Перспективные технологии создания высоконадежных изделий из конструкционных сталей для базовых отраслей промышленности

Рассмотрены основные элементы новых комплексных технологий, обеспечивающих эффективное получение материалов с новым уровнем свойств. Отмечена перспективность создания новых систем легирования конструкционных
 материалов для машиностроения с управлением их первичной кристаллической структурой...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Автоматическая сварка
Date:2013
Main Author: Дуб, А.В.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2013
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103238
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Перспективные технологии создания высоконадежных изделий из конструкционных сталей для базовых отраслей промышленности / А.В. Дуб // Автоматическая сварка. — 2013. — № 10-11 (726). — С. 119-124. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860235301196136448
author Дуб, А.В.
author_facet Дуб, А.В.
citation_txt Перспективные технологии создания высоконадежных изделий из конструкционных сталей для базовых отраслей промышленности / А.В. Дуб // Автоматическая сварка. — 2013. — № 10-11 (726). — С. 119-124. — рос.
collection DSpace DC
container_title Автоматическая сварка
description Рассмотрены основные элементы новых комплексных технологий, обеспечивающих эффективное получение материалов с новым уровнем свойств. Отмечена перспективность создания новых систем легирования конструкционных
 материалов для машиностроения с управлением их первичной кристаллической структурой, механизмами упрочнения,
 сопротивления хрупким разрушениям.
first_indexed 2025-12-07T18:23:25Z
format Article
fulltext 11910-11/2013 УДК 621.791:62-112.81 ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОНАДЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ БАЗОВЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ А. В. ДУБ ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», РФ. 1090808, г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская, 4. E-mail: cniitmash@cniitmash.ru Рассмотрены основные элементы новых комплексных технологий, обеспечивающих эффективное получение мате- риалов с новым уровнем свойств. Отмечена перспективность создания новых систем легирования конструкционных материалов для машиностроения с управлением их первичной кристаллической структурой, механизмами упрочнения, сопротивления хрупким разрушениям. Табл. 4, рис. 10. К л ю ч е в ы е с л о в а : технологические и материаловедческие принципы, комплексные технологии, конструкционные стали, базовые отрасли промышленности, перспективные направления исследований Новые требования по надежности требуют ис- пользования новых технологических и материа- ловедческих принципов. Связь «микро-мезо-ма- кро» параметров структуры материалов (табл. 1), закладываемых при переходе из жидкого состо- яния в твердое, т.е. от самого начала технологи- ческого маршрута, требует применения новых научных и технологических подходов для созда- ния новых технологий. Старые технологии по- зволяли убрать только грубые несоответствия между требованиями и фактическим качеством. Т а б л и ц а 1 . Уровни структуры Микроуровень (≤ L0) Вакансия, атом 2...3⋅10-10 м Кластеры 2...5⋅10-9 м Дислокация 10-8 м Мезоуровень Блок мозаики, субзерно, сульфиды, НВ 10-7...10-6 м Уровень зерна Ls Зерно, дендрит, сульфиды, НВ 10-5...10-4 м Макроуровень (> Ls) Группа зерен 2...5⋅10-4 м Участок образца 10-3 м Образец в целом Более 10-3...10-2 м Отрасли, нуждающиеся в разработке новых технологий и материалов: энергетика, ТЭК, атомная промышленность: трубопроводы, ветряные электрогенераторы, за- порная арматура; жаропрочные экономнолегиро- ванные материалы для суперсверхкритических параметров (ССКП) работы; лопатки для ступени ГТУ; конструкционные материалы с улучшенны- ми рабочими характеристиками для реакторных установок, турбин, сроком службы более 60 лет; химическая промышленность: конструкцион- ные материалы для реакторов и труб высокого давления; транспорт и магистральные газопроводы: но- вые материалы для железных дорог, судостроение, трубы высокой прочности; Изделия оборонной техники. Важнейшим этапом формирования, исследова- ния и управления свойствами металлоизделий яв- ляется процесс затвердевания. Он складывается из ряда физических и физико-химических процес- сов, ключевым в которых является этап кристал- лизации, т.е. непосредственно фазовый переход первого рода: жидкость (расплав) – твердое тело (кристаллы). Поскольку все реальные металлические систе- мы, используемые для изготовления изделий, яв- ляются многокомпонентными, очень важно по- нять какую степень возмущения в регулярность кристаллического строения основы сплава (в на- шем случае железо) вносит каждый участник ком- позиции. При этом в первую очередь целесоо- бразно выделить наиболее сильно возмущающие элементы. Для такой оценки наиболее подходит выражение, названное Чалмерсон коэффициентом аккомодации Aк: пл к , sH RTA e=  (1) где Ак – коэффициент аккомодации; ∆Нs – скрытая теплота затвердевания; Тпл – температура затвер- девания. В случае плавления Ак принимают равным 1. Для количественной меры оценки возмущения, вызываемой примесью при затвердевании, разра- ботано выражение (2):© А. В. Дуб, 2013 120 10-11/2013 fe B к к к .A A A∆ = - (2) В результате вычисления кA∆ элементы, ока- зывающие наиболее сильное возмущающие вли- яние на затвердевание сплавов на основе железа, расположились в ряд по степени их убывания: P, Si, C, S, Sb, As, Bi, Sn, N, Cu, Al, Mn. (3) Величина |∆Aк| хорошо коррелирует с потенци- алом ионизации ΔPi, интегрально описывающим теплофизические особенности отдельного элемен- та (рис. 1). Исходя из гипотезы двухстадийного механиз- ма процесса кристаллизации (атомарный расплав – кластерно-атомарный пограничный слой – при- соединие кластеров к кристаллическому фронту), промоделировали кристаллизацию и влияние те- плофизических (скорость затвердевания) и физи- ко-химических (концентрация и |ΔAк| примеси) факторов на фрактальную размерность D как ха- рактеристику регулярности строения кристалли- ческой матрицы (рис. 2). Как видно из последо- вательности (3) кремний очень сильно влияет на процесс кристаллизации сплавов на основе же- леза. На рис. 3 показаны результаты эксперимен- тального и расчетного изучения влияния кремния Рис. 1. Связь потенциала ионизации ΔPi и ΔAк Рис. 2. Зависимость фрактальной размерности D модельных структур от скорости охлаждения V (а) и относительного коэф- фициента аккомодации ΔАк (б) Рис. 3. Микроструктура образцов при различном содержании кремния (а–в): а — 0,05 %; б — 0,15; в — 0,27; г – зависимость фрактальной размерности D модельных структур от содержа- ния кремния Рис. 4. Влияние фосфора и кремния на изменение ударной вязкости (а) и температуры хрупко-вязкого перехода (б): 1 — < 0,1 % Si; 2 — ≥ 0,1 % Si 12110-11/2013 и ΔAк на структуру конструкционной Cr–Ni–Mo стали. Не менее сильнодействующим при кристаллизации стали является фосфор. В связи с тем, что воздействие возмущаю- щих элементов складывается, их влияние либо усиливается, либо, в случае присут- ствия в количестве меньше критической концентра- ции, ослабляется (рис. 4). Одновременно с процессами, нарушающими регулярность строения кристаллической структу- ры, развиваются явления, способствующие сни- жению сопротивления деградирующим нагрузкам (тепловым, корпускулярным, периодическим си- ловым и т.д.). Данные табл. 2 подтверждают связь между нарушением регулярности строения при наличии определенной примеси |ΔAк| и склонно- стью материала к охрупчиванию. Современные представления о природе ох- рупчивания сталей основываются на образова- нии предсегрегаций (преципитатов) и сегрегаций (фосфора, серы, олова, сурьмы и других элемен- тов) и усиливающим действием легирующих эле- ментов — кремния, никеля, марганца, влияние ко- торых сильно зависит от их концентрации. Существенным вопросом в данном случае ста- новится состояние и протяженность границ зерен. Исследованию состояния границ зерен в металле корпусного оборудования АЭУ всегда уделяли са- мое пристальное внимание. В последний период в связи с требованиями по увеличению ресурса и надежности этих изделий, а также с целью созда- ния конкурентных преимуществ отечественного атомного энергетического оборудования в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» систематически проводят- ся работы по изучению механизмов формирова- ния границ зерен, оценке их влияния на свойства изделий и разработке технологических методов управления качеством и свойствами границ. С использованием накопленного эксперимен- тального материала разработана методика моде- лирования, позволяющая оценить размер зерен первичной кристаллической структуры и их эво- люцию при различных операциях деформации. Эта работа в таком объеме и с такой глубиной проводится в нашей стране впервые. Проведена оценка влияния элементов, наибо- лее сильно влияющих на состояние границ. Для примера изучили поведение фосфора — элемен- та, существенно влияющего на состояние границ на всех этапах технологического маршрута и при эксплуатации. Как известно, фосфор является эле- ментом, чей коэффициент аккомодации сильно отличается от железа. Поэтому он является силь- но ликвирующим элементом, равновесный коэф- фициент распределения которого при кристалли- зации очень низок (К0 менее 0,1). В связи с этим при затвердении крупных слитков, используемых при производстве корпусного оборудования АЭУ, этот элемент распределяется неравномерно, нака- пливаясь в междендритных пространствах (ми- кроликвация) и в зонах химической неоднород- ности (подприбыльной и зоне внецентренной ликвации). Известны термодинамические подхо- ды, позволяющие проследить изменение концен- трации фосфора. Рассчитанные значения показы- вают какой уровень концентрации примеси можно ожидать на границах в изделии, полученном из относительно крупного слитка со средним радиу- сом более 400 мм. Следует обратить внимание еще на то, что, по- скольку К0 является термодинамической характе- ристикой, полагали, что она не зависит или мало зависит от концентрации ликвирующего элемен- та. Однако работами последних лет, в том числе и сотрудников ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», показа- но, что в случае концентрации примеси в распла- ве, приближающейся к пределу растворимости это- го элемента в твердом железе, значения К0 резко возрастают. С учетом этих подходов и экспериментальных результатов по изучению дендритной структуры литой стали 15Х2НМФ рассчитали концентрацию фосфора в пограничном слое, который является прообразом границ в будущем изделии (протогра- ница), и на конечном этапе — степень заполнения пограничного слоя атомами фосфора в зависимо- сти от величины зерна. Исследования показали, что степень заполне- ния фосфором пригодных для адсорбции мест на Т а б л и ц а 2 . Зависимость между |ΔAк| и охрупчиванием низколеги- рованных сталей Параметр fe Cu N C Si P Aк 0,360 0,303 0,503 0,042 0,037 0,778 В fe к к кA A A∆ = - 0 0,057 0,143 0,318 0,323 0,418 Рис. 5. Влияние содержания фосфора в металле перед затверде- ванием и величины зерна готового изделия на повышение кри- тической температуры хрупкости: 1 — начальная концентрация фосфора в жидком металле 0,01 %; 2 — 0,003 122 10-11/2013 0,1 приводит к повышению критической темпера- туры хрупкости на 27…28 °С. В результате уда- лось получить зависимость влияния содержания фосфора в металле перед затвердеванием и вели- чины зерна готового изделия на повышение кри- тической температуры хрупкости. Результаты из- менения ΔТк0 представлены на рис. 5. Важно, что получение в готовом металле изделий из стали 15Х2НМФ величины зерна выше определенной (более 6…8 балла) обеспечивает высокую устой- чивость против хрупких разрушений, а снижение содержания в исходном металле фосфора менее 0,004 % делает сталь практически нечувствитель- ной к деградирующим воздействиям. Прогресс при производстве высоконадежных изделий, например, корпусов атомных нефтехими- ческих реакторов, сварных роторов и др. связан и с дальнейшим продвижением по снижению Тк0 метал- ла сварных швов. ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» раз- работал программу технологических и организаци- онных мер, к числу которых относится, например, модернизация производства плавленых флюсов. Известно, что металл сварных швов имеет ряд особенностей по сравнению с основным метал- лом, так как эксплуатируется в литом состоянии. Охрупчивание Cr–Ni–Mo швов (Ni < < 1,5 %, Р < < 0,012 %) при замедленном охлаждении при от- пуске обусловлено содержанием кремния, марган- ца и азота выше определенного уровня (рис. 6). В значительной мере технологические средства ре- шения задачи применительно к корпусу ВВЭР- 1000 в настоящее время известны и достижимы: ▪ ограничение содержания азота достигается вакуумированием при выплавке стали для свароч- ной проволоки; ▪ ограничение содержания кремния и марганца в стали для проволоки; ▪ контроль перехода кремния и марганца в про- цессе сварки в зоне «шлак–сварочная ванна» пу- тем регламентации электрических параметров ре- жима сварки; ▪ целевое создание сочетания «плавка проволо- ки–партия флюса» (взамен селективного примене- ния случайных партий флюса). Реализовать научные разработки можно, толь- ко используя новые технологические процессы или системно применяя ранее наработанные тех- нологические решения, комбинируя их в строго определенной нормированной последовательно- сти и чередуя с вновь рекомендуемыми приемами. Основные элементы новых технологий: Сталеплавильный цикл: ▪ современное оборудование для шихтозаго- товки, современные строго контролируемые по составу, виду и габаритам шихтовые материалы; ▪ современное сталеплавильное оборудование, обеспечивающее эффективное плавление, точно ре- гулируемое осуществление окислительных процес- сов (обезуглероживание, глубокая дефосфорация) или отсутствие окисления (полный переплав); ▪ современное оборудование для внепечной об- работки жидкого полупродукта, обеспечивающее вакуумирование, интенсивное проведение вос- становительных реакций (глубокое десульфура- ционное раскисление, контроль окисленности и управление оксидными морфологиями), точное легирование, строго регулируемый нагрев и ин- тенсивное перемешивание. Циклы затвердевания и разливки: ▪ применение специализированной оснастки, которая обеспечивает ее оптимальную тепловую работу и рациональное использование литой за- готовки (форма слитка, соответствующая назначе- нию изделия); ▪ применение рационального метода разливки (сверху, сифон, в вакууме или специализирован- ной атмосфере); ▪ стандартное состояние жидкого металла пе- ред разливкой (строго регламентированный хими- ческий состав, окисленность, содержание водоро- да, температура); ▪ защита от контакта с окружающей атмосфе- рой (защита от вторичного окисления, насыщения водородом и азотом); ▪ дифференцируемый и контролируемый тем- пературно-скоростной режим разливки. Рис. 6. Влияние содержания азота на переходную температуру хрупкости металла шва Tк0 в зависимости от суммарной кон- центрации кремния и марганца 0,7 % (1) и 0,6 (2) Рис. 7. Динамика изменения допустимого содержания при- месей в сталях для энергомашиностроения: 1 — [P]; 2 — [S]; 3 — [P]+[S] 12310-11/2013 Деформационный передел: ▪ современное печное, кузнечно-прессовое оборудование, обеспечивающее необходимое рас- пределение температур перед деформацией на на- копленную деформацию и скорость деформации; ▪ современная оснастка, измерительный элек- тронный инструмент; ▪ программная деформация, учитывающая дан- ные о качестве и особенностях исходной заготов- ки (слитка, слитка ЭШП, кованой заготовки). Термическая обработка: ▪ дифференцированные режимы, учитываю- щие результаты оценки характеристик слитка (химический состав, содержание водорода, коли- чество включений) и деформированной заготов- ки (максимальный размер зерна, распределение неметаллических включений и зон химической неоднородности); ▪ современные термические печи с допускае- мой неоднородностью термического поля в пре- делах до 5 °С, применение вертикальных печей с нижним установочным устройством; ▪ современные спреерные термические уста- новки (преимущественно вертикального типа), со- временные закалочные устройства и среды. Сварочный и механообрабатывающий этап: ▪ современные средства контроля и метрологи- ческое оборудование; ▪ сварочные материалы, адаптированные к ос- новному металлу; ▪ сварочные флюсы, обеспечивающие как за- щиту, так и формирование заданных свойств и ка- чества материала шва; ▪ увеличение доли автоматизированных про- цессов, применение трехкоординатных сварных и наплавленных головок; ▪ применение современных процессов оконча- тельной механической обработки, не приводящих к накоплению напряжений в изделии. Рассмотрим некоторые примеры применения современных технологий. На рис. 7 показана динамика изменения допу- стимого содержания регулируемых примесей в материалах, используемых в атомной и конвекци- ональной энергетике и других важных отраслях экономики. Результаты показывают, что на сегод- ня технология позволяет приблизиться к пределу растворимости серы и фосфора в сталях и, таким образом, кардинально решить проблему химиче- ской неоднородности и связанным с ней охрупчи- ванием конструкционных материалов. Управление составом и морфологией включе- ний в различных материалах для энергетики при- ведено на рис. 8–10. Применение ряда технологических решений, которые указаны ранее, позволили поднять техно- логию производства оборудования для АЭС на бо- лее высокий уровень, что явилось принципиаль- но новым этапом в развитии металлургии как для атомного машиностроения, так и машинострое- ния в целом. Повышенные требования к чистоте металла, интенсивное рафинирование, новая тех- нология разливки, ковки и термообработки, при- нятые для корпусов реакторов проекта АЭС-2006, позволили получить при изготовлении очень низ- кие значения фактической величины критической температуры хрупкости для всех элементов корпу- са и крышки реактора (ниже 90 °С) (табл. 3). Еще одним примером применения нового под- хода к технологии явилась разработка особо чистой модификации стали марки 10ГН2МФА-А, в которой существенно снижено содержание серы и фосфо- Рис. 8. Влияние активности кислорода на содержание Al2O3 в составе неметаллической фазы (для стали с 9 % Cr) Рис. 9. Влияние активности алюминия (концентрации) на содер- жание Al2O3 в оксидных включениях стали 15Х2НМФА (кривая получена в лабораторных условиях) Рис.10. Влияние окисленности на изменение доли оксисульфи- дов в низкоуглеродистой стали 124 10-11/2013 ра, сужены пределы содержания основных легиру- ющих элементов, введено определение содержания мышьяка, олова и сурьмы с регламентацией Х-фак- тора (Х = (10Р + 5Sb + 4Sn + As)·100) (табл. 4). Необходимо также отметить, что в настоя- щее время в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» для по- нижения критической температуры хрупкости и стабилизации свойств при сварке проводятся ис- следования по определению механизма влияния комплексных модификаторов, вводимых в металл сварного шва через керамический флюс, на меха- нические характеристики металла сварного шва. Испытания механических свойств металла сварных швов, полученных при сварке опытных образцов из стали марки 15Х2НМФА с исполь- зованием опытных составов керамических флю- сов марки ФЦК-16 в сочетании с проволокой мар- ки СВ-12Х2Н2МАА, свидетельствуют о высоком уровне механических характеристик металла шва, превышающих требования нормативной докумен- тации. Испытания при сварке под флюсом КВ-4 показали, что критическая температура хрупкости составляет Тк0 = -30 °С. Выводы В настоящее время существуют, опробованы и внедрены элементы новых комплексных техно- логий, обеспечивающих эффективное получение материалов с новым уровнем свойств. Дальнейшие поиски в области комплексных технологических и материаловедческих иссле- дований направлены на создание новых систем легирования конструкционных материалов для машиностроения, направленных на управление первичной кристаллической структуры, механиз- мами упрочнения, механизмами сопротивления металлов хрупким разрушениям. Необходимо разработать новые системы техно- логической и нормативной документации, опира- ющейся, в том числе, на использование объектив- ных экспрессных методов и создающие условия для непрерывного электронного мониторинга технологии, позволяющего корректировать ее по оперативным показателям, полученным на преды- дущем этапе. Поступила в редакцию 10.06.2013 Т а б л и ц а 4 . Химический состав стали для коллекторов парогенераторов типа ПГВ-1000МКП, мас. % Марка стали C Si Mn Ni Mo W Cr Cu S P не более 10ГН2МФА-ВД 10ГН2МФА-Ш 0,08-0,12 0,17-0,37 0,80-1,10 1,8-2,3 0,40-0,70 0,03-0,07 0,30 0,30 0,005 0,008 10ГН2МФА-А 0,09-0,11 0,20-,30 0,90-1,00 1,8-2,0 0,55-0,65 0,04-0,06 0,15 0,15 0,002 0,006 П р и м е ч а н и е . В стали 10ГН2МФА-А определяется содержание Sn, As, Sb и Х = (10P + 5Sb + 4Sn + As)⋅100 ≤ 15. Т а б л и ц а 3 . Характеристики сталей 15Х2НМФА-А, 15Х2НМФА-Ф класс1
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103238
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
language Russian
last_indexed 2025-12-07T18:23:25Z
publishDate 2013
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format dspace
spelling Дуб, А.В.
2016-06-15T06:20:13Z
2016-06-15T06:20:13Z
2013
Перспективные технологии создания высоконадежных изделий из конструкционных сталей для базовых отраслей промышленности / А.В. Дуб // Автоматическая сварка. — 2013. — № 10-11 (726). — С. 119-124. — рос.
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103238
621.791:62-112.81
Рассмотрены основные элементы новых комплексных технологий, обеспечивающих эффективное получение материалов с новым уровнем свойств. Отмечена перспективность создания новых систем легирования конструкционных&#xd; материалов для машиностроения с управлением их первичной кристаллической структурой, механизмами упрочнения,&#xd; сопротивления хрупким разрушениям.
ru
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
Автоматическая сварка
Пленарные доклады Международной конференции
Перспективные технологии создания высоконадежных изделий из конструкционных сталей для базовых отраслей промышленности
Challenging technologies of manufacture of highly-reliable structures of structural steels for basic branches of industry
Article
published earlier
spellingShingle Перспективные технологии создания высоконадежных изделий из конструкционных сталей для базовых отраслей промышленности
Дуб, А.В.
Пленарные доклады Международной конференции
title Перспективные технологии создания высоконадежных изделий из конструкционных сталей для базовых отраслей промышленности
title_alt Challenging technologies of manufacture of highly-reliable structures of structural steels for basic branches of industry
title_full Перспективные технологии создания высоконадежных изделий из конструкционных сталей для базовых отраслей промышленности
title_fullStr Перспективные технологии создания высоконадежных изделий из конструкционных сталей для базовых отраслей промышленности
title_full_unstemmed Перспективные технологии создания высоконадежных изделий из конструкционных сталей для базовых отраслей промышленности
title_short Перспективные технологии создания высоконадежных изделий из конструкционных сталей для базовых отраслей промышленности
title_sort перспективные технологии создания высоконадежных изделий из конструкционных сталей для базовых отраслей промышленности
topic Пленарные доклады Международной конференции
topic_facet Пленарные доклады Международной конференции
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103238
work_keys_str_mv AT dubav perspektivnyetehnologiisozdaniâvysokonadežnyhizdeliiizkonstrukcionnyhstaleidlâbazovyhotrasleipromyšlennosti
AT dubav challengingtechnologiesofmanufactureofhighlyreliablestructuresofstructuralsteelsforbasicbranchesofindustry