A review. The Indian Institute of Metals. 2021;74(5):1089–1098. https://doi.org/10.1007/s12666-021-02278-7Patra S., Agrawal A., Mandal A., Podder A.S. Characteristics and manufacturability of duplex stainless steel: A review. The Indian Institute of Metals. 2021;74(5):1089–1098. https://doi.org/10.1007/s12666-021-02278-7Fedorov A., Zhitenev A., Karasev V., Alkhimenko A., Ko­­valev P. Development of a methodology for the quality management of duplex stainless steels. Materials. 2022; 15(17):6008. https://doi.org/10.3390/ma15176008Fedorov A., Zhitenev A., Karasev V., Alkhimenko A., Kovalev P. Development of a methodology for the quality management of duplex stainless steels. Materials. 2022; 15(17):6008. https://doi.org/10.3390/ma15176008Карасев В.С., Коджаспиров Г.Е. Исследование влияния технологии раскисления и горячей пластической деформации на эволюцию неметаллических включений в супердуплексной стали. Международная научная конференция «Современные материалы, передовые производственные технологии и оборудование для них» СМППТО-2023. 2023:92–93.Karasev V.S., Kodzhaspirov G.E. Investigation of the influence of deoxidation technology and hot plastic deformation on the evolution of non-metallic inclusions in super duplex steel. In: Int. Sci. Conf. “Modern Materials, Advanced Production Technologies and Equipment” SMPPTO-2023. 2023:92–93. (In Russ.).Zhang Y., Hu Q., Dai M., Huang F., Frank Y.C., Liu J. Investigation of micro-electrochemical activities of oxide inclusions and microphases in duplex stainless steel and the implication on pitting corrosion. Materials and Corrosion. 2019;71(6):876–886. https://doi.org/10.1002/maco.201911335Zhang Y., Hu Q., Dai M., Huang F., Frank Y.C., Liu J. Investigation of micro-electrochemical activities of oxide inclusions and microphases in duplex stainless steel and the implication on pitting corrosion. Materials and Corrosion. 2019;71(6):876–886. https://doi.org/10.1002/maco.201911335Luo H., Li X., Dong C., Xiao K. Effect of solution treatment on pitting behavior of 2205 duplex stainless steel. Arabian Journal of Chemistry. 2017;10(1):90–94. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2012.06.011Luo H., Li X., Dong C., Xiao K. Effect of solution treatment on pitting behavior of 2205 duplex stainless steel. Arabian Journal of Chemistry. 2017;10(1):90–94. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2012.06.011Jeon S.H., Do H., Kim H., Park Y. Influence of oxygen content on the inclusion formation and pitting corrosion resistance of hyper duplex stainless steels. Materials Transactions. 2014;55(12):1872–1877. https://doi.org/10.2320/matertrans.M2014164Jeon S.H., Do H., Kim H., Park Y. Influence of oxygen content on the inclusion formation and pitting corrosion resistance of hyper duplex stainless steels. Materials Transactions. 2014;55(12):1872–1877. https://doi.org/10.2320/matertrans.M2014164Уткина К.Н., Левков Л.Я., Федоров А.С., Житенев А.И., Терехин Д.К., Каширина Ж.К., Шипова Е.В. Исследование влияния химического состава и условий кристаллизации на формирование структуры супердуплексных сталей. Физико-химические основы металлургических процессов (ФХОМП 2022). 2022:248–256.Utkina K.N., Levkov L.Ya., Fedorov A.S., Zhitenev A.I., Terekhin D.K., Kashirina Zh.K., Shipova E.V. Investigation of the influence of chemical composition and crystallization conditions on the formation of the structure of super duplex steels. In: Physico-Chemical Fundamentals of Metallurgical Processes (FKhOMP 2022). 2022:248–256. (In Russ.).Dub V.S., Levkov L.Ya., Shurygin D.A., Tolstykh D.S., Klo­c­hai V.V., Коrzun E.L., Garchenko A.A. Electroslag remel­ting technology for contemporary engineering. retrospection and new possibilities. Metallurgist. 2018;62(5–6):511–520. https://doi.org/10.1007/s11015-018-0688-9Dub V.S., Levkov L.Ya., Shurygin D.A., Tolstykh D.S., Kloc­hai V.V., Коrzun E.L., Garchenko A.A. Electroslag remel­ting technology for contemporary engineering. retrospection and new possibilities. Metallurgist. 2018;62(5–6):511–520. https://doi.org/10.1007/s11015-018-0688-9Orlov V., Levkov L., Dub V., Balikoev A., Shurygin D. New approach to development and manufacturing technologies of duplex steel. E3S Web of Conferences. 2019;121(6):04010. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912104010Orlov V., Levkov L., Dub V., Balikoev A., Shurygin D. New approach to development and manufacturing technologies of duplex steel. E3S Web of Conferences. 2019;121(6):04010. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912104010Gupta C.K., Krishnamurthy N. Extractive metallurgy of rare earths. International Materials Reviews. 1992;37(1): 197–248. https://doi.org/10.1179/imr.1992.37.1.197Gupta C.K., Krishnamurthy N. Extractive metallurgy of rare earths. International Materials Reviews. 1992;37(1): 197–248. https://doi.org/10.1179/imr.1992.37.1.197Kim S.T., Jeon S.H., Lee I.S., Park Y.S. Effects of rare earth metals addition on the resistance to pitting corrosion of super duplex stainless steel. Part 1. Corrosion Science. 2010;52(6): 1897–1904. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2010.02.043Kim S.T., Jeon S.H., Lee I.S., Park Y.S. Effects of rare earth metals addition on the resistance to pitting corrosion of super duplex stainless steel. Part 1. Corrosion Science. 2010;52(6): 1897–1904. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2010.02.043Wang X., Ha K., Zhou G., Wu H., Wu R. Effect of rare-earth on sulfides morphology and abrasive resistance of high sulfur steel. Materials for Mechanical Engineering. 2012; 36(5):33–37.Wang X., Ha K., Zhou G., Wu H., Wu R. Effect of rare-earth on sulfides morphology and abrasive resistance of high sulfur steel. Materials for Mechanical Engineering. 2012; 36(5):33–37.Mei Z., Wan T., Lou D. Influence of RE modifier on as-cast grain refinement of super-low carbon cast steel. Special Casting & Nonferrous Alloys. 2002;(2):3–4.Mei Z., Wan T., Lou D. Influence of RE modifier on as-cast grain refinement of super-low carbon cast steel. Special Casting & Nonferrous Alloys. 2002;(2):3–4.Yan H.H., Hu Y., Zhao D.W. Microstructure and properties of as-cast 30Mn steel. AIP Advances. 2018;8(12):125128. https://doi.org/10.1063/1.5065444Yan H.H., Hu Y., Zhao D.W. Microstructure and properties of as-cast 30Mn steel. AIP Advances. 2018;8(12):125128. https://doi.org/10.1063/1.5065444Wang H., Wang A., Li C., Yu X. Xie J., Liang T., Liu C. Effects of rare earth metals on microstructure, mechanical properties, and pitting corrosion of 27% Cr hyper duplex stainless steel. Reviews on Advanced Materials Science. 2022;61(1):873–887. https://doi.org/10.1515/rams-2022-0284Wang H., Wang A., Li C., Yu X. Xie J., Liang T., Liu C. Effects of rare earth metals on microstructure, mechanical properties, and pitting corrosion of 27% Cr hyper duplex stainless steel. Reviews on Advanced Materials Science. 2022;61(1):873–887. https://doi.org/10.1515/rams-2022-0284Ha H.Y., Park C.J., Kwon H.S. Effects of misch metal on the formation of non-metallic inclusions and the associated resistance to pitting corrosion in 25% Cr duplex stainless steels. Scripta Materialia. 2006;55(11):991–994. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2006.08.014Ha H.Y., Park C.J., Kwon H.S. Effects of misch metal on the formation of non-metallic inclusions and the associated resistance to pitting corrosion in 25% Cr duplex stainless steels. Scripta Materialia. 2006;55(11):991–994. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2006.08.014Михайлов Г.Г., Леонович Б.И., Кузнецов Ю.С. Термодинамика металлургических процессов и систем. Москва: ИД МИСиС; 2009:520.Mikhailov G.G., Leonovich B.I., Kuznetsov Yu.S. Thermodynamics of Metallurgical Processes and Systems. MISIS; 2009:520. (In Russ.).Казаков А.А., Ковалев П.В., Рябощук С.В., Милейковский А.Б., Малахов Н.В. Исследование термовременной природы неметаллических включений с целью повышения металлургического качества высокопрочных трубных сталей. Черные металлы. 2009;(12):5–11.metallurgical quality of high-strength pipe steels. Chernye metally. 2009;(12):5–11. (In Russ.).Kazakov A.A., Kovalev P.V., Ryaboshchuk S.V., Mileikovskii A.B., Malakhov N.V. Investigation of the temperature-time nature of nonmetallic inclusions in order to improve the metallurgical quality of high-strength pipe steels. Chernye metally. 2009;(12):5–11. (In Russ.).Казаков А.А., Уразгильдеев А.Х., Гусев А.А. Алгоритмическая модель образования неметаллических включений в жидкой и затвердевающей стали. Известия АН СССР. Металлы. 1989;(3):60–65.Kazakov A.A., Urazgil’deev A.Kh., Gusev A.A. Algorithmic model of formation of nonmetallic inclusions in liquid and solidifying steel. Izv. AN SSSR. Metally. 1989;(3):60–65. (In Russ.).Куликов И.С. Раскисление металлов. Москва: Металлургия; 1975:504.Kulikov I.S. Deoxidation of Metals. Metallurgiya; 1975:504. (In Russ).Туркдоган Е.Т. Физическая химия высокотемпературных процессов. Москва: Металлургия; 1985:344.Turkdogan E.T. Physical Chemistry of High-Temperature Processes. Academic Press; 1980:447.Григорян В.А., Стомахин А.Я., Пономаренко А.Г. и др. Физико-химические расчеты электросталеплавильных процессов: Учебное пособие для вузов. Москва: Металлургия; 1989:288.Grigoryan V.A., Stomakhin A.YA., Ponomarenko A.G., etc. Physico-Chemical Calculations of Electric Steelmaking Processes: Tutorial for Universities. Metallurgiya; 1989:288. (In Russ.).Kurz W., Fisher D., Rappaz M. Fundamentals of Solidification. Trans. Tech. Publications; 2023:353.Kurz W., Fisher D., Rappaz M. Fundamentals of Solidification. Trans. Tech. Publications; 2023:353.Ha H., Park C., Kwon H. Effects of non-metallic inclusions on the initiation of pitting corrosion in 11% Cr ferritic stainless steel examined by micro-droplet cell. Corrosion Science. 2007;49(3):1266–1275. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2006.08.017Ha H., Park C., Kwon H. Effects of non-metallic inclusions on the initiation of pitting corrosion in 11% Cr ferritic stainless steel examined by micro-droplet cell. Corrosion Science. 2007;49(3):1266–1275. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2006.08.017Meng Q., Frankel G.S., Colijn H.O., Goss S.H. Stainless-steel corrosion and MnS inclusions. Nature. 2003;424: 389–390. https://doi.org/10.1038/424389bMeng Q., Frankel G.S., Colijn H.O., Goss S.H. Stainless-steel corrosion and MnS inclusions. Nature. 2003;424: 389–390. https://doi.org/10.1038/424389bKang Y., Lee H. Thermodynamic analysis of Mn-depleted zone near Ti oxide inclusions for intragranular nucleation of ferrite in steel. ISIJ International. 2010;50(4):501–508.Kang Y., Lee H. Thermodynamic analysis of Mn-depleted zone near Ti oxide inclusions for intragranular nucleation of ferrite in steel. ISIJ International. 2010;50(4):501–508.Казаков А.А. Неметаллические включения в стали. Теория и ее приложения. Перспективные материалы. ТГУ; 2017:203–275.Kazakov A.A. Non-metallic inclusions in steel. Theory and its applications. In: Advanced Materials. TSU; 2017:203-275. (In Russ.).Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Издание 2-е., исправленное и дополненное. Ленинград: Химия; 1978:392.Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. Brief Chemical Reference. 2nd ed. Leningrad: Khimiya; 1978:392. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.