Abstract and keywords
Abstract (English):
There is carried out a choice of efficient procedure for the microstructure detection of X2CrNiMoCuN25-6-3 duplex steel. The metallographic investigations of steel after different modes of its thermal treatment are fulfilled. There is chosen a mode, at which a structure with equal amount of ferrite and austenite is formed which allows forming an optimum complex of steel physical-mechanical properties.

Keywords:
austenite, ferrite, metallographic analysis, duplex steel, thermal treatment
Text
Publication text (PDF): Read Download

 

Сталь X2CrNiMoCuN25-6-3 является аустенитно-ферритной нержавеющей сталью с повышенной коррозионной и химической стойкостью. Благодаря своей высокой кислотоустойчивости эта сталь нашла применение в судостроении, а также при производстве оборудования по переработке серной, фосфорной, азотной, уксусной и других кислот. К преимуществам дуплексных сталей относится также их высокая прочность, что позволяет уменьшить вес изделий.

Требуемый комплекс физико-механических свойств стали формируется путем ее термической, либо термомеханической обработки, в результате которой происходит переход ферритной фазы в аустенитную. Наиболее устойчивым является состояние микроструктуры, в которой содержится 50 % аустенита и 50 % феррита, что определяет повышенный комплекс свойств дуплексных нержавеющих сталей.

Наряду с преимуществами при использовании дуплексных сталей возникает ряд трудностей, к которым, прежде всего, следует отнести возникновение существенной микроструктурной неоднородности при тепловой обработке и склонность к ухудшению свойств.

Ухудшение механических свойств стали связано с ее старением, вызванным высоким содержанием азота. Азот в составе дуплексных сталей необходим для подавления образования s-фазы, однако, выделяющиеся по кристаллографическим плоскостям дисперсные включения нитридов железа препятствуют перемещению дислокаций и вызывают охрупчивание металла [1].

Формирование микроструктурной неоднородности, как правило, происходит при сварке сталей и особенно заметно в околошовной зоне. Особенностью тепловых процессов обработки большинства высоколегированных сталей является формирование в структуре интерметаллических соединений, негативно влияющих на их прочность и коррозионную стойкость. Температурно-временные режимы формирования фаз Лавеса, s-фазы и c-фазы носят нелинейный характер и зависят от действительного содержания легирующих элементов в стали.

Согласно имеющимся данным для высоколегированных сталей характерна 475-градусная хрупкость, которая связана с формированием по границам зерен хрупкой
a¢-фазы. Время возникновения этой фазы достаточно мало – формирование происходит уже через 5…6 мин выдержки стали при этой температуре. При температурах 500…650 °С для формирования интерметаллидов требуется время от 1 до 10 ч, а при температурах 700…1000 °С время их возникновения уменьшается до 1…20 мин.

Таким образом, при разработке и реализации технологий неразъемного соединения аустенитно-ферритных сталей с использованием источников нагрева, а также при разработке технологий их термической обработки, необходимо знать и учитывать происходящие структурные изменения для получения требуемого комплекса физико-механических свойств.

В настоящей работе проведены микроструктурные исследования влияния температуры отжига стали X2CrNiMoCuN25-6-3 на ее структуру и физико-механические свойства. Время изотермической выдержки составляло 15 мин, размеры экспериментальных образцов ‒ 15´8´50 мм.

В табл. 1 представлены результаты анализа химического состава изучаемой стали.

 

 

1. Химический состав стали X2CrNiMoCuN25-6-3

Элемент

C

Cr

Ni

Mn

Si

Mo

Cu

N

P

S

Содержание, %

0,023

24,656

6,296

0,978

0,321

3,594

1,617

0,238

0,026

0

 

 

Исследование микроструктуры образцов после различных режимов термической обработки осуществлялось с применением металлографического анализа в режиме светлопольного освещения на металлографическом микроскопе ММР-2Р.

Подготовка образцов для металлографического анализа осуществлялась путем шлифования, полировки их поверхностей, и последующего выявления микроструктуры. Наиболее широко в металлографии применяют методики химического и электролитического травления [2, 3].

Высокая коррозионная и химическая стойкость стали X2CrNiMoCuN25-6-3 делает неэффективным применение большинства реактивов, которые традиционно применялись для нержавеющих сталей. В результате проведенных экспериментальных исследований по оценке эффективности различных способов и составов для металлографического травления изучаемой стали, выбраны реактивы, рецептура которых приведена в табл. 2.

 

 

2. Способы и составы травления стали X2CrNiMoCuN25-6-3

 

реактива

Способ травления

Время травления, мин

Плотность тока, А/дм2

Состав реактива (электролита)

1

Химическое

10

¾

CuCl21 г;

HCl – 10 мл;

C2H5OH – 10 мл;

H2O – 10 мл

2

 

Электролитическое

1

0,6

13,5%-ный  водный раствор HCl

3

5

0,2

Ba(OH)210 г;

H2O – 200 мл

 

На рис. 1 представлены микроструктуры стали X2CrNiMoCuN25-6-3, выявленные путем травления составами, приведенными в табл. 2.

 

Рис. 1.bmp

а)

Рис. 1.bmp

б)

Рис. 1.bmp

в)

Рис. 1. Микроструктура стали X2CrNiMoCuN25-6-3 (×1025):

а – химическое травление реактивом 1;

б, в – электролитическое травление реактивами 2 и 3

 

Характерной особенностью аустенитно-ферритных сталей является то, что формирование аустенитной фазы происходит при резком охлаждении, а присутствие в составе стали азота способствует стабилизации g-фазы. Первоначально структура стали преимущественно ферритная. Согласно диаграмме Шеффлера [4] после термической обработки структура исследуемой стали будет аустенитно-ферритная, причем феррита в ней ~70 %.

Травление реактивами 1 и 2, как видно из рис. 1, позволяет выявить границы фаз, однако, не является избирательным по отношению к какой-либо из них. На рис. 1, в показана микроструктура, полученная путем травления в электролите, представляющем собой водный раствор гидроксида бария. Как видно, данный раствор пригоден для избирательного травления фаз. При его использовании происходит вытравливание аустенитной фазы (темные участки), а ферритная контрастно проявляется на ее фоне в виде белых участков.

Таким образом, на основе изучения действия различных реактивов на аустенитно-ферритную сталь X2CrNiMoCuN25-6-3, выбран наиболее эффективный способ выявления ее структуры, который используется в дальнейших исследованиях образцов, подвергнутых различным тепловым воздействиям.

Согласно СТО 22452139-001-2014 «Сварка сосудов, аппаратов и трубопроводов из дуплексных сталей» для обеспечения стойкости к коррозионному растрескиванию, сварные соединения из дуплексных сталей подвергаются термической обработке в виде отжига для снятия напряжений с последующим охлаждением в воде или на воздухе. При этом для уточнения рекомендуемых режимов термообработки рекомендуется обращаться к производителю конкретной марки стали или его официальному представителю.

С целью выяснения механизма влияния режима термической обработки стали X2CrNiMoCuN25-6-3 на изменение ее микроструктуры авторами проведен комплекс исследований, при котором специально подготовленные образцы подвергались нагреву до температур 600, 800, 1050 °С в лабораторной муфельной печи СНОЛ 6/11, выдержке 15 мин и охлаждению в воде.

На рис. 2 представлены микроструктуры образцов при увеличении 500 крат. Светлые области на микроструктурах – феррит, темные – аустенит.

Анализ микроструктур (см. рис. 2) показывает, что изотермическая выдержка при температуре 600 °С (рис. 2, б) с последующим охлаждением в воде не изменяет структуру стали, которая изначально (рис. 2, а) является ферритной [4]. При нагреве до температуры 800 °С, выдержке и охлаждении в воде в структуре (рис. 2, в) начинает выделяться вторичный аустенит. Наряду с выделением из ферритной фазы аустенита, в ней происходит интенсивное формирование интерметаллидов (s-фазы, c-фазы и фаз Лавеса), которые на рис. 2, в имеют серый оттенок. Наличие данных фаз в микроструктуре ведет к охрупчиванию стали. Предотвратить образование интерметаллидов позволяет повышение температуры нагрева до 1050 °С (рис. 2, г). При этом происходит наиболее полное превращение ферритной фазы в аустенитную. После резкого охлаждения в структуре устанавливается практически равное количество ферритной и аустенитной фаз.

 

Рис. 2.bmp

а)

Рис. 2.bmp

б)

Рис. 2.bmp

в)

Рис. 2.bmp

г)

Рис. 2. Микроструктура стали X2CrNiMoCuN25-6-3 без термообработки (а), после отжига при температурах 600 °С (б), 800 °С (в), 1050 °С (г)

Выводы

 

1. В результате проведенных исследований определена эффективность различных способов и составов для выявления микроструктуры дуплексной стали X2CrNiMoCuN25-6-3 и выбрано электролитическое травление в
5 %-ном растворе гидроксида бария.

2. Выбранная методика выявления структуры применена при проведении металлографических исследований образцов стали после различных режимов ее термической обработки. Доказано, что при нагреве стали до температуры 1050 °С, выдержке и охлаждении в воде формируется структура с равным количеством феррита и аустенита, что позволяет сформировать оптимальный комплекс физико-механических свойств стали (ударная вязкость, прочность), недостижимый при использовании аустенитных, мартенситных или ферритных нержавеющих сталей, а также получить коррозионную стойкость наивысшую, по сравнению с однофазными сталями.

 

 

References

1. Umansky, A.A. Quality formation investigations of critical metal products through steel-rolled metal conversion // Fundamental Investigations. - 2014. - No.8-2. - pp. 335-339.

2. Baranova, L.V., Demina, E.L. Metal and alloy metallograph etching: reference book - M.: Metallurgy, 1986. - pp. 256.

3. Mordasov, D.M., Zotov, S.V. Ch12MF steel die thermocyclic processing for working under conditions of hot deformation // Bulletin of TSTU. - 2016. - No.3 (22). - pp. 481-490.

4. Schaeffler, A.L. Constitution diagram for stainless steel weld metal // Metal Progress. - 1949. - V. 56. No. 5. - Pp. 680-686.

Login or Create
* Forgot password?