Влияние кремния и ванадия на коррозионно-механические свойства высокоазотистых Cr – Mn сталей

Введение

При оценке перспектив, последовательности освоения и результатов использования безуглеродных технологий в металлургии отмечается [1], что альтернативой углероду, как упрочняющему сталь элементу, может быть азот, который ее упрочняет в большей мере, чем углерод в традиционных сталях [2; 3]. Разработаны коррозионностойкие высокоазотистые стали, содержащие не менее 12 мас. % хрома и имеющие высокую статическую и циклическую прочность, износостойкость, повышенную способность к пластической деформации при сохранении хорошей пластичности и ударной вязкости [4; 5]. Известно, что аустенитные Cr – Ni и Cr – Mn стали, а также коррозионностойкие мартенситные и аустенито-мартенситные стали имеют низкое сопротивление коррозионному растрескиванию (КР) под напряжением [6]. Более высокие значения предела длительной коррозионной стойкости наблюдаются у сталей ферритного и аустенито-ферритного классов. Не подверженными коррозионному растрескиванию в различных средах оказались аустенитные высокоазотистые Cr – Mn стали, которые обладают еще высокой стойкостью против водородной хрупкости и высокой коррозионно-усталостной прочностью [7 – 10].

В работах [10; 11] рассмотрено влияние кремния на тонкую структуру и износостойкость высокоазотистых Cr – Mn сталей в условиях сухого трения скольжения. Установлено, что легирование кремнием повышает сопротивление адгезионному изнашиванию при сохранении низких значений коэффициента трения (f  = 0,25 – 0,33). Влияние кремния на трибологические свойства этих сталей связано с активизацией планарного скольжения дислокаций. В работе [10] также отмечается, что хромомарганцевые метастабильные аустенитные стали, легированные 0,15 – 0,25 мас. % азота, обладают повышенным сопротивлением кавитационно-эрозионному разрушению [12] и абразивному изнашиванию [13], которое во многом объясняется образованием при контактном нагружении α-мартенсита деформации. Высокое сопротивление стали Nitronic 60 адгезионному изнашиванию авторы [14; 15] связывают с низкой энергией дефектов упаковки аустенита, способностью стали к интенсивному деформационному упрочнению и образованию на поверхности трения окисных пленок, препятствующих схватыванию.

Представляет интерес оценить сопротивление КР азотсодержащих Cr – Mn сталей с аустенито-ферритной структурой. Целью работы является изучение влияния некоторых ферритообразующих элементов (таких как кремний и ванадий) на коррозионно-механические свойства Cr – Mn сталей.

Материал и методика исследования

Стали выплавляли в обычных условиях при атмосферном давлении в 60-кг индукционной печи. Химический состав изученных сталей приведен в табл. 1. Содержание серы и фосфора во всех выплавленных сталях не превышало 0,01 и 0,04 мас. % соответственно. Слитки азотсодержащих сталей гомогенизировали при 1150 °С в течение 8 – 15 ч и проковывали на прутки сечением 20×20 мм², из которых для определения механических свойств изготавливали стандартные пятикратные разрывные образцы диаметром рабочей части 5 мм и стандартные образцы сечением 10×10 мм² с U-образным надрезом для испытаний на ударную вязкость.

Предел прочности и условный предел текучести сталей определяли с погрешностью ±5 МПа, относительное удлинение – с точностью 0,1 %. Испытания на КР проводили по специально разработанной методике [16] в 20 %-ном водном растворе поваренной соли в дистиллированной воде при комнатной температуре и напряжениях 0,80 – 0,95 от предела текучести.

Микроструктуру изучали на оптическом микроскопе Axio Observer.D1m. Магнитометрические измерения осуществляли на α-фазометре, фиксирующем содержание ẟ-феррита.

Рентгеноструктурные исследования выполняли на дифрактометре ДРОН–4–07 в железном излучении. Качественный и количественный фазовый анализ осуществляли по методу Ритвельда [17] после оптимизации интерференционных максимумов. Точность количественного фазового анализа составляла ±5 %. Прецизионные измерения параметра решетки аустенита проводили по последним интерференционным линиям 311_α1 и 222_α1, снятым в дискретном режиме с шагом 0,02° [18; 19].

Результаты исследования и их обсуждение

Рентгеноструктурный и магнитометрический фазовый анализ свидетельствуют о том, что Cr – Mn стали 12Х19Г19С2А0,5 и 07Х19Г18ФА0,7 находятся в аустенитном состоянии (табл. 1). В сталях с меньшим содержанием азота дополнительно присутствует незначительное количество (3 – 5 %) ферромагнитной фазы ẟ-феррита, а в стали с 4 % кремния содержание ẟ-феррита достигает 32 %. Дисперсные зерна ẟ-феррита разной формы и размеров располагаются, в основном, по границам зерен аустенита (рис. 1).

Стали, легированные кремнием, после гомогенизирующей обработки при 1150 – 1170 °С имели одинаковый размер аустенитного зерна, соответствующий 6 – 7 баллу. В легированных ванадием сталях даже после аустенитизирующей обработки при 1250 °С сохраняется более мелкое зерно аустенита 8 – 9 номера.

Механические свойства сталей после гомогенизирующей обработки приведены в табл. 2. Для сравнения в нижней части таблицы показаны механические свойства подобных Cr – Mn аустенитных сталей с близкой концентрацией азота, но не легированных кремнием или ванадием. Видно, что при равной концентрации азота стали, содержащие ẟ-феррит, имеют более высокие прочностные свойства и более низкие значения относительного сужения и ударной вязкости, чем аустенитные стали, не легированные кремнием или ванадием, которые способствуют образованию феррита.

Высокоазотистые Cr – Mn стали, содержащие ẟ-феррит, как и аналогичные аустенитные стали, интенсивно упрочняются в процессе холодной пластической деформации при сохранении хорошей пластичности. Степень упрочнения (Δσ/Δε) сталей с разной концентрацией азота и кремния, а также критическая степень холодной деформации (е_кр), необходимая для достижения у некоторых ответственных изделий (например, бандажных колец мощных турбогенераторов) предела текучести 1200 Н/мм², приведены в табл. 3.

По этим параметрам аустенито-ферритные стали, содержащие 0,3 – 0,5 % азота и 4 % кремния, оказались близки к сталям, не легированным кремнием и содержащим большее количество азота. В то же время легирование 2 % кремния аустенитной стали 12Х19Г19С2А0,5 практически не повлияло на степень упрочнения и критическую степень деформации е_кр. Эти параметры оказались такими же, как у стали 08Х18Г18А0,5. Отсюда, по-видимому, следует, что присутствие ẟ-феррита оказывает упрочняющий эффект (зернограничное упрочнение) как после гомогенизирующей обработки, так и при холодной пластической деформации.

В тоже время образование даже небольших количеств ẟ-феррита снижает сопротивление коррозионному растрескиванию высокоазотистых Cr – Mn сталей. Так, если образование 3 % ẟ-феррита в стали 10Х16Г17С4А0,3 не оказало заметного влияния на стойкость против КР по сравнению с аналогичной бескремнистой аустенитной сталью 05Х14Г20Н4А0,3, имеющей низкую стойкость, то присутствие 32 % ẟ-феррита в стали 10Х19Г20С4А0,5 катастрофически понизило ее сопротивление коррозионному растрескиванию по сравнению с аустенитной сталью 08Х18Г18А0,5, не подверженной коррозионному растрескиванию [20 – 22] (табл. 3). В случае легирования кремнием и сохранения аустенитной структуры (сталь 12Х19Г19С2А0,5) уменьшения стойкости против КР не наблюдается. Аналогичным образом присутствие ẟ-феррита сказывается и на сталях, легированных ванадием. Так двухфазная сталь 07Х18Г19ФА0,4 подвержена коррозионному растрескиванию в течение 250 – 750 ч при напряжениях 1050 – 1150 Н/мм², а аустенитная сталь 07Х19Г18ФА0,7 при том же уровне напряжений снималась с испытаний в течение 5000 ч без каких-либо следов коррозионного растрескивания.

Старение вызывает существенное упрочнение высокоазотистых, легированных как кремнием, так и ванадием, Cr – Mn сталей с ẟ-ферритом, переводя их в немагнитное состояние. Так, предел текучести ванадийсодержащей высокоазотистой стали 07Х18Г19ФА0,4 с 5 % ẟ-феррита после 16 ч выдержки при 650 °С увеличивается на 290 Н/мм², а аустенитной 07Х19Г18ФА0,7 – лишь на 190 Н/мм² по сравнению с гомогенизирующей обработкой при значительном уменьшении ударной вязкости и пластичности у обеих сталей. Отрицательное влияние ванадия и кремния на пластичность и ударную вязкость отмечается также для стареющих углеродсодержащих аустенитных сталей [23]. Заметим, что в высокоазотистой стали, легированной кремнием и содержащей 32 % ẟ-феррита, твердость после 2 – 4 ч выдержки при 700 °С увеличивается до 35 – 37 HRC, что сопоставимо с твердостью высокоотпущенных легированных сталей с 0,4 % С.

Необходимо отметить, что после старения стали с ẟ-ферритом становятся немагнитными, по-видимому, в результате его распада (согласно диаграмме состояния) на σ-фазу и парамагнитный азотсодержащий аустенит. При этом содержание ẟ-феррита монотонно уменьшается с увеличением длительности старения (рис. 2). Микроструктурные и рентгеноструктурные исследования свидетельствуют о том (рис. 3), что старение стали с ẟ-ферритом протекает по непрерывному механизму, сопровождающемуся монотонным снижением параметра решетки аустенита в связи с выделением из него нитридов. В то же время в высокоазотистых Cr – Mn сталях аустенитного класса, содержащих более 0,3 % азота и не легированных кремнием, при старении получает существенное развитие прерывистый распад аустенита [24].

Старение двухфазных сталей, приводящее к исчезновению ẟ-феррита, вызвало катастрофическое снижение стойкости против КР, при этом состаренные образцы испытывали коррозионное растрескивание при выбранных условиях испытания уже в течение 10 – 70 ч.

Выводы

Легирование высокоазотистых Cr – Mn сталей кремнием или ванадием приводит к образованию ẟ-феррита и существенному упрочнению как после гомогенизирующей обработки, так и при холодной пластической деформации, что обусловлено зернограничным эффектом.

В легированных ванадием Cr – Mn сталях даже после аустенитизирующей обработки при 1250 °С сохраняется более мелкое зерно аустенита (8 – 9 балла), чем у сталей, легированных кремнием, имеющих уже после обработки при 1150 – 1170 °С более крупное зерно 6 – 7 номера.

Образование даже небольших количеств (3 – 5 %) ẟ-феррита в высокоазотистых Cr – Mn аустенитных сталях одновременно с упрочнением приводит к снижению сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением.

Старение сопровождается дополнительным снижением коррозионной стойкости под напряжением, исчезновением намагниченности и существенным упрочнением высокоазотистых Cr – Mn сталей с ẟ-ферритом, что обусловлено его распадом, по-видимому, на σ-фазу и азотсодержащий парамагнитный аустенит, а также выделением нитридов.