Экономно-легированная никелем азотсодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь
Исследованы структура, механические свойства и коррозионная стойкость малоникелевых азотсодержащих сталей. Установлена возможность производства центробежно-литых труб из сталей с высоким содержанием азота. Показано, что разработанная экономно-легированная сталь типа 03Х18Г5АН4 имеет стабильную аусте...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2000 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2000
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78211 |
| 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: | Экономно-легированная никелем азотсодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь / Ю.С. Венец, Г.Н. Трегубенко, М.И. Тарасьев, А.В. Рабинович // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 149-152. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859482208516964352 |
|---|---|
| author | Венец, Ю.С. Трегубенко, Г.Н. Тарасьев, М.И. Рабинович, А.В. |
| author_facet | Венец, Ю.С. Трегубенко, Г.Н. Тарасьев, М.И. Рабинович, А.В. |
| citation_txt | Экономно-легированная никелем азотсодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь / Ю.С. Венец, Г.Н. Трегубенко, М.И. Тарасьев, А.В. Рабинович // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 149-152. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Исследованы структура, механические свойства и коррозионная стойкость малоникелевых азотсодержащих сталей. Установлена возможность производства центробежно-литых труб из сталей с высоким содержанием азота. Показано, что разработанная экономно-легированная сталь типа 03Х18Г5АН4 имеет стабильную аустенитную структуру, обладает высоким комплексом механических и антикоррозионных свойств и может использоваться для изготовления конструкций, применяемых в атомной энергетике.
|
| first_indexed | 2025-11-24T14:15:22Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.018.25
ЭКОНОМНО-ЛЕГИРОВАННАЯ НИКЕЛЕМ АЗОТСОДЕРЖАЩАЯ
КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ АУСТЕНИТНАЯ СТАЛЬ
Ю.С. Венец, Г.Н. Трегубенко, М.И. Тарасьев, А.В. Рабинович
Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск, Украина
Исследованы структура, механические свойства и коррозионная стойкость малоникелевых азотсодержа-
щих сталей. Установлена возможность производства центробежно-литых труб из сталей с высоким содержа-
нием азота. Показано, что разработанная экономно-легированная сталь типа 03Х18Г5АН4 имеет стабильную
аустенитную структуру, обладает высоким комплексом механических и антикоррозионных свойств и может
использоваться для изготовления конструкций, применяемых в атомной энергетике.
Для изготовления ряда элементов конструкций
термоядерных реакторов и литой арматуры для
атомной энергетики наиболее широкое применение
получили коррозионно-стойкие стали аустенитного
класса типа Х18Н10(Т) и Х17Н14М3(Б). Однако на-
личие значительных содержаний в их составе такого
дорогого элемента как никель предопределяет поиск
новых экономно-легированных им сталей. Это тем
более актуально в Украине, не имеющей собствен-
ной сырьевой базы данного элемента. В сталях этого
класса никель необходим, прежде всего, для стаби-
лизации аустенитной структуры, для чего можно ис-
пользовать более доступные в Украине азот и марга-
нец. При этом полностью исключать никель из со-
става стали нецелесообразно, так как известно, что
хромомарганцевые безникелевые стали, как с азо-
том, так и без него, содержат повышенное количе-
ство α-фазы (>2 балла) и имеют низкую пластич-
ность [1].
С целью разработки оптимального состава низко-
углеродистой хромоникельмарганцевой азотсодер-
жащей марки стали с пониженной концентрацией
никеля и технологии производства центробежно-ли-
тых труб из неё выполнены экспериментальные
плавки, в которых варьировалось содержание основ-
ных элементов. При этом необходимое для стабили-
зации аустенитной структуры ориентировочное со-
держание элементов в стали оценивалось по диа-
грамме Шеффлера [2]. Выплавку вели в индукцион-
ной печи емкостью тигля 60 кг. Легирование азотом
осуществляли азотированным марганцем в конце
плавки в печи или в ковше при выпуске. Содержа-
ние азота стремились получить максимальным, что
связано с возможностью большей замены им никеля
и марганца при незначительном уменьшении пла-
стичности и коррозионной стойкости. Содержание
азота в стали определяли на газоанализаторе ТС-136
фирмы “Leco” с точностью ± 0,0001 мас.%. Метал-
лографический анализ структуры опытного металла
проводился на микроскопе “Neofot”.
Разливку осуществляли по 2 вариантам: в излож-
ницу круглого сечения емкостью 10 кг и на машине
центробежного литья в полую трубную заготовку
размером О103×35×1000. Кокиль, футерованный
люнкеритом, и изложницу с надставкой перед залив-
кой металла нагревали до 500...700°С. Жидкий ме-
талл в изложницу заливали сверху, а во вращающий-
ся в горизонтальной плоскости со скоростью 1800
об/мин кокиль — с торца. Во время разливки и
остывания кокиль охлаждался водой.
Исследованы особенности затвердевания опыт-
ной высокоазотистой стали, распределение основ-
ных элементов (хрома, никеля, марганца и азота) по
сечению заготовок, макро- и микроструктура полу-
ченного металла, его механические свойства и кор-
розионная стойкость.
Химический состав опытного металла и количе-
ство α-фазы приведены в табл.1. При изучении ма-
кроструктуры слитка, разлитой в изложницу стали
состава № 20, обнаружена газовая пористость. На-
личие газовых пор, приводящих к браку, связано с
высоким содержанием азота в жидком металле, пре-
вышающим его растворимость в твердой фазе при
температуре кристаллизации [3].
Рис.1.Распределение азота по сечению трубной
центробежно-литой заготовки из стали
03Х18Г5АН4 на различном расстоянии от заливоч-
ного торца, мм: 1 - 200; 2 - 345; 3 - 635; 4 - 780
Отклонения от ковшевого состава содержаний
хрома, никеля и марганца в различных точках по се-
чению трубной заготовки из центробежно-литого
металла были незначительны и не превышали
точности их определения. При этом кривые, описы-
вающие распределение азота в различных сечениях
центробежно-литой трубы, (рис.1) имеют перегиб,
находящийся на границе зоны равноосных зерен.
149
При исследовании макроструктуры трубной заготов-
ки установлено, что во внутреннем слое с повышен-
ным содержанием азота имеются точечные дефекты
(рис.2). Толщина дефектного слоя составляет 0...8
мм, увеличиваясь от заднего (“холодного”) конца за-
готовки к заливочному (“горячему”).
а
б
Рис.2 Макроструктура поперечного сечения труб-
ной заготовки из стали 03Х18Г5АН4:а - заливочный
конец; б - задний конец
По существующей технологии производства цен-
тробежно-литых трубных заготовок, в том числе и
не легированных азотом, предусмотрена обточка на-
ружной и внутренней поверхности, связанная с
необходимостью удаления поверхностных литейных
дефектов перед дальнейшим прокатным переделом.
Поэтому при обточке опытной трубной заготовки
внутренний слой с точечными дефектами, вызван-
ными, вероятно, повышенным содержанием азота,
удаляется, и его концентрация по всему сечению
литой трубы остаётся равномерно высокой (на уров-
не растворимости в твердой фазе при температуре
кристаллизации). При металлографическом анализе
образцов литого металла установлено, что сталь
имеет практически аустенитную структуру с распо-
ложенной по границам зерен остаточной α-фазой.
Её количество в металле опытных плавок (см.табл.1)
достаточно точно совпадает с результатами предва-
рительных оценочных расчетов, выполненных по
диаграмме Шеффлера. Это подтверждает возмож-
ность использования данной диаграммы, получен-
ной для стали типа 18-10, для прогнозирования фа-
зового состава и малоникелевых азотсодержащих
хромомарганцевых сталей в зависимости от соотно-
шения концентраций легирующих элементов.
Испытания на растяжение опытного литого ме-
талла проводили по ГОСТ 1497-84 на цилиндриче-
ских образцах с d0 = 50 мм, ударной вязкости — по
ГОСТ 9454-84. Результаты испытаний, приведенные
в табл. 2, позволяют сделать вывод, что металл всех
исследованных составов обладает механическими
свойствами, существенно превышающими требова-
ния ГОСТ 977-88 к стандартной стали
12Х18Н10ТЛ. Проведение стандартных для данного
класса сталей термообработок на твердый раствор
(отжиг при 1050 – 1150°С с охлаждением в воду)
приводит к дополнительному повышению временно-
го сопротивления опытного металла на 75 МПа.
Таблица 1
Химический и фазовый состав металла опытных плавок
Номер
состава
Содержание элементов, мас.%* NiЭКВ α-фаза,
балл
С Cr Mn Ni N Si
1. 0,021 18,2 4,55 3,20 0,207 0,73 11,3 1,0
2. 0,024 18,4 5,86 3,15 0,188 0,68 11,5 1,5
3. 0,025 18,4 5,84 3,20 0,231 0,72 12,6 0,5
4. 0,028 17,2 6,03 3,18 0,175 0,66 11,4 0,5
5. 0,037 17,2 5,20 3,00 0,184 0,85 11,3 0,5
6. 0,027 17,9 5,50 3,20 0,182 0,85 11,3 1,0
7. 0,030 16,1 5,20 2,92 0,153 0,39 10,2 0,5
8. 0,029 17,1 4,90 3,32 0,164 0,39 10,7 0,5
9. 0,020 17,2 4,80 3,70 0,160 0,37 10,7 0,5
10. 0,030 17,9 4,32 4,85 0,230** 0,38 14,2 0,5
11. 0,030 17,9 4,32 4,85 0,230** 0,38 14,2 0,5
12. 0,030 17,9 4,32 4,85 0,230** 0,38 14,2 0,5
13. 0,020 18,0 1,75 3,62 0,043 0,19 6,1 5,0
14. 0,020 17,6 2,30 3,47 0,124 0,20 8,2 4,0
15. 0,020 17,6 2,95 3,49 0,192 0,09 10,3 2,5
16.*** 0,020 18,0 3,85 3,44 0,252 0,10 12,2 2,0
17.*** 0,020 17,6 5,20 3,48 0,326 0,11 14,9 0,5
18.*** 0,020 17,6 5,00 3,59 0,328 0,18 14,9 0,5
19.*** 0,020 18,0 4,60 3,55 0,331 0,09 14,7 0,5
20. 0,020 18,0 4,10 3,36 0,327 0,13 14,3 0,5
* содержание серы и фосфора ≤0,020 мас.%, каждого;
** среднее содержание по длине и сечению стенки обточенной трубы;
*** кристаллизация металла проходила с высокой скоростью.
150
Таблица 2
Механические и антикоррозионные свойства металла опытных плавок
Номер
состава
Механические свойства при 20°С Стойкость металла к МКК
вид термообработки
σв ,
МПа
σ0,2 ,
МПа
δ5 ,
%
ψ,
%
KCU,
кДж/м2
без термооб-
работки
закалка с
1100°С + отпуск
650°С, 1ч
закалка с
1150°С + отпуск
650°С, 1ч
1 807 310 38 43 690
2 752 290 42 48 720
3 833 323 34 40 620 не стойкие стойкие
4 716 293 43 49 800
5 772 300 41 49 800 не стойкая
6 763 307 39 48 810 стойкие стойкая
7 656 284 46 52 830 не стойкие
8 697 293 44 49 810 стойкие
9 703 300 45 48 805 стойкая
10 670 305 59 39 — — —
11 745 288 63 60 — — — —
12. 745 299 65 60 — — — стойкая*
** 441 196 25 32 590 —
* закалка с 1150°;
** сталь 12Х18Н10ТЛ (ГОСТ 977-88).
Таблица 3
Результаты испытаний стали типа Х18Г5АН4 на общую коррозионную стойкость методом
ДУ
Режим термической об-
работки
Плавка № 5 Плавка № 6
Скорость коррозии, мм/год
Цикл кипячения
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
Без т/о 0,7 0,8 0,6 0,4 0,8 0,3 0,3 0,4 0,2 0,3
Отпуск 650°С, 1ч 19,6 34,6 20,3 16,9 35,2 1,2 2,7 4,4 2,7 2,3
Закалка с 1050°С 0,6 0,9 0,6 0,4 1,4 0,3 0,3 0,5 0,3 0,2
Закалка с 1050°С +
Отпуск 650°С, 1ч
8,4 28,5 15,8 13,2 1,7 1,0 1,0 0,9 1,8 1,1
При этом влияние азота проявляется значительно
сильнее, чем углерода. Например, аустенитная мало-
никелевая сталь 45Х17Г13Н3ЮЛ, несмотря на более
чем вдвое высокое содержание марганца и почти
вдвое большее содержание углерода по сравнению с
азотом в опытной стали, имеет временное сопротив-
ление лишь на уровне 500 МПа при более низких
пластических характеристиках (δ5 = 10...15% и ψ =
18...22%). Следует отметить, что опытный металл
сохраняет высокий уровень прочности при высоких
температурах испытаний. Так временное сопротив-
ление при 1000°С составляет ∼600 МПа, что позво-
ляет прогнозировать возможность использования
разработанной стали в качестве жаропрочной при
температурах до 900...1000°С.
Стойкость стали к межкристаллитной коррозии
(МКК) оценивали методом АМ и выборочно мето-
дом ДУ (ГОСТ 6032–89). Испытаниям на МКК под-
вергали по 3-4 образца для каждого состояния ме-
талла, а по методу ДУ — по 2 образца. Результаты
испытаний, приведенные в табл. 2, свидетельствуют,
что литой металл всех плавок при испытании по ме-
тоду АМ без предварительной термической обра-
ботки не склонен к МКК.
Испытания по методу ДУ проводили только с ме-
таллом плавок №5,6. Результаты испытаний, пред-
ставленные в табл. 3, подтверждают отрицательное
влияние углерода и провоцирующего отжига при
650°С на склонность стали к коррозии. Как видим,
только металл с содержанием углерода ≤0,030% без
термической обработки и после закалки с 1050°С
полностью отвечает требованиям ГОСТ 6032-84.
Практически не склонен он к МКК в среде метода
ДУ и после закалки с 1100°С с последующим прово-
цирующим отжигом (лишь в одном цикле скорость
коррозии составляет 0,6 мм/год). Это свидетельству-
ет о целесообразности снижения концентрации угле-
рода в металле ниже 0,030%, если изделие подверга-
ется сварке или предназначено для работы при высо-
ких температурах в агрессивной среде.
151
Рис.3 Влияние азота на механические свойства от-
ливок из стали типа Х17Н3АГ5: 1 - предел прочно-
сти; 2 - предел текучести; 3 - относительное удли-
нение; 4 – относительное сужение; 5 - ударная вяз-
кость
На основании проведенных исследований корро-
зионной стойкости опытной стали можно сделать
однозначный вывод, что повышение температуры
нагрева под закалку до 1150°С при содержании угле-
рода не более 0,030% не только повышает механи-
ческие свойства, но и практически исключает
склонность металла к МКК
Снижение же содержания углерода до ≤0,020%
обеспечивает отсутствие межкристаллитных трещин
при всех исследованных видах термовременных воз-
действий, что свидетельствует о пригодности разра-
ботанной марки стали для сварки даже в достаточно
массивных изделиях.
ВЫВОДЫ
Разработана экономнолегированная никелем
азотсодержащая коррозионностойкая сталь типа
03Х18Г5АН4, которая по механическим свойствам
значительно превосходит стандартную сталь
12Х18Н10ТЛ и обладает высокой коррозионной
стойкостью в окислительно-восстановительных (ме-
тод АМ) и сильно-окислительных (метод ДУ) сре-
дах.
Трубы из стали 03Х18Г5АН4 могут быть изго-
товлены центробежным литьем с последующей хо-
лодной деформацией, минуя стадию горячего пере-
дела.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.М.Паршин Структура, прочность и радиаци-
онная повреждаемость коррозионн-остой-
ких сталей и сплавов. Челябинск:"Металлур-
гия",1988. 656 с.
2. А.П.Гуляев, Т.А Жадан. Новые низколегирован-
ные нержавеющие стали. М.: "Машинострое-
ние", 1972. 104 с.
3. Г.Н. Трегубенко Перераспределение азота между
фазами при кристаллизации высокоазотистой
стали // Проблемы спец. электрометаллургии.
1999. №4, с..57 - 66.
152
Экономно-легированная никелем азотсодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь
С
Выводы
ЛИТЕРАТУРА
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78211 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-24T14:15:22Z |
| publishDate | 2000 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Венец, Ю.С. Трегубенко, Г.Н. Тарасьев, М.И. Рабинович, А.В. 2015-03-12T20:00:26Z 2015-03-12T20:00:26Z 2000 Экономно-легированная никелем азотсодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь / Ю.С. Венец, Г.Н. Трегубенко, М.И. Тарасьев, А.В. Рабинович // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 149-152. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78211 669.018.25 Исследованы структура, механические свойства и коррозионная стойкость малоникелевых азотсодержащих сталей. Установлена возможность производства центробежно-литых труб из сталей с высоким содержанием азота. Показано, что разработанная экономно-легированная сталь типа 03Х18Г5АН4 имеет стабильную аустенитную структуру, обладает высоким комплексом механических и антикоррозионных свойств и может использоваться для изготовления конструкций, применяемых в атомной энергетике. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Состояние и проблемы конструкционных материалов активной зоны реакторов на быстрых нейтронах и термоядерных реакторов Экономно-легированная никелем азотсодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь Article published earlier |
| spellingShingle | Экономно-легированная никелем азотсодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь Венец, Ю.С. Трегубенко, Г.Н. Тарасьев, М.И. Рабинович, А.В. Состояние и проблемы конструкционных материалов активной зоны реакторов на быстрых нейтронах и термоядерных реакторов |
| title | Экономно-легированная никелем азотсодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь |
| title_full | Экономно-легированная никелем азотсодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь |
| title_fullStr | Экономно-легированная никелем азотсодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь |
| title_full_unstemmed | Экономно-легированная никелем азотсодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь |
| title_short | Экономно-легированная никелем азотсодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь |
| title_sort | экономно-легированная никелем азотсодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь |
| topic | Состояние и проблемы конструкционных материалов активной зоны реакторов на быстрых нейтронах и термоядерных реакторов |
| topic_facet | Состояние и проблемы конструкционных материалов активной зоны реакторов на быстрых нейтронах и термоядерных реакторов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78211 |
| work_keys_str_mv | AT venecûs ékonomnolegirovannaânikelemazotsoderžaŝaâkorrozionnostoikaâaustenitnaâstalʹ AT tregubenkogn ékonomnolegirovannaânikelemazotsoderžaŝaâkorrozionnostoikaâaustenitnaâstalʹ AT tarasʹevmi ékonomnolegirovannaânikelemazotsoderžaŝaâkorrozionnostoikaâaustenitnaâstalʹ AT rabinovičav ékonomnolegirovannaânikelemazotsoderžaŝaâkorrozionnostoikaâaustenitnaâstalʹ |