Литая структура и свойства дуплексных нержавеющих сталей

В настоящее время в машиностроении все большее применение находят дуплексные нержавеющие стали, в которых аустенит и феррит находятся в примерно равных долях. При получении литых изделий из этих сталей в отливках формируется химическая и  структурная неоднородность, для устранения которой проводят термическую обработку. На практике в рамках одного класса или даже одной марки стали химический состав и, как следствие, соотношение фаз могут варьироваться в широком диапазоне, не достигая своих оптимальных значений. В работе исследовано влияние химического состава и условий кристаллизации на структуру и свойства литых дуплексных нержавеющих сталей и разработаны термодинамические критерии для выбора литейных сплавов, учитывающие температуру начала полиморфного превращения δ-феррита в аустенит и среднюю равновесную скорость этого превращения. Установлено, что в  изученных сталях с 21 – 26 % хрома кристаллизация протекает с образованием дендритов δ-феррита, а аустенит образуется в твердом металле по местам бывших междендритных пространств. Показано, что при скоростях охлаждения, существующих при получении, например, корпусов центробежных насосов или других изделий близкого размера, превращение δ-феррита в аустенит практически подавляется при достижении температуры 1180 – 1200 °С. На основе этого можно разработать составы дуплексных нержавеющих сталей, позволяющие получить требуемое соотношение аустенита и феррита без дополнительной термической обработки. Изучена эволюция структуры при термической обработке при температурах 1050 – 1250 °С и показано, как выбирая оптимальную температуру отжига и  закалки в зависимости от реального химического состава стали, можно добиться приемлемого уровня потенциала питтингообразования с меньшим легированием. И наоборот, неоптимальная термообработка высоколегированного сплава приводит к катастрофическому снижению коррозионной стойкости. В рассмотренных сталях оптимальные свойства достигаются уже при 70 % δ-феррита.

1. Practical Guidelines for the Fabrication of Duplex Stainless Steels. London, UK: International Molybdenum Association (IMOA), 2009.

2. Levkov L., Shurygin D., Dub V., Kosyrev K., Balikoev A. New generation of super duplex steels for equipment gas and oil production // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 121. Article 04007. http://doi.org/10.1051/e3sconf/201912104007

3. Byun T.S., Yang Y., Overman N.R., Busby J.T. Thermal aging phenomena in cast duplex stainless steels // JOM. 2016. Vol. 68. No. 2. P. 507–516. http://doi.org/10.1007/s11837-015-1709-9

4. Orlov V., Levkov L., Dub V., Balikoev A., Shurygin D. New approach to development and manufacturing technologies of duplex steel // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 121. Article 04010. http://doi.org/10.1051/e3sconf/201912104010

5. Iwasaki Y., Fukumoto S., Inoue H. Effect of cooling rate on microstructure formation of duplex stainless steel welds // Preprints of the National Meeting of JWS. 2011. P. 5.

6. Fukumoto S., Yoshioka Y., Iwasaki Y. Simulation of microstructure formation process in Fe-23Cr-6Ni-3Mo-0.1N alloy using multiphase field method // Welding Letters. 2019. Vol. 37. No. 4. P. 7WL-10WL. http://doi.org/10.2207/qjjws.37.7WL

7. Голод В.М. Теория и компьютерный анализ литейных процессов. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2018. 243 с.

8. Calliari I., Zanesco M., Bassani P., Ramous E. Analysis of Secon­dary Phases Precipitation in Duplex Stainless Steels. Department of Innovation in Mechanics and Management (DIMEG) University of Padova, Padua, 2009.

9. Kim S.-C., Zhang Z., Furuya Y., Kang C.-Y., Sung J.-H., Ni Q.-Q., Watanabe Y., Kim I.-S. Effect of precipitation of σ-phase and n addition on the mechanical properties in 25Cr–7Ni–4Mo–2W super duplex stainless steel // Materials Transactions. 2005. Vol. 46. No. 7. P. 1656–1662. http://doi.org/10.2320/matertrans.46.1656

10. Knyazeva M., Pohl M. Duplex steels. Part II: carbides and nitrides // Metallography, Microstructure, and Analysis. 2013. Vol. 2. No. 5. P. 343–351. http://doi.org/10.1007/s13632-013-0088-2

11. Ramirez A.J., Lippold J.C., Brandi S.D. The relationship between chromium nitride and secondary austenite precipitation in duplex stainless steels // Metallurgical and Materials Transactions. 2003. Vol. 34A. No. 8. P. 1575–1597. https://doi.org/10.1007/s11661-003-0304-9

12. Guo Y., Hu J., Li J., Jiang L., Liu T., Wu Y. Effect of annealing temperature on the mechanical and corrosion behavior of a newly deve­loped novel lean duplex stainless steel // Materials. 2014. Vol. 7. No. 9. P. 6604–6619. http://doi.org/10.3390/ma7096604

13. Ran Q., Xu Y., Li J., Wan J., Xiao X., Yu H., Jiang L. Effect of heat treatment on transformation-induced plasticity of economical Cr19 duplex stainless steel // Materials & Design (1980–2015). 2014. Vol. 56. P. 959–965. http://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.12.019

14. Fedorov A., Zhitenev A., Strekalovskaya D. Effect of heat treatment on the microstructure and corrosion properties of cast duplex stainless steels // E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 225. Article 01003. http://doi.org/10.1051/e3sconf/202122501003

15. Казаков А.А., Житенев А.И., Федоров А.С., Фомина О.В. Прогнозирование перспективных составов дуплексных коррозионностойких сталей // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. №. 3–4. С. 254–260. http://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-3-4-254-260

16. Kazakov A.A., Zhitenev A.I., Fedorov A.S., Fomina O.V. Development of duplex stainless steels compositions // CIS Iron and Steel Review. 2019. Vol. 18. No. 2. P. 20–26. http://doi.org/10.17580/cisisr.2019.02.04

17. Fedorov A., Zhitenev A., Strekalovskaya D., Kur A. Quantitative description of the microstructure of duplex stainless steels using selective etching // Materials Proceedings. 2021. Vol. 3. No. 4. http://doi.org/10.3390/IEC2M-09387

18. Vander Voort G.F., Manilova E.P. Hints for imaging phases in steels // Advanced Materials Processing. 2005. Vol. 163. No. 2. P. 32–37.

19. Andersson J.O., Helander T., Höglund L., Shi P.F., Sundman B. Thermo-calc and DICTRA, Computational tools for materials science // Calphad. 2002. Vol. 26. No. 2. P. 273–312. http://doi.org/10.1016/S0364-5916(02)00037-8

20. Kovalev M., Shakhmatov A., Alkhimenko A. Electrochemical stu­dies of welded joints corrosion resistance made from stainless steels // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 30. Part 3. P. 501–505. http://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.01.034

21. Kazakov A.A., Zhitenev A.I., Ishpaev P.A., Fomina O.V., Melnikov P.V. Hot physical simulation of δ-ferrite behavior at production and welding of high-nitrogen corrosion-resistant steels // CIS Iron and Steel Review. 2020. Vol. 19. P. 48–55. http://doi.org/10.17580/cisisr.2020.01.10

22. Kim Y.-J. Phase Transformations in Cast Duplex Stainless Steels. Retrospective Theses and Dissertations. 2004.

23. Garfias-Mesias L.F., Sykes J.M., Tuck C.D.S. The effect of phase compositions on the pitting corrosion of 25 Cr duplex stainless steel in chloride solutions // Corrosion Science. 1996. Vol. 38. No. 8. P. 1319–1330.

24. http://doi.org/10.1016/0010-938X(96)00022-4

25. Li J., Shen W., Lin P., Wang F., Yang Z. Effect of solution treatment temperature on microstructural evolution, precipitation behavior, and comprehensive properties in UNS S32750 super duplex stainless steel // Metals. 2020. Vol. 10. No. 11. Article 1481. http://doi.org/10.3390/met10111481

26. Ohmori Y., Nakai K., Ohtsubo H., Isshiki Y. Mechanism of Widmanstätten austenite formation in a δ/γ duplex phase stainless steel // ISIJ international. 1995. Vol. 35. No. 8. P. 969–975. http://doi.org/10.2355/isijinternational.35.969

27. Lee K.M., Cho H.S., Choi D.C. Effect of isothermal treatment of SAF 2205 duplex stainless steel on migration of δ/γ interface boun­dary and growth of austenite // Journal of Alloys and Compounds. 1999. Vol. 285. No. 1–2. P. 156–161. http://doi.org/10.1016/S0925-8388(99)00014-6

28. Lifshitz I.M., Slyozov V.V. The kinetics of precipitation from supersaturated solid solutions // Journal of Physics and Chemistry of So­lids. 1961. Vol. 19. No. 1–2. P. 35–50. http://doi.org/10.1016/0022-3697(61)90054-3

29. De Rezende S.C., Cronemberger M.E.R., Silva R., Rovere C.A.D., Kuri S.E., de Sousa L.L., Mariano N.A. Effect of solution annealing time on the microstructure and corrosion resistance of duplex stainless steel // Materials Science Forum. 2018. Vol. 930. P. 374–379. http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.930.374