Особенности микроструктуры, фазового состава и возможности упрочнения нержавеющих сталей с 13 – 17 % Cr

Исследованы особенности структурных и фазовых превращений в высокопрочных, стойких к углекислотной коррозии, сложнолегированных сталях мартенситного, мартенсито-ферритного и аустенито-мартенситного классов с 13 – 17 % Cr. Путем термодинамического моделирования и экспериментального исследования проведена оценка влияния системы легирования на ход кристаллизации и фазовые превращения в интервале температур горячей деформации и термической обработки. По результатам рентгеноструктурного фазового анализа, оптической и просвечивающей электронной микроскопии определено влияние температуры нагрева под закалку на фазовый состав и микроструктуру. Показано, что при увеличении содержания никеля в микроструктуре сохраняется большое количество аустенита, что приводит к значительному снижению предела текучести при высоких показателях временного сопротивления и пластичности. Для получения преимущественно мартенситной структуры для стали переходного (аустенито-мартенситного) класса с 15 % Cr предложена многоступенчатая термическая обработка. Она включает закалку, промежуточный отжиг с выделением дисперсных частиц карбидной фазы, состав которых оценивали посредством микрорентгеноспектрального анализа, и финальный отпуск, определяющий механические свойства. По результатам испытания на растяжение сталей мартенситного и мартенсито-ферритного классов необходимый уровень прочностных свойств (σ_0,65 ≥ 862 МПа, σ_в ≥ 931 МПа) был достигнут после термической обработки по режиму закалка с отпуском. Многоступенчатая термическая обработка стали с 15 % Cr и высоким содержанием никеля, включающая закалку, промежуточный отжиг для дестабилизации остаточного аустенита и финальный отпуск, обеспечила требуемый комплекс прочностных свойств.

1. Kimura M., Tamari T., Shimamoto K. High Cr stainless steel OCTG with high strength and superior corrosion resistance // JFE GIHO. 2005. No. 9. P. 7–12.

2. Bellarby J. Well Completion Design. Elsevier, 2009. 726 p.

3. Evaluation of the seabed temperature corrosion and sulphide stress cracking (SSC) resistance of weldable martensitic 13 % chromium stainless steel (WMSS) / University of Birmingham, 2014. URL: https://etheses.bham.ac.uk/id/eprint/6871/2/Dent16MPhil.pdf (дата обращения 10.12.2021).

4. Ishiguro Y., Suzuki T., Eguchi K., Nakahashi T., Sato H. Martensite-based stainless steel OCTG of 15Cr-based and 17Cr based material for sweet and mild sour condition // European Corrosion Congress. 2014. 10 p.

5. Jiang W., Zhao K., Ye D., Li J. Effect of Heat Treatment on Reversed Austenite in Cr15 Super Martensitic Stainless Steel // Journal of Iron and Steel Research International. 2013. Vol. 20. No. 5. P. 61–65. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(13)60099-0

6. Jiang W., Zhao K., Liu X., Zhou Y.H., Ye D., Su J., Yong Q. The influence of heat treatment on microstructure and mechanical properties of Cr15 super martensitic stainless steel // Advanced Materials Research. 2012. Vol. 393–395. P. 440–443. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.393-395.440

7. Tsai W.-J., Lin C.-K. Corrosion fatigue behaviour of a 15Cr-6Ni precipitation – hardening stainless steel in different tempers // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2008. Vol. 23. No. 6. P. 489–497. https://doi.org/10.1046/j.1460-2695.2000.00313.x

8. Mariani F.E., Takeya G.S., Casteletti L.C., Lombardi A.N. Totten G.E. Heat treatment of precipitation-hardening stainless steels alloyed with niobium // Materials Performance and Characterization. 2016. Vol. 5. No. 1. P. 38–46. https://doi.org/10.1520/MPC20150039

9. Wang Z., Li H., Shen Q., Liu W., Zhanyong W. Nano-precipitates evolution and their effects on mechanical properties of 17-4 precipitation-hardening stainless steel // Acta Materialia. 2018. Vol. 156. P. 158–171. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.06.031

10. Prabowo H., Pratesa Y., Munir B., Ulum R., Wahyuadi J. Preliminary assessment of 22Cr and 15Cr materials selection for CO2 enhanced oil recovery program // MATEC Web of Conferences. 2019. Vol. 269. Article 03014. https://doi.org/10.1051/matecconf/201926903014

11. Пумпянский Д.А., Пышминцев И.Ю., Битюков С.М., Алиева Е.С., Гусев А.А., Михайлов С.Б., Лобанов М.Л. Особенности фазовых превращений в сталях мартенситного класса для высокопрочных коррозионностойких труб нефтяного сортамента // Металлург. 2021. № 11. С. 35–42. https://doi.org/10.52351/00260827_2021_11_35

12. Алексеев В.И., Юсупов В.С., Лазаренко Г.Ю. Механизм влияния молибдена и меди на антикоррозионные свойства стали // Перспективные материалы. 2009. № 6. С. 21–29.

13. Chenna Krishna S., Pant B., Jha A., George K.M., Gangwar N.K. Microstructure and properties of 15Cr-5Ni-1Mo-1W martensitic stainless steel // Steel Research International. 2015. No. 86. No. 1. P. 51–58. https://doi.org/10.1002/srin.201400035

14. Kumar A.V., Gupta R.K., Narahari Р., Amruth M., Ramkumar P., Narahari P. Development and characterization of 15Cr-5Ni-1W martensitic precipitation hardening stainless steel for aerospace applications // Materials Science Forum. 2015. Vol. 830–831. P. 15–18.

15. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.830-831.15

16. Потак Я.М. Высокопрочные стали. Москва: Металлургия, 1972. 208 с.

17. Thermo-Calc. URL: https://thermocalc.com/products/thermo-calc (дата обращения 04.11.2020).

18. Медь в черных металлах: Cборник статей / Под ред. И. Ле Мэя, Л.М.-Д. Шетки; пер. с англ. Москва: Металлургия, 1988. 311 с.

19. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. Москва: Металлургия, 1982. 184 с.

20. Тарасенко Л.В., Унчикова М. В. Влияние двойного старения на механические и коррозионные свойства мартенситно-стареющей стали 06Х14Н6Д2МБТ // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение. 2014. № 4. С. 123–130.

21. Тарасенко Л.В., Унчикова М.В. Термическая обработка коррозионностойкой стали для изготовления силоизмерительных упругих элементов // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение. 2007. № 2. С. 82–88.

22. ASM HANDBOOK. Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys. Vol. 1. ASM International, 1990. 1063 p. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v01.9781627081610

23. ASM Specialty Handbook: Stainless Steels. Davis J.R. ed. ASM International, 1994. 576 p.

24. DIN EN 10088:1-2014 Stainless steels – Part 1: List of stainless steels. 01.12.2014. 50 p.

25. Gooch T. Welding martensitic stainless steels // Welding Institute Research Bulletin. 1977. No. 18. P. 343–349.

26. Hu X., Luo X., Xiao N., Li D. Effects of δ-ferrite on the microstructure and mechanical properties in a tungsten-alloyed 10 % Cr ultra-supercritical steel // Acta Metallurgica Sinica. 2009. Vol. 45. No. 5. P. 553–558.

27. Корнеев А.Е., Громов А.Ф., Киселев А.М. Влияние δ-феррита на свойства мартенситных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 2013. № 8. С. 46–50.