2.2 Методика исследования
2.2.1 Подготовка образцов для исследования
Резка на образцы до термической обработки производились с применением вулканитных кругов и гильотины, резка и изготовление образцов после термической обработки производилась только на металлорежущих станках с охлаждением, исключающим разогрев.
Термическая обработка выполнялась в лабораторных печах с обязательным использованием контрольной термопары, спай которой находился в печном пространстве в непосредственной близости от образцов. Длительные (от 100 до 10 тыс. часов) выдержки при старении проводились в лабораториях ЦНИИ КМ «Прометей».
Проведение кратковременных нагревов (0,1 ч.) нагревов при исследовании склонности к межкристаллитной коррозии осуществлялось на образцах толщиной 2-3 мм, погружаемых в разогретый до заданной температуры металлический сосуд с жидким припоем ПОС-60. Крышка специальной конструкции обеспечивала погружение образца в жидкий металл. Специальным экспериментом было установлено, что время прогрева образца в этом случае не превышает 60 секунд. Учитывая большую массу жидкого металла в сравнении с образцом, его погружение не приводило к заметному изменению температуры.
Рисунок 2.1. Образцы не подверженные МКК Образцы подверженные МКК
2.2.2 Проведение испытаний
Стойкость к МКК оценивалась по методу АМ ГОСТ 6032-84 на образцах размером 3х20х80 мм. Кипячение проводилось в течении 24 часов, содержащих 16-18% хрома, и в течении 15 часов для сталей, содержащих около 13% хрома. Перед кипячением образцы, прошедшие шлифовку и полировку абразивными материалами, тщательно обезжиривались и взвешивались с точностью до 0,0001 г. После кипячения образцы высушивались, и производилось повторное взвешивание, по изменению веса определяли скорость коррозии (мм/год).
После этого образцы подвергались загибу на угол 900. Также сгибались контрольные образцы, не проходившие кипячение. В случаях, когда вид поверхности изогнутых образцов не давал возможности однозначно оценить склонность к МКК, изготавливались микрошлифы для определения наличия и глубины зоны, пораженной МКК.
3.Результаты исследования
С развитием технологий Cr-Ni-Mn-N-стали начали все чаще применять в различных отраслях, в частности в атомной энергетике. Это обусловлено высоким уровнем прочности таких сталей (рис.1).
По литературным данным были проведены оценки уровня прочности ряда Cr-Ni, Cr-Ni-Mn-N и Cr-Mn-N сталей. Сталь 03Х18Г9Н5АБ с содержанием азота до 0,1 % имела предел текучести свыше 350 МПа [32]. Сталь 06Х17Г17Н2АБ с содержанием азота 0,25-0,3%имела предел текучести 500 МПа [31]. Сталь 06Х17Г17ДАМБ с содержанием азота 0,32-0,35% имела предел текучести около 600 МПа [34]. Как видно из рисунка 1, все эти стали существенно превышают уровень прочности сталей типа Х18Н10Т [8].
На рисунке 3.1 показано, что величина предела текучести зависит от содержания азота в стали и может в 2-2.5 раза превышать величину предела текучести классической стали 08Х18Н10Т. В тоже время стойкость к МКК указанных сталей исследована недостаточно. В данной работе проводится исследование ряда сталей на стойкость к МКК:
Высокопрочная безникелевая сталь 06Х17Г17ДАМБ (плавка 1) исследовалась на стойкость к МКК после аустенизации при температуре Т=1070 оС (0,5 ч., вода) и 1170 оС (5 ч., вода). Продолжительность старения составила от 0,5 до 5000 часов в температурном интервале от 450 оС до 800 оС. Полученные результаты представлены на рисунке 3.2.
Стойкость данной стали к МКК при отношении низкая, склонность к межкристаллитной коррозии появилась после выдержки в 1 час при температуре 600 оС и 650 оС после аустенизации 1070 оС, и выдержке в 1 час при температуре 650 оС и 700 оС после аустенизации 1170 оС.
Следует отметить, что повышение температуры аустенизации с 1070 оC до 1170 оC не оказало существенного влияния на время до появления МКК и форму температурно-временной области склонности к МКК. Повышение температуры аустенизации на 100 оС вызвало увеличение температуры появления МКК на 50 оC.
Сталь Х17Г17Н2АБ (плавка 2, 3 и 4) с содержанием никеля около 2% и углерода 0,06 ч 0,07 % исследовалась на стойкость к МКК при различных отношениях после аустенизации 1070 оС.
Установлено, что повышение отношения с 3,3 до 18,3 не повысило существенно стойкость к МКК, коррозионное разрушение наблюдалось после выдержки 0,1 часа при соотношении , и после выдержки 0,5 часа при соотношении .
Сталь Х18Г9Н5АБ (плавка 5,6 и 7) с содержанием никеля около 5% и содержанием углерода от 0,03 до 0,1 % при различном соотношении исследовалась на стойкость к МКК после аустенизации 1070 оС.
В результате установлено, что при содержании углерода около 0,1% и соотношении склонность к МКК появилась после выдержки 0,1 часа; при содержании углерода около 0,05% и соотношении склонность к МКК появилось спустя 10 часов, а при содержании углерода около 0,03% и соотношении склонность к МКК проявилась при выдержке 50 часов.
В сталях Х13АГ20 (плавка 9) и Х13Н5АГ20 (плавка 10) с одинаковым отношением проводилось исследование влияния содержания Ni на стойкость к МКК.
На рисунке 3.5 показано, что у стали Х13АГ20 с содержанием Ni=0,03% склонность к МКК появилась после выдержки 1 час при температуре 600-650 оС, а у стали Х13Н5АГ20 с содержанием Ni=4,3% склонность к МКК появилась после выдержки 100 часов при той же температуре, что говорит о положительном влиянии Ni на стойкость к МКК.
Рисунок 3.1 Зависимость уровня прочности аустенитной стали от содержания азота
Рисунок 3.2
Рисунок 3.3
Рисунок 3.4 Влияние содержания углерода и ниобия на склонность к МКК
Рисунок 3.5
Выводы
1. Установлено, что безникелевые и содержащие 2% никеля Cr-Mn-N-стали имеют низкую стойкость к межкристаллитной коррозии. Коррозионные повреждения обнаруживались после нагрева продолжительностью от 0,1 до 1 часа.
2. Содержащая 5% никеля сталь Х18Г9Н5АБ показала удовлетворительную стойкость к межкристаллитной коррозии при содержании углерода равным 0,05% и соотношением , межкристаллитная коррозия обнаружилась после нагрева продолжительностью 10 ч., а при содержании углерода равным 0,03% и соотношением межкристаллитная коррозия была обнаружена после нагрева продолжительностью 50 часов.
3. В сталях типа Х13АГ20 с одинаковым соотношением плавка без никеля проявила склонность к межкристаллитной коррозии после нагрева продолжительностью 1 час, а плавка с содержанием Ni=4,6% проявила склонность к межкристаллитной коррозии только после нагрева продолжительностью 100 часов.
4. Таким образом, установлено, что для сохранения высокой стойкости к межкристаллитной коррозии в Cr-Mn-Ni-N-сталях следует сохранить содержание никеля на уровне 4,5-5%.
Список литературы
1.Забелло В. История изобретения нержавеющих сталей//Переработка молока 2016 г. №6.
2.ГОСТ 5632-72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные». Госстандарт 1994 г.
3.Шлямнев А.П., Свистунова Т.В., Сорокина Н.А. и др. Коррозионно-стойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы: Справочник. «Проммет-СПЛАВ», 2008 г.
4.Туфанов Д. Г. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей, сплавов и чистых металлов. 1990 г.
5.Свистунова Т.В., Шлямнев А. П. Развитие и применение коррозионно-стойких сталей и сплавов// Металловедение и термическая обработка металлов 2010 г. №7.
6.Бугай Д. Е. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. 2003 г.
7.Банных О. А. Развитие исследований нержавеющих сталей. Металловедение и термическая обработка металлов. 1997 г., №10.
8.Дуб А. В. ЦНИИТМАШ и его основные достижения в области металловедения и термической обработки за 75 лет// Металловедение и термическая обработка металлов. 2006 г. №7.
9.Гаврилюк В.Г. Физические основы азотистых сталей. 2007 г.
10.Капуткина Л.М. и др. Высокотемпературная прочность аустенитных азотистых коррозионно-стойких Cr-Ni-Mn-сталей с добавкой меди// Металловедение и термическая обработка металлов. 2018 г. №3.
11.Калинин Г.Ю., Харьков А.А., Фомина О.В., Голуб Ю.В. К вопросу о перспективах широкого внедрения аустенитных сталей легированных азотом// Морской вестник 2010 г. №4.
12.Горынин И.В., Малышевский В.А., Калинин Г.Ю., Мушникова С.Ю., Банных О.А., Блинов В.М., Костина М.В. Коррозионно-стойкие высокопрочные азотистые стали// Вопросы материаловедения 2009 г. №3.
13.Колчин Г.Г., Ермаков Б.О. Склонность к межкристаллитной коррозии хромоникелевых аустенитных сталей, легированных азотом и молибденом // Защита металлов, 1986. - № 5.
14.Химушкин Ф.Ф. Нержавеющие стали. Металлургия 1967 г.
15.Чигал В. Межкристаллитная коррозия нержавеющих сталей. Химия. 1969 г.
16.Ульянин Е.А. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. Металлургия 1980 г.
17.Катада Э., Ванишцу Н., Бабак Х. Стали с повышенным содержанием азота, разработанные в национальном институте материаловедения//Металловедение и термическая обработка металлов. ? 2005. ? № 11.